Electronică moleculară

Pentru studiul mecanicii cuantice privind distribuția electronilor într-o moleculă, a se vedea stereoelectronica .

Electronica moleculară, numită uneori molettronica , este ramura nanotehnologiei , care se ocupă cu studiul și aplicarea blocurilor moleculare pentru fabricarea componentelor electronice, atât pasive cât și active.

O cercetare interdisciplinară se extinde la fizică, chimie și știința materialelor. Caracteristica unificatoare a acestei industrii este utilizarea blocurilor moleculare pentru fabricarea componentelor electronice, atât pasive (de ex. Fire rezistive), cât și active (de exemplu, tranzistoarele). Conceptul de electronică moleculară a stârnit un mare entuziasm atât în ​​science fiction, cât și în rândul oamenilor de știință datorită perspectivei în electronică de a putea reduce dimensiunea prin controlul proprietăților la nivel molecular. Electronica moleculară oferă mijloacele de extindere a legii lui Moore dincolo de limitele prevăzute ale circuitelor integrate convenționale de siliciu la scară mică.

Datorită utilizării pe scară largă a termenului, electronica moleculară poate fi împărțită în două sub-discipline conexe, dar distincte: materialele moleculare pentru electronică utilizează proprietățile moleculelor pentru a afecta proprietățile masive ale unui material, în timp ce electronica la scară moleculară se concentrează pe aplicații cu moleculă unică. ^{[1] [2]}

Geneza conceptului și a teoriei

Studiul transferului de sarcină în molecule a fost avansat în anii 1940 de Robert Mulliken și Albert Szent-Gyorgi în discuția așa-numitelor sisteme „donator-acceptor”, dezvoltând astfel studiul transferului de sarcină și al transferului de energie în molecule. În mod similar, un articol din 1974 al lui Mark Ratner și Ari Aviram ¹ ilustrează un redresor molecular teoretic. Mai târziu, în 1988, Aviram a detaliat un tranzistor cu efect de câmp teoretic cu o singură moleculă. Alte concepte au fost propuse de Forrest Carter de la Naval Research Laboratory , inclusiv porți logice cu o singură moleculă.

Toate acestea erau construcții teoretice și nu dispozitive reale. Măsurarea directă a caracteristicilor electronice ale moleculelor individuale va trebui să aștepte dezvoltarea metodelor specifice pentru realizarea conexiunilor electrice la scară moleculară. Aceasta nu a fost o sarcină ușoară. Astfel, primul experiment de măsurare a conductanței unei singure molecule a fost raportat abia în 1997 de Mark Reed și colaboratori. De atunci, această ramură a industriei a progresat rapid. În mod similar, pe măsură ce a devenit posibilă măsurarea directă a acestor proprietăți, predicțiile teoretice ale lucrătorilor timpurii au fost confirmate în mod substanțial.

Comutator de control al tensiunii, un dispozitiv electronic molecular din 1974. Din colecția Smithsonian Chip ^[3]

Cu toate acestea, în timp ce majoritatea operează în domeniul cuantic de mai puțin de 100 nanometri, procesele electronice „moleculare” se manifestă adesea în mod colectiv la o scară macro. Exemplele includ cuanta tunelare , rezistenta negativa , asistata hopping (hopping) fononului , a polaroni și așa mai departe. Astfel, dispozitivele electronice organice active la scară macro au fost descrise cu decenii mai devreme decât cele la scară moleculară. De exemplu, în 1974, John McGinness și colaboratorii săi au descris putativul „prima demonstrație experimentală a unui dispozitiv electronic funcțional molecular”. ^[4] Acesta a fost un comutator care a controlat tensiunea electrică. Ca element activ, dispozitivul a folosit DOPA- melanină , un polimer mixt oxidat de poliacetilenă , polipirol și polianilină . Starea „ON” a acestui comutator a arătat o conductivitate aproape metalică.

Din anii 1970 , oamenii de știință au dezvoltat o panoplie de noi materiale și dispozitive. Aceste descoperiri au deschis ușa electronicii și optoelectronicii din plastic, care încep să găsească aplicații comerciale.

Transferuri complexe de taxe

Primii compuși organici extrem de conductivi au fost complexele de transfer de sarcină . În 1954, cercetătorii de la Bell Labs și din alte părți au raportat complexe cu rezistivitate de până la 8 ohm-cm. ^{[5] [6]} La începutul anilor 1990 , s-a arătat că sărurile tetratiafulvalene (TTF) prezintă conductivitate aproape metalică, în timp ce superconductivitatea a fost demonstrată în 1980. Cercetări aprofundate privind sărurile care permit transferul de încărcare continuă și astăzi.

Polimeri conductori

Coloana vertebrală liniară „polimeri negri” ( poliacetilenă , polipirol și polianilină) și copolimerii lor sunt clasa principală de polimeri conductori. Din punct de vedere istoric, acestea sunt cunoscute sub numele de melanine . În 1963, australienii DE Weiss și colaboratorii au raportat negri de polipirol oxidat dopați cu iod cu rezistivitate scăzută la nivelul de 1 ohm / cm. Documentele ulterioare au raportat rezistențe de până la 0,03 Ohm / cm. ^{[7] [8]} Cu excepția notabilă a complexelor de transfer de sarcină (dintre care unele sunt și supraconductori ), moleculele organice au fost considerate anterior izolatori sau cel mult semiconductori cu conducere slabă .

Peste un deceniu mai târziu, în 1977, Shirakawa, Heeger și MacDiarmid au raportat un echivalent de conductivitate destul de ridicat similar cu poliacetilena oxidată și dopată cu iod. Ulterior au primit în 2000 Premiul Nobel pentru chimie „pentru descoperirea și dezvoltarea polimerilor conductivi”. ^[9] Citatul Nobel nu a făcut nicio referire la lucrările anterioare similare ale lui Weiss și colab. (vezi Controversele asupra Premiului Nobel ).

C ₆₀ și nanotuburi de carbon

De la grafit la C ₆₀

În polimeri , moleculele organice clasice sunt compuse din carbon și hidrogen (și uneori compuși suplimentari precum azotul, clorul și sulful). Sunt obținute din benzină și pot fi adesea sintetizate în cantități mari. Majoritatea acestor molecule sunt izolatoare atunci când depășesc lungimea câtorva nanometri. Cu toate acestea, carbonul este natural conducător, în special grafit (recuperat din cărbune sau găsit în stare naturală). Din punct de vedere teoretic, grafitul este un semimetal , o categorie între metale și semiconductori, având o structură stratificată cu grosimea unui atom. Între fiecare foaie , interacțiunile sunt suficient de slabe pentru a permite împărțirea manuală ușoară.

Adaptarea foii de grafit pentru a obține obiecte de dimensiuni nano bine definite rămâne o provocare. Cu toate acestea, de la sfârșitul secolului al XX-lea, chimiștii au explorat metode de fabricare a obiectelor de grafit extrem de mici, care ar putea fi considerate molecule unice. După studierea condițiilor interstelare în care se știe că carbonul formează clustere (clustere), echipa lui Richard Smalley (Universitatea Rice, Texas) a efectuat un experiment în care grafitul a fost vaporizat prin iradiere cu laser. Spectrometria de masă a dezvăluit că grupurile care conțin „numere magice” specifice de atomi erau stabile, în special cele de 60 de atomi. Harry Kroto , un chimist englez care a asistat la experiment, a sugerat o posibilă geometrie pentru aceste grupuri - atomi legați covalent cu simetria exactă a unei mingi de fotbal. Denumiți buckminsterfullerenes , C ₆₀ , grupurile au păstrat unele proprietăți ale grafitului, cum ar fi conductivitatea. Aceste obiecte au fost imaginat mai repede pentru a construi blocuri de electronice moleculare.

Nanotuburi de carbon

Același subiect în detaliu: Nanotuburi de carbon și Fullerene .

Teoria electronicii moleculare

Teoria dispozitivelor cu o singură moleculă este deosebit de interesantă, deoarece sistemul în cauză este un sistem cuantic deschis, fără echilibru ( controlat de tensiune). În regimul de tensiune de polarizare scăzută, natura neechilibru a joncțiunii moleculare poate fi ignorată, iar caracteristicile de tensiune curente ale dispozitivului pot fi calculate utilizând structura electronică de echilibru a sistemului. Cu toate acestea, în regimurile mai polarizate este necesar un tratament mai sofisticat, deoarece nu mai există un principiu variațional . În cazul tunelării elastice (unde electronul care trece nu schimbă energia cu sistemul), formalismul Rolf Landauer poate fi folosit pentru a calcula transmisia prin sistem în funcție de tensiunea de polarizare și, prin urmare, de curent. În tunelurile inelastice, Ned Wingreen și Yigal Meir au realizat un formalism elegant bazat pe funcțiile de neechilibru ale lui Green ale lui Leo Kadanoff și Gordon Baym și, independent de Leonid Keldysh . Această formulare Meir-Wingreen a fost folosită cu mare succes în comunitatea electronică moleculară pentru a examina cele mai dificile și interesante cazuri în care electronul tranzitor face schimb de energie cu sistemul molecular (de exemplu prin cuplare electron-fonon sau excitații electronice).

Progrese recente

Progresele recente în nanotehnologie și nanoștiințe au facilitat studiile experimentale și teoretice privind electronica moleculară. În special, dezvoltarea microscopului cu efect tunel (STM) și mai târziu microscopul cu forță atomică (AFM) a facilitat manipularea produselor electronice cu o singură moleculă.

Prima măsurare a conductanței unei singure molecule a fost efectuată în 1994 de Joachim C. și JK Gimzewski și publicată în 1995 (a se vedea documentul corespunzător Phys. Rev. Lett.) Aceasta a fost concluzia celor 10 ani de cercetare începute la IBM TJ Watson, folosind vârful vârfului microscopului de tunelare pentru a naveta o singură moleculă, așa cum au explorat deja A. Aviram, Joachim C. și M. Pomerantz la sfârșitul anilor 1980 (vezi articolul lor Chem. Phys. Lett. În această perioadă) . Trucul a fost de a folosi un microscop de tunelare UHV pentru a permite vârfului vârfului să atingă ușor vârful unei singure molecule C60 adsorbite pe o suprafață Au (110). A fost înregistrată o rezistență de 55 MOhms împreună cu o tensiune liniară scăzută IV. Contactul a fost certificat prin înregistrarea caracteristicii curente a distanței Iz, care permite măsurarea în contact a deformării cuștii C ₆₀ . Acest prim experiment a fost urmat de un rezultat raportat de Mark Reed și James Tour folosind o abordare mecanică de joncțiune de rupere pentru a conecta doi electrozi de aur la un fir molecular de sulf.

Un amplificator cu o singură moleculă a fost realizat de C. Joachim și JK Gimzewski la IBM din Zurich. Acest experiment care implică o singură moleculă de C _{60 a} demonstrat că este capabil să furnizeze câștig într-un circuit pur și simplu jucând prin efectele de interferență cuantică intramoleculare ale C ₆₀ .

O colaborare a cercetătorilor de la HP și UCLA , condusă de James Heath, Fraser Stoddart, R. Stanley Williams și Philip Kuekes, a dezvoltat electronice moleculare bazate pe rotaxani și lanțuri .

De asemenea, s-a lucrat la nanotuburile de carbon cu perete unic utilizate ca tranzistoare cu efect de câmp. Cea mai mare parte a acestei lucrări a fost realizată de IBM .

Modelul Aviram-Ratner pentru un redresor molecular, care până de curând era în întregime teoretic, a fost confirmat experimental și fără echivoc într-o serie de experimente efectuate de un grup condus de Geoffrey J. Ashwell la Universitatea Bangor din Marea Britanie. ^{[10] [11] [12]} Multe molecule de rectificare au fost identificate până acum și numărul și eficiența acestor sisteme se extinde rapid.

Electronica supramoleculară este un domeniu nou care se adresează electronicii la nivel supramolecular .

O problemă importantă în domeniul electronicii moleculare este determinarea rezistenței unei singure molecule (atât teoretice, cât și experimentale). De exemplu, Bumm și colab. Foloseam microscopul STM pentru a analiza un singur întrerupător molecular într-un monostrat auto-asamblat pentru a determina modul în care o moleculă poate fi conductivă. ^[13] O altă problemă cu care se confruntă acest domeniu este dificultatea realizării caracterizării directe, deoarece imaginea la scară moleculară este adesea dificil de obținut în multe dispozitive experimentale.

Notă

Elemente conexe

• computer ADN
• Polimeri conductivi
• Lista software-ului pentru proiectare în mecanică moleculară
• Conductanța moleculară
• Fire moleculare
• Semiconductori organici
• Calculul peptidelor
• Electronică cu o singură moleculă
• Magnet cu o singură moleculă
• Stereoelectronică

linkuri externe

• (EN) Molecular Electronics , of Encyclopedia Britannica , Encyclopædia Britannica, Inc.

Lecturi suplimentare

Pentru istoria industriei, consultați următoarele referințe:

• ( EN ) Kwok, K.; Ellenbogen, JC „Moletronics: future electronic” Materials Today 2002, volumul 5, paginile 28–37.
• ( EN ) Cassoux, P. „Metale moleculare: rămânerea neutră pentru o schimbare” Science Science 2001 volumul 291, paginile 263-264. [DOI: 10.1126 / science.291.5502.263.
• ( RO ) „O privire de ansamblu asupra primului jumătate de secol al electronicii moleculare” de Noel S. Hush, Ann. NY Acad. Sci. 1006: 1-20 (2003) și
• ( EN ) Bendikov, M; Wudl, F; Perepichka, DF „Tetrathiafulvalenes, Oligoacenenes, and Their Buckminsterfullerene Derivatives: The Brickminsterfullerene Derivatives: The Brickminsterfullerene Derivatives: The Brickminsterfullerene Derivatives: The Brickminter and Mortar of Organic Electronics” Chemical Reviews 2004, volumul 104, 4891-4945.
• (EN) organicsemiconductors.com, http://www.organicsemiconductors.com titlu lipsă pentru adresa url ( ajutor ). Adus pe organicsemiconductors.com .
• ( EN ) Hyungsub Choi și Cyrus CM Mody The Long History of Molecular Electronics Social Studies of Science, vol 39.
• ( RO ) ABACUS : Introducere în dispozitivele semiconductoare - de Gerhard Klimeck și Dragica Vasileska, resursă de învățare online cu instrumente de simulare pe nanoHUB

Surse

1. ( EN ) Aviram, A. & Ratner, MA Molecular Rectifiers. Chem. Fizic. Lett. 29, 277 (1974).
2. ( EN ) BA Bolto, R McNeill și DE Weiss, Conducere electronică în polimeri. III. Proprietățile electronice ale polipirolului, Australian Journal of Chemistry 16 (6) 1090 - 1103 (1963) [1]
3. ( EN ) John McGinness , Corry, P, Proctor, PH Amorphous Semiconductor Switching in Melanins, Science, vol 183 , 853-855 (1974) [2]
4. ( EN ) SJ Tans, MH Devoret, H. Dai, A. Thess, RE Smalley, LJ Geerligs și C. Dekker, Nature, vol 386, 474 (1997).
5. ( EN ) HW Kroto, JR Heath, SC O'Brien, RF Curl & RE Smalley, Nature, vol. 318, 162 (1985)
6. ( EN ) HW Kroto, Nature, vol. 329, 529 (1987)
7. ( EN ) T. Oberlin, M. Endo și T. Koyama, Journ. of Crystal Growth, 32, 335 (1976).
8. ( EN ) [ http://www.rsc.org/CFmuscat/intermediate_abstract.cfm?FURL=/ej/JM/2002/b110591b/b110591b.PDF&TYP=003 ^{[ link rupt ]} Geoffrey J. Ashwell și Daniel S. Gandolfo, J. Mater. Chem. 12]
9. ( EN ) MA Reed, C. Zhou, CJ Muller, TP Burgin și JM Tour, „Conductance of a molecular junction”, Science 278, 252 (1997).