Молекулярная электроника
 | Методы визуализации этой информации, связанные с молекулярной электроникой, отсутствуют. отсутствует информация о диаграмме. ( ноябрь 2022 г. ) |
Молекулярная электроника — это исследование и применение молекулярных строительных блоков для изготовления электронных компонентов. Это междисциплинарная область, охватывающая физику , химию и материаловедение . Объединяющей особенностью является использование молекулярных строительных блоков для изготовления электронных компонентов. Из-за перспективы уменьшения размеров электроники, открывающейся за счет управления свойствами на молекулярном уровне, молекулярная электроника вызвала большой ажиотаж. Он предоставляет потенциальные средства для расширения закона Мура за пределы предвиденных пределов обычных кремниевых интегральных схем небольшого размера . [1]
Электроника молекулярного масштаба
[ редактировать ]| Часть серии статей о |
| Наноэлектроника |
|---|
| Одномолекулярная электроника |
| Твердотельная наноэлектроника |
| Связанные подходы |
| Порталы |
 Портал электроники |
молекулярного масштаба Электроника , также называемая одномолекулярной электроникой, представляет собой отрасль нанотехнологии используются отдельные молекулы или наноразмерные коллекции одиночных молекул , в которой в качестве электронных компонентов . Поскольку отдельные молекулы представляют собой наименьшие возможные стабильные структуры, эта миниатюризация является конечной целью сокращения электрических цепей .
Обычные электронные устройства традиционно изготавливаются из сыпучих материалов. Массовые методы имеют свои ограничения и становятся все более требовательными и дорогостоящими. Таким образом, родилась идея, что компоненты можно было бы создавать атом за атомом в химической лаборатории (снизу вверх), а не вырезать их из объемного материала (сверху вниз). В одномолекулярной электронике основной материал заменяется одиночными молекулами. То есть вместо создания структур путем удаления или нанесения материала по образцу каркаса атомы собираются вместе в химической лаборатории. Используемые молекулы имеют свойства, напоминающие традиционные электронные компоненты, такие как провод , транзистор или выпрямитель . 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 является развивающейся областью, и целые электронные схемы, состоящие исключительно из соединений молекулярного размера, все еще очень далеки от реализации. Однако постоянная потребность в большей вычислительной мощности, а также ограничения, присущие современным методам литографии, 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 объемным материалом электродов.
Молекулярная электроника работает на расстояниях менее 100 нанометров. Миниатюризация до отдельных молекул сводит масштаб к режиму, в котором квантовой механики важны эффекты . В отличие от обычных электронных компонентов, где электроны могут заполняться или вытягиваться более или менее подобно непрерывному потоку электрического заряда , перенос одного электрона существенно меняет систему. Значительное количество энергии, возникающей при зарядке, необходимо учитывать при расчетах электронных свойств установки, и оно очень чувствительно к расстояниям до близлежащих проводящих поверхностей.
Одной из самых больших проблем при измерении отдельных молекул является установление воспроизводимого электрического контакта только с одной молекулой без замыкания электродов. Поскольку нынешняя фотолитографическая технология не может создавать достаточно малые межэлектродные зазоры, 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 он не сломается. Одним из способов решения проблемы размера зазора является захват молекулярно-функционализированных наночастиц (расстояние между наночастицами соответствует размеру молекул), а затем целевая молекула с помощью реакции обмена местами. [3] Другой метод — использовать кончик сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) для контакта с молекулами, прилипшими на другом конце к металлической подложке. [4] Другой популярный способ прикрепить молекулы к электродам – использовать серы высокое химическое сродство к золоту ; хотя это и полезно, закрепление неспецифично и, таким образом, прикрепляет молекулы случайным образом ко всем поверхностям золота, а контактное сопротивление сильно зависит от точной геометрии атомов вокруг места закрепления и, таким образом, по своей сути ставит под угрозу воспроизводимость соединения. Чтобы обойти последнюю проблему, эксперименты показали, что фуллерены могут быть хорошим кандидатом для использования вместо серы из-за большой сопряженной π-системы, которая может электрически контактировать с гораздо большим количеством атомов одновременно, чем один атом серы. [5] Переход от металлических электродов к полупроводниковым электродам позволяет добиться более индивидуальных свойств и, следовательно, более интересных применений. Существуют некоторые концепции контакта с органическими молекулами с использованием только полупроводниковых электродов, например, с использованием из арсенида индия нанопроволок со встроенным сегментом материала с более широкой запрещенной зоной фосфида индия, используемого в качестве электронного барьера, который должны преодолевать молекулы. [6]
Одним из самых больших препятствий для коммерческого использования одномолекулярной электроники является отсутствие средств для подключения схемы молекулярного размера к объемным электродам таким образом, чтобы обеспечить воспроизводимые результаты. Проблема также в том, что некоторые измерения одиночных молекул проводятся при криогенных температурах , близких к абсолютному нулю, что требует очень много энергии.
История
[ редактировать ]Впервые в истории молекулярная электроника упоминается в 1956 году немецким физиком Артуром фон Хиппелем. [7] который предложил процедуру разработки электроники снизу вверх из атомов и молекул, а не использование готовых материалов, идею, которую он назвал молекулярной инженерией. Однако первым прорывом в этой области многие считают статью Авирама и Ратнера в 1974 году. [8] В этой статье под названием «Молекулярные выпрямители» они представили теоретический расчет транспорта через модифицированную молекулу-переносчик заряда с донорно-акцепторными группами, которая позволяла бы транспортировать только в одном направлении, по сути, как полупроводниковый диод. Это был прорыв, вдохновивший на многие годы исследований в области молекулярной электроники.
Молекулярные материалы для электроники
[ редактировать ]
Самым большим преимуществом проводящих полимеров является их технологичность, главным образом путем дисперсии . Проводящие полимеры не являются пластиками , т. е. они не поддаются термоформованию, однако они являются органическими полимерами, такими как (изоляционные) полимеры. Они могут обладать высокой электропроводностью, но имеют другие механические свойства, чем другие коммерчески используемые полимеры. Электрические свойства можно точно регулировать методами органического синтеза. [9] и развитой дисперсии. [10]
Полимеры с линейной основной цепью, такие как полиацетилен , полипиррол и полианилин, являются основными классами проводящих полимеров. Поли(3-алкилтиофены) являются архетипическими материалами для солнечных элементов и транзисторов. [9]
Проводящие полимеры имеют основные цепи смежных sp. 2 гибридизированные углеродные центры. Один валентный электрон в 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 р-орбитали образуют одномерную электронную зону , и электроны внутри этой зоны становятся подвижными, когда она частично опустошается. Несмотря на интенсивные исследования, взаимосвязь между морфологией, структурой цепи и проводимостью еще плохо изучена. [11]
Из-за плохой технологичности проводящие полимеры имеют мало крупномасштабных применений. У них есть некоторые перспективы в области антистатических материалов. [9] и 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 набирают популярность в новых сферах применения, поскольку их становится все более легко перерабатываемыми материалами с лучшими электрическими и физическими свойствами и более низкой стоимостью. Благодаря доступности стабильных и воспроизводимых дисперсий поли(3,4-этилендиокситиофен) (ПЭДОТ) и полианилин получили широкомасштабное применение. В то время как PEDOT в основном используется в антистатических целях 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, для окончательной отделки, для защиты меди от коррозии и предотвращения ее паяемости. [10] Новые наноструктурированные формы проводящих полимеров дают новый импульс этой области благодаря более высокой площади поверхности и лучшей диспергируемости.
Недавно в эту область была введена супрамолекулярная химия, которая открывает новые возможности для разработки молекулярной электроники следующего поколения. [12] [13] Например, увеличение силы тока на два порядка было достигнуто введением катионных молекул в полость пиллар[5]арена. [14]
См. также
[ редактировать ]- Сравнение программного обеспечения для моделирования молекулярной механики
- Молекулярная проводимость
- Молекулярные провода
- Органический полупроводник
- Одномолекулярный магнит
- Спиновый переход
- Мономолекулярный выпрямитель
- Наноэлектроника
- Электроника молекулярного масштаба
- Марк Ратнер
- Марк Рид (физик)
- Джеймс Тур
- Супрамолекулярная химия
- Супрамолекулярная электроника
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Петти, MC; Брайс, М.Р. и Блур, Д. (1995). Введение в молекулярную электронику . Нью-Йорк: Издательство Оксфордского университета. стр. 1–25. ISBN 0-19-521156-1 .
- ^ Авирам, Арье; Ратнер, Марк А. (15 ноября 1974 г.). «Молекулярные выпрямители». Письма по химической физике . 29 (2): 277–283. Бибкод : 1974CPL....29..277A . дои : 10.1016/0009-2614(74)85031-1 .
- ^ Джафри, SHM; Блом, Т; Лейфер, К; Стрёмме, М; Лофос, Х; Григорьев А; Ахуджа, Р; Уэлч, К. (29 октября 2010 г.). «Оценка мостовой платформы наночастиц для измерений молекулярной электроники». Нанотехнологии . 21 (43): 435204. Бибкод : 2010Nanot..21Q5204J . дои : 10.1088/0957-4484/21/43/435204 . ПМИД 20890018 . S2CID 29398313 .
- ^ Гимжевски, Дж. К.; Иоахим, К. (1999). «Наномасштабная наука об одиночных молекулах с использованием локальных зондов». Наука . 283 (5408): 1683–1688. Бибкод : 1999Sci...283.1683G . дои : 10.1126/science.283.5408.1683 . ПМИД 10073926 .
- ↑ Соренсен, JK. Архивировано 29 марта 2016 г. в Wayback Machine . (2006). «Синтез новых компонентов, функционализированных (60)фуллереном, для молекулярной электроники». 4-е ежегодное собрание – CONT 2006, Копенгагенский университет.
- ^ Шукфе, Мухаммед Ихаб; Шторм, Кристиан; Махмуд, Ахмад; Сёндергаард, Роар Р.; Швайца, Анна; Хансен, Аллан; Хинце, Питер; Вейманн, Томас; Фальвик Свенссон, София; Бора, Ачют; Дик, Кимберли А.; Теландер, Клаас; Кребс, Фредерик К.; Лугли, Паоло; Самуэльсон, Ларс; Торноу, Марк (2013). «Повышение проводимости гетероструктурных нанопроволок InAs/InP путем функционализации поверхности олиго(фениленвиниленами)». АСУ Нано . 7 (5): 4111–4118. дои : 10.1021/nn400380g . ПМИД 23631558 .
- ^ Фон Хиппель, Артур Р.; Ландсхофф, Рольф (октябрь 1959 г.). «Молекулярная наука и молекулярная инженерия». Физика сегодня . 12 (10): 48. Бибкод : 1959ФТ....12ж..48В . дои : 10.1063/1.3060522 .
- ^ Авирам, Арье; Ратнер, Марк А. (ноябрь 1974 г.). «Молекулярные выпрямители». Письма по химической физике . 29 (2): 277–283. Бибкод : 1974CPL....29..277A . дои : 10.1016/0009-2614(74)85031-1 .
- ^ Jump up to: а б с Наарманн, Герберт (2000). «Полимеры электропроводящие». Энциклопедия промышленной химии Ульмана . дои : 10.1002/14356007.a21_429 . ISBN 978-3-527-30673-2 .
- ^ Jump up to: а б Весслинг, Б. (2000). «Проводящие полимеры как органические нанометаллы». Справочник по наноструктурным материалам и нанотехнологиям . Том. 5. С. 501–575. дои : 10.1016/B978-012513760-7/50062-9 . ISBN 978-0-12-513760-7 .
- ^ Скотхайм Т., Эльзенбаумер Р., Рейнольдс Дж., Ред.; Справочник по проводящим полимерам, 2-е изд.; Marcel Dekker, Inc.: Нью-Йорк, штат Нью-Йорк, США, 1998 г. [ нужна страница ]
- ^ Чен, Хунлян; Фрейзер Стоддарт, Дж. (сентябрь 2021 г.). «От молекулярной к супрамолекулярной электронике». Материалы обзоров природы . 6 (9): 804–828. Бибкод : 2021NatRM...6..804C . дои : 10.1038/s41578-021-00302-2 . S2CID 232766622 .
- ^ Яо, Ифань; Чжан, Лей; Оргиу, Эмануэле; Самори, Паоло (июнь 2019 г.). «Нетрадиционное нанопроизводство для супрамолекулярной электроники» (PDF) . Продвинутые материалы . 31 (23): 1900599. Бибкод : 2019AdM....3100599Y . дои : 10.1002/adma.201900599 . ПМИД 30941813 . S2CID 205290060 .
- ^ Ли, Сяобин; Чжоу, Сиюань; Чжао, Ци; Чен, Йи; Ци, Пан; Чжан, Юнкан; Ван, Лу; Го, Кунлан; Чен, Шигуй (21 февраля 2023 г.). «Супрамолекулярное усиление транспорта заряда через самоорганизующиеся монослои на основе пиллар[5]арена». Angewandte Chemie, международное издание . 62 (19): e202216987. дои : 10.1002/anie.202216987 . ПМИД 36728903 . S2CID 256502098 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Хит, Джеймс Р. (1 августа 2009 г.). «Молекулярная электроника» . Ежегодный обзор исследований материалов . 39 (1): 1–23. Бибкод : 2009AnRMS..39....1H . doi : 10.1146/annurev-matsci-082908-145401 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]
СМИ, связанные с молекулярной электроникой, на Викискладе?
