Molekylär elektronik - Molecular electronics

Molekylär elektronik är studier och tillämpning av molekylära byggstenar för tillverkning av elektroniska komponenter. Det är ett tvärvetenskapligt område som spänner över fysik , kemi och materialvetenskap . Den förenande funktionen är användning av molekylära byggstenar för att tillverka elektroniska komponenter. På grund av utsikterna till storleksminskning av elektronik som erbjuds av molekylär nivåstyrning av egenskaper har molekylär elektronik genererat mycket spänning. Det ger ett potentiellt sätt att förlänga Moores lag utanför de förutsedda gränserna för småskaliga konventionella kiselintegrerade kretsar .

Elektronik i molekylskala

Elektronik i molekylär skala , även kallad enmolekylelektronik, är en gren av nanoteknologi som använder enskilda molekyler, eller nanoskalssamlingar av enskilda molekyler, som elektroniska komponenter . Eftersom enstaka molekyler utgör minsta möjliga stabila strukturer är denna miniatyrisering det ultimata målet för krympande elektriska kretsar .

Konventionella elektroniska apparater är traditionellt tillverkade av massmaterial. Bulkmetoder har inneboende gränser och växer alltmer krävande och kostsamma. Således föddes idén att komponenterna istället kunde byggas upp atom för atom i ett kemilaboratorium (uppifrån och upp) i motsats till att hugga ut dem i bulk (uppifrån och ner). I enmolekylelektronik ersätts bulkmaterialet med enmolekyler. Istället för att skapa strukturer genom att ta bort eller applicera material efter en mönsterställning sätts atomerna i ett kemilaboratorium. De använda molekylerna har egenskaper som liknar traditionella elektroniska komponenter som en tråd , transistor eller likriktare . Detta koncept att använda en molekyl som en traditionell elektronisk komponent presenterades först av Aviram och Ratner 1974, då de föreslog en teoretisk molekylärlikriktare bestående av givar- och acceptorplatser som är isolerade från varandra.

Enmolekylelektronik är ett framväxande fält, och hela elektroniska kretsar som exklusivt består av föreningar med molekylstorlek är fortfarande mycket långt ifrån att realiseras. Men den kontinuerliga efterfrågan på mer datorkraft tillsammans med de inneboende gränserna för dagens litografiska metoder gör att övergången verkar oundviklig. För närvarande fokuserar man på att upptäcka molekyler med intressanta egenskaper och att hitta sätt att få tillförlitliga och reproducerbara kontakter mellan molekylkomponenterna och elektrodernas bulkmaterial.

Molekylär elektronik arbetar inom kvantområdet av avstånd mindre än 100 nanometer. Miniatyrisering ner till enstaka molekyler tar ner skalan till ett system där kvantmekaniska effekter är viktiga. Till skillnad från fallet med konventionella elektroniska komponenter, där elektroner kan fyllas i eller dras ut mer eller mindre som ett kontinuerligt flöde av elektrisk laddning , förändrar överföringen av en enda elektron systemet väsentligt. Den betydande mängden energi som beror på laddning måste tas med i beräkningen om installationens elektroniska egenskaper och är mycket känslig för avstånd till ledande ytor i närheten.

Grafisk representation av en rotaxan , användbar som en molekylär omkopplare

Ett av de största problemen med att mäta på enstaka molekyler är att skapa reproducerbar elektrisk kontakt med endast en molekyl och göra det utan att genväga elektroderna. Eftersom den nuvarande fotolitografiska tekniken inte kan producera elektrodgap som är tillräckligt små för att komma i kontakt med båda ändarna av de testade molekylerna (i storleksordningen nanometer) används alternativa strategier. Dessa inkluderar mellanrum i molekylstorlek som kallas brytkorsningar, i vilka en tunn elektrod sträcks tills den går sönder. Ett av sättet att komma över problemet med gapstorleken är att fånga upp molekylära funktionaliserade nanopartiklar (mellanrummet mellan partiklarna är anpassat till storleken på molekyler) och senare målmolekyl genom platsutbytesreaktion. En annan metod är att använda spetsen på ett skanningstunnelmikroskop (STM) för att kontakta molekyler vidhäftade i andra änden till ett metallunderlag. Ett annat populärt sätt att förankra molekyler på elektroderna är att använda svavels höga kemiska affinitet till guld ; fastän det är användbart är förankringen ospecifik och förankrar således molekylerna slumpmässigt på alla guldytor, och kontaktmotståndet är starkt beroende av den exakta atomgeometrin runt förankringsplatsen och kompromitterar därmed i sig reproducerbarheten hos anslutningen. För att kringgå den senare frågan har experiment visat att fullerener kan vara en bra kandidat för användning istället för svavel på grund av det stora konjugerade π-systemet som kan komma i kontakt med många fler atomer samtidigt än en enda svavelatom. Övergången från metallelektroder till halvledarelektroder möjliggör mer skräddarsydda egenskaper och därmed för mer intressanta applikationer. Det finns vissa koncept för att bringa organiska molekyler med användning av halvledar-bara elektroder, till exempel genom användning av indiumarsenid nanotrådar med en inbäddad segment av den bredare bandgap indiumfosfid används som en elektronisk barriär som skall överbryggas av molekyler.

Ett av de största hindren för att enmolekylär elektronik kan utnyttjas kommersiellt är bristen på medel för att ansluta en molekylär storlek krets till bulkelektroder på ett sätt som ger reproducerbara resultat. Problematisk är också att vissa mätningar på enstaka molekyler görs vid kryogena temperaturer , nära absolut noll, vilket är mycket energiförbrukande.

Historia

Första gången i historien nämns molekylär elektronik 1956 av den tyska fysikern Arthur Von Hippel, som föreslog en botten-upp-procedur för att utveckla elektronik från atomer och molekyler snarare än att använda prefabricerade material, en idé som han kallade molekylär teknik. Men det första genombrottet i fältet betraktas av många av Ratner och Avirams artikel 1974. I denna artikel med namnet Molecular Rectifiers presenterade de en teoretisk beräkning av transport genom en modifierad laddningsöverföringsmolekyl med givaracceptorgrupper som endast tillåter transport i en riktning, i huvudsak som en halvledardiod. Detta var ett genombrott som inspirerade många års forskning inom molekylär elektronik.

Molekylära material för elektronik

Kemiska strukturer hos vissa ledande polymerer. Från vänster uppe medurs: polyacetylen ; polyfenylenvinylen ; polypyrrol (X = NH) och polytiofen (X = S); och polyanilin (X = NH / N) och polyfenylensulfid (X = S).

Den största fördelen med ledande polymerer är deras bearbetbarhet, främst genom dispersion . Ledande polymerer är inte plast , dvs de är inte termoformbara, men de är organiska polymerer, som (isolerande) polymerer. De kan erbjuda hög elektrisk ledningsförmåga men har andra mekaniska egenskaper än andra kommersiellt använda polymerer. De elektriska egenskaperna kan finjusteras med metoder för organisk syntes och avancerad dispersion.

Linjära ryggradspolymerer såsom polyacetylen , polypyrrol och polyanilin är huvudklasserna av ledande polymerer. Poly (3-alkyltiofen) är de arketypiska materialen för solceller och transistorer.

Ledande polymerer har ryggraden i angränsande sp ^2- hybridiserade kolcentra. En valenselektron på varje centrum är bosatt i ap _z orbital, som är ortogonal till de andra tre sigma-bindningar. Elektronerna i dessa avlokaliserade orbitaler har hög rörlighet när materialet dopas av oxidation, vilket tar bort några av dessa avlokaliserade elektroner. Således bildar de konjugerade p-orbitalerna ett endimensionellt elektroniskt band , och elektronerna inom detta band blir rörliga när det töms delvis. Trots intensiv forskning är förhållandet mellan morfologi, kedjestruktur och konduktivitet dåligt förstådd.

På grund av deras dåliga bearbetbarhet har ledande polymerer få storskaliga applikationer. De har ett visst löfte i antistatiska material och har byggts in i kommersiella skärmar och batterier, men har haft begränsningar på grund av produktionskostnader, inkonsekvenser, toxicitet, dålig löslighet i lösningsmedel och oförmåga att direkt smälta processen. Icke desto mindre får ledande polymerer snabbt attraktion i nya användningsområden med alltmer bearbetbara material med bättre elektriska och fysiska egenskaper och lägre kostnader. Med tillgängligheten av stabila och reproducerbara dispersioner har poly (3,4-etylendioxytiofen) (PEDOT) och polyanilin fått vissa storskaliga tillämpningar. Medan PEDOT huvudsakligen används i antistatiska applikationer och som ett transparent ledande skikt i form av PEDOT- och polystyrensulfonsyra (PSS, blandad form: PEDOT: PSS) -dispersioner används polyanilin i stor utsträckning för att göra tryckta kretskort, i den slutliga ytan, för att skydda koppar från korrosion och förhindra lödbarhet. Nyare nanostrukturerade former av ledande polymerer ger ny drivkraft till detta fält, med sin högre yta och bättre spridbarhet.

Se även

Referenser

Vidare läsning

• Heath, JR (2009). "Molekylär elektronik". Årlig granskning av materialforskning . 39 : 1–23. Bibcode : 2009AnRMS..39 .... 1H . doi : 10.1146 / annurev-matsci-082908-145401 .

externa länkar

• Media relaterade till molekylär elektronik på Wikimedia Commons