Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Для квантово-механического исследования распределения электронов в молекуле см стереоэлектроника .

Молекулярная электроника - это исследование и применение молекулярных строительных блоков для изготовления электронных компонентов. Это междисциплинарная область, охватывающая физику , химию и материаловедение . Объединяющая особенность - использование молекулярных строительных блоков для изготовления электронных компонентов. В связи с перспективой уменьшения размеров электроники, обеспечиваемой контролем свойств на молекулярном уровне, молекулярная электроника вызвала большой ажиотаж. Он предоставляет потенциальные средства для расширения закона Мура за пределы предполагаемых пределов небольших обычных кремниевых интегральных схем . [1]

Электроника молекулярного масштаба [ править ]

Основная статья: Электроника молекулярного масштаба
Часть цикла статей о
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы

Электроника молекулярного масштаба , также называемая электроникой одиночных молекул, является отраслью нанотехнологии , в которой в качестве электронных компонентов используются одиночные молекулы или наноразмерные совокупности одиночных молекул . Поскольку одиночные молекулы представляют собой минимально возможные стабильные структуры, такая миниатюризация является конечной целью сокращения электрических цепей .

Обычные электронные устройства традиционно изготавливаются из сыпучих материалов. Массовые методы имеют определенные ограничения, они становятся все более требовательными и дорогостоящими. Таким образом, родилась идея, что компоненты можно было бы вместо этого создавать атом за атомом в химической лаборатории (снизу вверх), а не вырезать их из объемного материала (сверху вниз). В электронике с одной молекулой объемный материал заменяется одиночными молекулами. То есть вместо того, чтобы создавать структуры путем удаления или нанесения материала на каркас узора, атомы собирают вместе в химической лаборатории. Используемые молекулы имеют свойства, напоминающие традиционные электронные компоненты, такие как провод , транзистор или выпрямитель.. Эта концепция использования молекулы в качестве традиционного электронного компонента была впервые представлена ​​Авирамом и Ратнером в 1974 году, когда они предложили теоретический молекулярный выпрямитель, состоящий из донорных и акцепторных участков, изолированных друг от друга. [2]

Одномолекулярная электроника - это развивающаяся область, и целые электронные схемы, состоящие исключительно из соединений молекулярного размера, все еще очень далеки от реализации. Однако постоянный спрос на большую вычислительную мощность вместе с ограничениями, присущими современным литографическим методам, делают переход неизбежным. В настоящее время основное внимание уделяется обнаружению молекул с интересными свойствами и поиску способов получения надежных и воспроизводимых контактов между молекулярными компонентами и основным материалом электродов.

Молекулярная электроника работает в квантовой сфере на расстояниях менее 100 нанометров. Миниатюризация до отдельных молекул снижает масштаб до режима, в котором важны эффекты квантовой механики . В отличие от обычных электронных компонентов, где электроны могут заполняться или вытягиваться более или менее подобно непрерывному потоку электрического заряда , перенос одного электрона значительно изменяет систему. При расчетах электронных свойств установки необходимо учитывать значительное количество энергии, вызываемой зарядкой, и она очень чувствительна к расстояниям до проводящих поверхностей поблизости.

Графическое представление ротаксана , используемого в качестве молекулярного переключателя.

Одна из самых больших проблем при измерении одиночных молекул - это установить воспроизводимый электрический контакт только с одной молекулой и сделать это без короткого замыкания электродов. Поскольку современная фотолитографическая технология не может обеспечить зазоры между электродами, достаточно малые, чтобы контактировать с обоими концами тестируемых молекул (порядка нанометров), используются альтернативные стратегии. К ним относятся зазоры молекулярного размера, называемые разрывными соединениями, в которых тонкий электрод растягивается до тех пор, пока не сломается. Одним из способов решения проблемы размера зазора является захват молекулярных функционализированных наночастиц (расстояние между наночастицами соответствует размеру молекул), а затем целевой молекулы путем реакции обмена местами. [3] Другой метод - использовать кончикСканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для контакта молекул, прикрепленных другим концом к металлической подложке. [4] Другой популярный способ прикрепить молекулы к электродам - ​​использовать высокое химическое сродство серы к золоту ; Несмотря на свою полезность, закрепление является неспецифическим и, таким образом, фиксирует молекулы случайным образом на всех золотых поверхностях, а контактное сопротивление сильно зависит от точной атомной геометрии вокруг места закрепления и, таким образом, по своей сути ставит под угрозу воспроизводимость соединения. Чтобы обойти последнюю проблему, эксперименты показали, что фуллереныможет быть хорошим кандидатом для использования вместо серы из-за большой сопряженной π-системы, которая может электрически контактировать с большим количеством атомов одновременно, чем один атом серы. [5] Переход от металлических электродов к полупроводниковым позволяет получить более индивидуальные свойства и, следовательно, более интересные приложения. Существуют некоторые концепции для контакта с органическими молекулами с использованием только полупроводниковых электродов, например, с использованием нанопроволок арсенида индия с заделанным сегментом из материала с более широкой запрещенной зоной, фосфида индия, используемого в качестве электронного барьера, который должен перекрываться молекулами. [6]

Одним из самых больших препятствий для коммерческого использования электроники с одной молекулой является отсутствие средств для соединения схемы молекулярного размера с объемными электродами таким образом, чтобы получить воспроизводимые результаты. Также проблематично то, что некоторые измерения одиночных молекул проводятся при криогенных температурах , близких к абсолютному нулю, что требует больших затрат энергии.

История молекулярной электроники [ править ]

Впервые в истории молекулярная электроника упоминается в 1956 году немецким физиком Артуром фон Хиппелем [7], который предложил восходящую процедуру разработки электроники из атомов и молекул вместо использования готовых материалов - идею, которую он назвал молекулярной инженерией. Однако первым прорывом в этой области многие считают статью Ратнера и Авирама в 1974 году. [8] В этой статье под названием «Молекулярные выпрямители» они представили теоретический расчет транспорта через модифицированную молекулу с переносом заряда с донорно-акцепторными группами, которые позволит транспортировать только в одном направлении, по сути, как полупроводниковый диод. Это был прорыв, вдохновивший на многолетние исследования в области молекулярной электроники.


Молекулярные материалы для электроники [ править ]

Дополнительная информация: Проводящий полимер и органическая электроника
Химические структуры некоторых проводящих полимеров. Сверху слева по часовой стрелке: полиацетилен ; полифенилен-винилен ; полипиррол (X = NH) и политиофен (X = S); и полианилин (X = NH / N) и полифениленсульфид (X = S).

Самым большим преимуществом проводящих полимеров является их технологичность, в основном путем диспергирования . Электропроводящие полимеры не являются пластиками , то есть они не поддаются термоформованию, но они являются органическими полимерами, такими как (изоляционные) полимеры. Они могут обладать высокой электропроводностью, но обладают другими механическими свойствами, чем другие коммерчески используемые полимеры. Электрические свойства можно настроить с помощью методов органического синтеза [9] и усовершенствованного диспергирования. [10]

Полимеры с линейной основной цепью, такие как полиацетилен , полипиррол и полианилин, являются основными классами проводящих полимеров. Поли (3-алкилтиофены) - это типичные материалы для солнечных элементов и транзисторов. [9]

Проводящие полимеры имеют основу из смежных sp 2 -гибридизированных углеродных центров. Один валентный электрон на каждом центре находится на ap z- орбитали, которая ортогональна трем другим сигма-связям. Электроны на этих делокализованных орбиталях обладают высокой подвижностью, когда материал легируется окислением, которое удаляет некоторые из этих делокализованных электронов. Таким образом, сопряженные p-орбитали образуют одномерную электронную полосу , и электроны в этой полосе становятся подвижными, когда она частично опорожняется. Несмотря на интенсивные исследования, взаимосвязь между морфологией, структурой цепи и проводимостью еще плохо изучена. [11]

Из-за их плохой технологичности проводящие полимеры имеют немногочисленное крупномасштабное применение. У них есть определенные перспективы в области антистатических материалов [9], и они были встроены в коммерческие дисплеи и батареи, но имели ограничения из-за производственных затрат, несоответствия материалов, токсичности, плохой растворимости в растворителях и невозможности прямого плавления. Тем не менее, проводящие полимеры быстро завоевывают популярность в новых сферах применения, поскольку они становятся все более перерабатываемыми материалами с лучшими электрическими и физическими свойствами и более низкой стоимостью. Благодаря наличию стабильных и воспроизводимых дисперсий поли (3,4-этилендиокситиофен) (ПЕДОТ) и полианилин.получили несколько крупномасштабных приложений. В то время как PEDOT в основном используется в антистатических приложениях и в качестве прозрачного проводящего слоя в виде дисперсий PEDOT и полистиролсульфоновой кислоты (PSS, смешанная форма: PEDOT: PSS), полианилин широко используется для изготовления печатных плат в конечной отделке, для защиты меди от коррозии и предотвращения ее паяемости. [10] Новые наноструктурированные формы проводящих полимеров придают новый импульс этой области благодаря своей более высокой площади поверхности и лучшей диспергируемости.

См. Также [ править ]

  • Сравнение программного обеспечения для моделирования молекулярной механики
  • Молекулярная проводимость
  • Молекулярные провода
  • Органический полупроводник
  • Одномолекулярный магнит
  • Спиновый переход
  • Мономолекулярный выпрямитель
  • Наноэлектроника
  • Электроника на молекулярном уровне
  • Марк Ратнер
  • Марк Рид (физик)
  • Джеймс тур

Ссылки [ править ]

  1. ^ Петти, MC; Брайс, М.Р. и Блур, Д. (1995). Введение в молекулярную электронику . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. С. 1–25. ISBN 0-19-521156-1.
  2. ^ Авирам, Арье; Ратнер, Марк А. (15 ноября 1974 г.). «Молекулярные выпрямители». Письма по химической физике . 29 (2): 277–283. Bibcode : 1974CPL .... 29..277A . DOI : 10.1016 / 0009-2614 (74) 85031-1 .
  3. ^ Джафри, SHM; и другие. (2010). «Оценка платформы наночастиц моста для измерений молекулярной электроники» . Нанотехнологии . 21 (43): 435204. Bibcode : 2010Nanot..21Q5204J . DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 21/43/435204 . PMID 20890018 . 
  4. ^ Gimzewski, JK; Иоахим, К. (1999). «Наноразмерная наука об отдельных молекулах с использованием локальных зондов». Наука . 283 (5408): 1683–1688. Bibcode : 1999Sci ... 283.1683G . DOI : 10.1126 / science.283.5408.1683 . PMID 10073926 . 
  5. ^ Соренсен, JK архивации 2016-03-29 в Wayback Machine . (2006). «Синтез новых компонентов, функционализированных фуллереном (60), для молекулярной электроники». 4-е ежегодное собрание - CONT 2006, Копенгагенский университет.
  6. ^ Шукфех, Мухаммед Ихаб; Сторм, Кристиан; Махмуд, Ахмад; Søndergaard, Roar R .; Свайца, Анна; Хансен, Аллан; Хинце, Питер; Вейманн, Томас; Фальвик Свенссон, София; Бора, Ачют; Дик, Кимберли А .; Thelander, Клаас; Krebs, Frederik C .; Лугли, Паоло; Самуэльсон, Ларс; Торнов, Марк (2013). "Повышение проводимости нанопроволок гетероструктуры InAs / InP путем функционализации поверхности с помощью олиго (фениленвинилен) s". САУ Нано . 7 (5): 4111–4118. DOI : 10.1021 / nn400380g . PMID 23631558 . 
  7. ^ AR Гиппеля, Molecular Наука и молекулярная инженерия - 1959 DOI : 10,1063 / 1.3060522
  8. ^ Молекулярные выпрямители Arieh Aviram, Mark A.Ratner, Chemical Physics Letters, 15 ноября 1974 г., страницы 277-283 doi : 10.1016 / 0009-2614 (74) 85031-1
  9. ^ a b c Герберт Наарманн «Полимеры, проводящие электричество» в Энциклопедии промышленной химии Ульмана, 2002 г., Wiley-VCH, Weinheim. DOI : 10.1002 / 14356007.a21_429
  10. ^ a b Справочник по наноструктурированным материалам и нанотехнологиям; Nalwa, HS, Ed .; Academic Press: Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 2000; Том 5. С. 501–575.
  11. ^ Skotheim, T., Elsenbaumer, R., Reynolds, J., Eds .; Справочник по проводящим полимерам, 2-е изд .; Марсель Деккер, Inc.: Нью-Йорк, Нью-Йорк, США, 1998 г.

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Хит, младший (2009). «Молекулярная электроника». Ежегодный обзор исследований материалов . 39 : 1–23. Bibcode : 2009AnRMS..39 .... 1H . DOI : 10,1146 / annurev-matsci-082908-145401 .

Внешние ссылки [ править ]

  • СМИ, связанные с молекулярной электроникой, на Викискладе?