Молекулярная электроника — это изучение и применение молекулярных строительных блоков для изготовления электронных компонентов. Это междисциплинарная область, которая охватывает физику , химию и материаловедение . Объединяющей чертой является использование молекулярных строительных блоков для изготовления электронных компонентов. Из-за перспективы уменьшения размера в электронике, предлагаемой контролем свойств на молекулярном уровне, молекулярная электроника вызвала большой ажиотаж. Она предоставляет потенциальные средства для расширения закона Мура за пределы предполагаемых пределов обычных кремниевых интегральных схем малого масштаба . [1]
Молекулярная электроника , также называемая одномолекулярной электроникой, является отраслью нанотехнологий , которая использует отдельные молекулы или наномасштабные коллекции отдельных молекул в качестве электронных компонентов . Поскольку отдельные молекулы представляют собой наименьшие возможные стабильные структуры, эта миниатюризация является конечной целью для уменьшения размеров электрических цепей .
Традиционные электронные устройства традиционно изготавливаются из объемных материалов. Объемные методы имеют неотъемлемые ограничения и становятся все более требовательными и дорогостоящими. Таким образом, родилась идея, что компоненты вместо этого могут быть построены атом за атомом в химической лаборатории (снизу вверх), а не вырезаны из объемного материала (сверху вниз). В одномолекулярной электронике объемный материал заменяется отдельными молекулами. То есть, вместо создания структур путем удаления или нанесения материала после шаблона, атомы собираются вместе в химической лаборатории. Используемые молекулы имеют свойства, которые напоминают 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, которые изолированы друг от друга. [2]
Электроника с одним молекулярным компонентом является развивающейся областью, 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 присущими ограничениями современных литографических методов, 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 на расстояниях менее 100 нанометров. Миниатюризация до отдельных молекул снижает масштаб до режима, в котором важны эффекты квантовой механики . В отличие от случая с обычными электронными компонентами, где электроны могут быть заполнены или вытянуты более или менее как непрерывный поток электрического заряда , передача одного электрона значительно изменяет систему. Значительное количество энергии из-за зарядки должно быть принято во внимание при расчетах электронных свойств установки и очень чувствительно к расстоянию до проводящих поверхностей поблизости.
Одной из самых больших проблем с измерением отдельных молекул является установление воспроизводимого электрического контакта только с одной молекулой и выполнение этого без замыкания электродов. Поскольку современная фотолитографическая технология не способна производить зазоры между электродами, достаточно малые для контакта 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 преодоления проблемы размера зазора является захват молекулярных функционализированных наночастиц (расстояние между наночастицами соответствует размеру молекул), а затем нацеливание молекулы путем реакции обмена местами. [3]
Другой метод заключается в использовании кончика сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) для контакта с молекулами, прикрепленными на другом конце к металлической подложке. [4] Другой популярный способ прикрепить молекулы к электродам заключается в использовании высокого химического сродства серы к золоту ; хотя это полезно, прикрепление неспецифично и, таким образом, прикрепляет молекулы случайным образом ко всем золотым поверхностям, а контактное сопротивление сильно зависит от точной атомной геометрии вокруг места присоединения и, таким образом, по сути, ставит под угрозу воспроизводимость соединения. Чтобы обойти последнюю проблему, эксперименты показали, что фуллерены могут быть хорошими кандидатами для использования вместо серы из-за большой сопряженной π-системы, которая может электрически контактировать со многими другими атомами одновременно, чем один атом серы. [5]
Переход от металлических электродов к полупроводниковым электродам позволяет получить более индивидуальные свойства и, таким образом, более интересные приложения. Существуют некоторые концепции для контакта с органическими молекулами с использованием только полупроводниковых электродов, например, с использованием нанопроводов арсенида индия со встроенным сегментом материала с более широкой запрещенной зоной фосфида индия, используемого в качестве электронного барьера для соединения с молекулами. [6]
Одним из самых больших препятствий для коммерческой эксплуатации одномолекулярной электроники является отсутствие средств для соединения молекулярной схемы с объемными электродами таким образом, чтобы получить воспроизводимые результаты. Также проблематично то, что некоторые измерения на отдельных молекулах проводятся при криогенных температурах , близких к абсолютному нулю, что требует больших энергозатрат.
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 с использованием готовых материалов, идею, которую он назвал молекулярной инженерией. Однако первым прорывом в этой области многие считают статью Авирама и Ратнера 1974 года. [8] В этой статье под названием «Молекулярные выпрямители» они представили теоретический расчет транспорта через модифицированную молекулу с переносом заряда с донорно-акцепторными группами, которая допускает транспорт только в одном направлении, по сути, как полупроводниковый диод. Это был прорыв, который вдохновил на многие годы исследований в области молекулярной электроники.
Наибольшим преимуществом проводящих полимеров является их обрабатываемость, в основном путем дисперсии . Проводящие полимеры не являются пластиками , т. е. они не термоформуются, но они являются органическими полимерами, как и (изолирующие) полимеры. Они могут обеспечивать высокую электропроводность, но имеют другие механические свойства, чем другие коммерчески используемые полимеры. Электрические свойства могут быть точно настроены с использованием методов органического синтеза [9] и передовой дисперсии. [10]
Полимеры с линейной основой, такие как полиацетилен , полипиррол и полианилин, являются основными классами проводящих полимеров. Поли(3-алкилтиофены) являются архетипичными материалами для солнечных элементов и транзисторов. [9]
Проводящие полимеры имеют остовы 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 зону , и электроны внутри этой зоны становятся подвижными, когда она частично опустошается. Несмотря на интенсивные исследования, связь между морфологией, структурой цепи и проводимостью пока плохо изучена. [11]
Из-за плохой обрабатываемости проводящие полимеры имеют мало крупномасштабных применений. Они имеют некоторые перспективы в антистатических материалах [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 процесса плавления. Тем не менее, проводящие полимеры быстро набирают популярность в новых областях применения с все более обрабатываемыми материалами с лучшими электрическими и физическими свойствами и более низкой стоимостью. Благодаря доступности стабильных и воспроизводимых дисперсий, поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT) и полианилин получили некоторые крупномасштабные применения. 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 окончательной отделке, для защиты меди от коррозии и предотвращения ее паяемости. [10] Новые наноструктурированные формы проводящих полимеров дают новый импульс этой области благодаря своей более высокой площади поверхности и лучшей диспергируемости.
Недавно в эту область была введена супрамолекулярная химия, которая открывает новые возможности для разработки следующего поколения молекулярной электроники. [12] [13] Например, было достигнуто увеличение интенсивности тока на два порядка путем вставки катионных молекул в полость столбчатого[5]арена. [14]
Медиа, связанные с Молекулярная электроника на Wikimedia Commons
