الکترونیک مقیاس مولکولی
الکترونیک در مقیاس مولکولی، که الکترونیک تک مولکولی نیز نامیده می شود، شاخه ای از فناوری نانو است که از مولکول های واحد یا مجموعه های نانومقیاس تک مولکول ها به عنوان اجزای الکترونیکی استفاده می کند. از آن جا که مولکول های کوچک کوچک ترین ساختارهای پایدار ممکن را تشکیل می دهند، این کوچک سازی هدف نهایی برای کوچک شدن مدارهای الکتریکی است.دستگاه های الکترونیکی معمولی به طور سنتی از مواد فله یا توده ای ساخته می شوند. روش های انبوه دارای محدودیت های ذاتی هستند و به طور فزاینده ای سخت و پرهزینه هستند. بنابراین، این ایده به وجود آمد که اجزاء را به جای تراش آنها از مواد فله (بالا به پایین) می توان اتم به اتم در آزمایشگاه شیمی ساخت (پایین به بالا). در الکترونیک تک مولکولی، مواد توده ای را با تک مولکول ها جایگزین می کنند. یعنی به جای ایجاد ساختارها با حذف یا اعمال مواد پس از یک داربست الگو، اتم ها در آزمایشگاه شیمی کنار هم قرار می گیرند. مولکول های مورد استفاده دارای ویژگی هایی هستند که شبیه اجزای الکترونیکی سنتی مانند سیم، ترانزیستور یا یکسو کننده اند. این مفهوم استفاده از یک مولکول به عنوان یک جزء الکترونیکی سنتی برای اولین بار توسط Aviram و Ratner در سال 1974 ارائه شد، هنگامی که آنها یک اصلاح کننده مولکولی نظری متشکل از مکان های اهدا کننده و پذیرنده را پیشنهاد کردند که از یکدیگر عایق شده باشند.
الکترونیک تک مولکولی یک حوزه در حال ظهور است، و تمام مدارهای الکترونیکی که منحصراً از ترکیبات اندازه مولکولی تشکیل شده باشند، هنوز بسیار دور از تحقق هستند. به هر حال، تقاضای مداوم برای قدرت محاسباتی بیشتر، همراه با محدودیت های ذاتی روش های لیتوگرافی امروزی، این انتقال را اجتناب ناپذیر به نظر می رساند. در حال حاضر، تمرکز بر کشف مولکول هایی با خواص جالب و یافتن راه هایی برای به دست آوردن تماس های قابل اعتماد و قابل تکرار بین اجزای مولکولی و مواد عمده الکترودها است.
الکترونیک مولکولی در قلمرو کوانتومی فواصل کمتر از 100 نانومتر عمل می کند. کوچک سازی تا تک مولکول ها مقیاس را به رژیمی می رساند که در آن اثرات مکانیک کوانتومی مهم هستند. برخلاف مورد قطعات الکترونیکی معمولی، که الکترون ها می توانند کم و بیش مانند یک جریان پیوسته بار الکتریکی پر یا خارج شوند، انتقال یک الکترون واحد سیستم را به طور قابل توجهی تغییر می دهد. مقدار قابل توجهی از انرژی ناشی از شارژ هنگام محاسبه خواص الکترونیکی تنظیمات باید در نظر گرفته شود و نسبت به فواصل رسانایی سطوح نزدیک، بسیار حساس است.
تصویر: نمایش گرافیکی یک روتاکسان، به عنوان یک سویچ مولکولی مفید است.
یکی از بزرگ ترین مشکلات اندازه گیری روی تک مولکول ها، برقراری تماس الکتریکی قابل تکرار با تنها یک مولکول و انجام این کار بدون اتصال کوتاه الکترودها است. از آن جا که فناوری فوتولیتوگرافی کنونی قادر به ایجاد شکاف الکترود به اندازه کافی کوچک برای تماس با دو سر مولکول های آزمایش شده (از مرتبه نانومتر) نیست، از استراتژی های جایگزین استفاده می شود. این موارد شامل شکاف هایی به اندازه مولکولی به نام اتصالات شکسته می باشد که در آن یک الکترود نازک تا زمان شکستن کشیده می شود. یکی از راه های حل مشکل اندازه، این است که نانو ذرات عملکردی مولکولی را به دام بیندازید (فاصله بین ذرات با اندازه مولکول ها مطابقت دارد) و بعداً با واکنش تبادل مکان، مولکول را هدف قرار دهید. روش دیگر استفاده از نوک میکروسکوپ تونلی روبشی (
الکترونیک مولکولی، که به مولترونیک نیز معروف است، به مونتاژ اجزای الکترونیکی مولکولی با مولکول ها به عنوان اجزای سازنده می پردازد.. این زمینه عمدتاً با کاهش اندازه اجزای سیلیکون سروکار دارد. کارهای جدیدی در زمینه توسعه اجزای مولکولی معادل الکترونیکی مانند ترانزیستورها، خازن ها، دیودها، سیم ها و غیره انجام شده است. مولترونیکس تأثیر خود را در کاربردهای الکترونیکی و فوتونی، به عنوان مثال، در مورد رسانایی پلیمرها، فوتوکروم ها، ابررساناهای آلی، الکتروکرومیک ها و بسیاری دیگر ثابت کرده است.یکی از بزرگ ترین موانع برای استفاده الکترونیکی تک مولکولی در موارد تجاری، فقدان وسایلی برای اتصال یک مدار اندازه مولکولی به الکترودهای حجیم به گونه ای است که نتایج قابل تکرار را ارائه دهند. همچنین مشکل ساز این است که برخی از اندازه گیری ها بر روی مولکول های منفرد در دمای انجماد، نزدیک به صفر مطلق، انجام می شود، که ایجاد آن بسیار انرژی بر است.
دو مثال از الکترونیک مولکولی
آلکان ها
آلکانتیول ها ساده ترین و گسترده ترین گونه های مولکولی هستند و به عنوان لایه های عایق عمل می کنند. آنها همچنین سیستم های نامزد عالی ای را برای مدل سازی و آزمایش برآوردهای نظری ما ارائه می دهند. متداول ترین عددی که افراد برای آلکان ها استخراج می کنند، پارامتر بتا است که ثابت فروپاشی نمایی الکترون ها را در تونل زنی از میان گاف نواری آنها توصیف می کند. از لحاظ عملیاتی، فرد مقاومت هر مولکول را برای یک سری از طول های فزاینده آلکان ها اندازه می گیرد و تناسب یا برازش نمایی، بتا را می دهد. اکثر نظریه ها برای بتا تقریباً 0.8/C را به دست می دهند، که با برآوردهای ساده پشتیبان مطابقت دارد. به طور قابل ملاحظه ای، حتی سطوح جاری نیز گردآوری شده است (به شکل زیر مراجعه کنید)، و به نظر می رسد الگوی روشنی را نشان می دهد که از نظریه های ساده نیز قابل توجیه است.
آروماتیک ها
مولکول های معطر مزدوج با همپوشانی رزونانس اوربیتال های pz موازی روی هر حلقه معطر، بار را هدایت می کنند. در حالی که این امر باعث ایجاد شور و شوق اولیه در مورد سیم های مولکولی شد، مشکل در هدایت ذاتی سیم ها نیست، بلکه دشواری انتقال بارها از سیم به کابل ها است. در حالی که ایجاد نظریه های "اولین اصول" سیم های مولکولی مد شده است (ما خودمان تعدادی از آنها را ساخته ایم)، در حال حاضر متوجه می شویم که آنها اغلب با نظریه های ساده، حداقل نیمه کمی، منطقی می شوند.تاریخچه
اولین بار در تاریخ، الکترونیک مولکولی در سال 1956 توسط فیزیکدان آلمانی آرتور فون هیپل ذکر شد، که روش توسعه الکترونیکی از اتم ها و مولکول ها را به جای استفاده از مواد پیش ساخته، از پایین به بالا پیشنهاد کرد، ایده ای که او نام آن را مهندسی مولکولی گذاشت. با این حال، بسیاری از مقاله های راتنر و آویرام در سال 1974 اولین پیشرفت در این زمینه را در نظر گرفته اند. در این مقاله با نام اصلاح کننده های مولکولی، آنها محاسبه نظری حمل و نقل را از طریق یک مولکول انتقال بار تغییر یافته با گروه های پذیرنده اهداکننده ارائه می دهند که اجازه می دهد فقط در یک جهت، اساساً مانند یک دیود نیمه هادی، حرکت کند. این پیشرفتی بود که الهام بخش سال ها تحقیقات در زمینه الکترونیک مولکولی بود.مواد مولکولی برای لوازم الکترونیکی
تصویر: ساختارهای شیمیایی برخی از پلیمرهای رسانا از بالا سمت چپ جهت عقربه های ساعت: پلی استیلن؛ پلی فنیل وینیلن؛ پلی پیرول (X = NH) و پلی تیوفن (X = S) ؛ و پلی آنیلین (X = NH/N) و پلی فنیلن سولفید (X = S).
بزرگ ترین مزیت پلیمرهای رسانا قابلیت پردازش آنها است که عمدتا توسط پراکندگی انجام می شود. پلیمرهای رسانا پلاستیک نیستند، یعنی قابل شکل دهی با حرارت نیستند، در حالی که پلیمرهایی آلی هستند، مانند پلیمرها(ی عایق). آنها می توانند رسانایی الکتریکی بالایی را ارائه دهند اما خواص مکانیکی متفاوتی نسبت به سایر پلیمرهای تجاری دارند. خواص الکتریکی را می توان با استفاده از روش های سنتز آلی و پراکندگی پیشرفته تنظیم کرد.
پلیمرهای مرکزی خطی مانند پلی استیلن، پلی پیرول و پلیانیلین، کلاس های اصلی پلیمرهای رسانا هستند. پلی (3-آلکیل تیوفن ها) مواد کهن الگو برای سلول های خورشیدی و ترانزیستورها هستند.
پلیمرهای رسانا دارای ستون فقرات مراکز کربن هیبرید شده sp2 مجاور هستند. یک الکترون ظرفیت در هر مرکز در مداری pz قرار دارد که با سه پیوند سیگما دیگر متعامد است. الکترون های موجود در این اوربیتال های جا به جا شده دارای تحرک بالایی در هنگام دوپ شدن مواد توسط اکسیداسیون هستند که این امر باعث حذف برخی از این الکترون های محروم شده می شود. بنابراین اوربیتال های مزدوج، یک نوار الکترونیکی تک بعدی را تشکیل می دهند و الکترون های درون این باند وقتی تا حدی تخلیه می شوند متحرک می شوند. با وجود تحقیقات فشرده، رابطه بین ریخت شناسی، ساختار زنجیره و رسانایی هنوز به درستی شناخته نشده است.
پلیمرهای رسانا به دلیل قابلیت پردازش ضعیف، کاربردهای کمی در مقیاس بزرگ دارند. آنها در مواد آنتی استاتیک دارای نویدهایی هستند، و در نمایشگرها و باتری های تجاری ساخته شده اند، اما به دلیل هزینه های تولید، ناسازگاری مواد، سمیت، حلالیت ضعیف در حلال ها و ناتوانی در ذوب مستقیم فرآیند، محدودیت هایی داشته اند. با این وجود، پلیمرهای رسانا به سرعت در مصارف جدید با مواد قابل پردازش با خواص الکتریکی و فیزیکی بهتر و هزینه های کمتر جذابیت پیدا می کنند. با در دسترس بودن پراکندگی های پایدار و قابل تکرار، پلی (3 و 4-اتیلن دی اکسی تیوفن) (PEDOT)(poly(3,4-ethylenedioxythiophene)) برخی از برنامه های کاربردی در مقیاس بزرگ را به دست آورده است. در حالی که PEDOT عمدتاً در کاربردهای آنتی استاتیک و به عنوان یک لایه رسانای شفاف به شکل PEDOT و پراکندگی پلی استایرن سولفونیک اسید استفاده می شود، پلی نایلین به طور گسترده ای در ساخت بورد های مدار چاپی برای محافظت از مس در برابر خوردگی و جلوگیری از قابلیت لحیم کاری آن مورد استفاده قرار می گیرد. اشکال جدیدتر پلیمرهای رسانای نانوساختار، با سطح بیشتر و پراکندگی بهتر، انگیزه جدیدی را در این زمینه ایجاد می کنند.
الکترونیک مولکولی همه چیز را تغییر خواهد داد
چیز بزرگ بعدی بسیار بسیار کوچک است. تریلیون ها ترانزیستور، پردازنده هایی که سرعت آنها بر حسب تراهرتز اندازه گیری می شود، ظرفیت نامحدود، و هزینه صفر را تصور کنید. طلوع یک انقلاب تکنولوژیکی جدید - و مرگ سیلیکون است.
به مدت 10 سال، تور و رید علم نوظهور الکترونیک مولکولی یا مولترونیک را پرورش داده اند. در یک سال و نیم گذشته، آنها بسیار پیشرفت کرده اند. جدیدترین مولکول های آنها دارای ویژگی های نیمه رسانایی هستند که به آنها این امکان را می دهد تا بار را نگه دارند یا مانند کلیدها یا حافظه رفتار کنند، بدین معنی که الکترونیک مولکولی می تواند جایگزین ترانزیستورها، دیودها و رساناهای مدارهای میکروالکترونیکی معمولی شود. اگر آزمایشات تور و رید با سرعت ثابت ادامه یابد، طی یک دهه مولترونیک قادر خواهد بود تقریباً همه کارهایی را که در حال حاضر با استفاده از سیلیکون انجام می شود انجام دهد - و بیشتر.
ریزتراشه های مولکولی، مملو از ترانزیستورهایی که می توانند ارزان قیمت در اعداد نجومی تولید شوند، سریع تر محاسبه می کنند، و بدون نیاز به تازه سازی، مدت زمان بیشتری به خاطر می سپارند و تنها یک قطره انرژی مصرف می کنند. بلافاصله، مولترونیک از محدودیت های فناوری های ذخیره سازی مغناطیسی و نوری فراتر می رود و سیستم های حافظه را آن قدر قدرتمند، کوچک و ارزان قیمت ارائه می دهد که کل اینترنت را می توان در یک میز کار ذخیره کرد. یا همان طور که توماس مالوک ، همکار تور می گوید، "کامپیوتری را تصور کنید که هر ضربه ای را که زده اید به خاطر آورد، با ظرفیت ذخیره سازی ای بیشتر از آن چه که شما به آن نیاز دارید. "
این امکانات، هیجانی را برانگیخته است که به اختراع تراشه سیلیکون باز می گردد.
یکی دیگر از مزایای عمده دستگاه های مولکولی شامل فرآیند تولید است. برای ساختن ریز تراشه، باید الگوی پیچیده ای از میلیون ها ترانزیستور و اتصالات متقاطع را روی سطح ویفر سیلیکونی حک کنید. Aviram از IBM می گوید: "این شامل حدود 28 یا 30 مرحله لیتوگرافی است." مولترونیک می تواند به دلیل پدیده شیمیایی موسوم به خود مونتاژ، اکثر این مراحل را حذف کرده و برنامه را در عرض چند ساعت فشرده کند. به جای تلاش برای ساختن تراشه ها به صورت یک جزء، شیمیدانان به سادگی می توانند مواد مناسب را در یک لیوان بگذارند، شرایط بسیار خاصی را اعمال کنند و نظاره کنند که چگونه مولکول ها به ترتیب مناسب روی یک بستر جمع می شوند. در این راستا، تولید قطعات الکترونیکی مولکولی به تولید دارو نزدیک تر است تا فرآیند تولید تراشه.
Brosl Hasslacher ، فیزیکدان نظری، خاطرنشان می کند: "شما فقط چیزها را در حمام های شیمیایی فرو می برید، بنابراین می توانید مولکول ها را روی هر لایه ای چاپ کنید، بسازید یا بچسبانید - پلاستیک، یا کاغذ دیواری، واقعاً مهم نیست."
منبع:
engineering.virginia
