Кіріспе
Химия және электроника саласы. Кванттық механика. Молекулалық электроника – электрондық компоненттерді жасау үшін молекулалық құрылыс блоктарын зерттеу және қолдану. Бұл физика, химия және материалтану ғылымдарын қамтитын пәнаралық сала. Біріктіретін негізгі ерекшелік – электрондық компоненттерді жасау үшін молекулалық құрылыс блоктарын пайдалану. Молекулалық деңгейде қасиеттерді бақылау арқылы электроникада өлшемді кішірейту мүмкіндігіне байланысты молекулалық электроникаға зор қызығушылық туды. Ол Мур заңының дәстүрлі кремний интегралдық тізбектерінің болжамдалатын шектерінен тысқары кеңейтуге потенциалды мүмкіндік береді.
[[Quantum mechanics
Molecular electronics is the study and application of molecular building blocks for the fabrication of electronic components. It is an interdisciplinary area that spans physics, chemistry, and materials science. The unifying feature is use of molecular building blocks to fabricate electronic components. Due to the prospect of size reduction in electronics offered by molecular level control of properties, molecular electronics has generated much excitement. It provides a potential means to extend Moore's Law beyond the foreseen limits of small scale conventional silicon integrated circuits.
Молекулалық масштабтағы электроника
Молекулалық электронды техника, сондай-ақ бір молекулалық электроника деп аталады, нанотехнологияның бір молекулаларды немесе бір молекулалардың наноөлшемдегі жиынтығын электрондық компоненттер ретінде пайдаланатын саласы. Бір молекулалар ең кішкентай тұрақты құрылымды құрағандықтан, бұл миниатюризация электр тізбектерін қысқартудың соңғы мақсаты болып табылады. Дәстүрлі электрондық құрылғылар көбінесе ірі көлемдегі материалдардан жасалады. Ірі көлемдегі әдістердің өзіндік шектеулері бар және олардың талаптары мен құны артып келеді. Сондықтан, компоненттерді химиялық зертханада атомнан атомға (төменнен жоғарыға) құрастыру мүмкіндігі туды. Бір молекулалық электроникада ірі материал бір молекуламен алмастырылады. Яғни, материалды үлгілік негізден алып тастау немесе қосу арқылы құрылымдар жасаудың орнына, атомдар химиялық зертханада біріктіріледі. Қолданылатын молекулалар сым, транзистор немесе түзетуші сияқты дәстүрлі электрондық компоненттерге ұқсас қасиеттерге ие. Молекуланы дәстүрлі электрондық компонент ретінде пайдалану тұжырымын алғаш рет 1974 жылы Авирам мен Ратнер ұсынды, олар бір-бірінен оқшауланған донор және акцептор орындарынан тұратын теориялық молекулалық түзетуші құрылғыны ұсынды. Бір молекулалық электроника – дамып келе жатқан сала, ал молекулалық өлшемдегі қосылыстардан тұратын толық электрондық тізбектерді жасау әлі де қиын міндет. Дегенмен, есептеу қуатын арттырудың үнемі қажеттігі және қазіргі литографиялық әдістердің шектеулері осы өткелді қажеттілікке айналдырады. Қазіргі уақытта қызықты қасиеттері бар молекулаларды табуға және молекулалық компоненттер мен электродтардың негізгі материалы арасындағы сенімді және қайталанатын байланыстарды орнатудың жолдарын іздеуге басымдық берілуде. Молекулалық электроника 100 нанометрден кішкентай қашықтықтағы кванттық аймақта жұмыс істейді. Молекулаларды кішірейту кванттық механиканың әсерлері маңызды болатын деңгейге жетеді. Дәстүрлі электрондық компоненттерде электрондарды электр зарядының үздіксіз ағыны сияқты толтыру немесе алу мүмкін болса, бір электрондың ауысуы жүйені айтарлықтай өзгертеді. Энергияның зарядтауға байланысты маңызды мөлшерін электрондық қасиеттерді есептеу кезінде ескеру қажет, және ол жақын маңдағы өткізгіш беттерге дейінгі қашықтыққа өте сезімтал. Жеке молекулаларды өлшеудегі ең үлкен қиындықтардың бірі – электродтарды қысқа тұйықтамай, тек бір молекуламен сенімді электрлік байланыс орнату. Қазіргі фотолитографиялық технологиялар сыналып жатқан молекулалардың екі ұшымен байланысуға жеткілікті кішкентай электродтық саңылауларды жасауға мүмкіндік бермейді (нанометрлік өлшемде), сондықтан баламалы стратегиялар қолданылады. Оларға молекулалық өлшемдегі саңылаулар, яғни түйілу саңылаулары жатады, онда жұқа электрод үзілгенше созылады. Саңылау мөлшері мәселесін шешудің бір жолы – молекулалық функционалды нанобөлшектерді (интернанобөлшектердің арақашықтығы молекулалардың өлшеміне сәйкес келеді) ұстап тұрып, кейіннен орын алмасу реакциясы арқылы нысаналы молекуланы қосу. Тағы бір әдіс – металл негізгі қабатына жабысқан молекулаларды басқа жағынан сканерлеуші туннельдік микроскоптың (СТМ) ұшымен байланыстыру. Молекулаларды электродтарға бекітудің тағы бір танымал әдісі – күкірттің алтынға жоғары химиялық жақындығын пайдалану. Бұл әдіс пайдалы болғанымен, бекіту ерекше емес, сондықтан молекулаларды алтынның барлық беттеріне кездейсоқ бекітеді, ал байланыс кедергісі бекіту орнының айналасындағы атомдық геометрияға байланысты болады, бұл байланыстың қайталануын нашарлатады. Бұл мәселені шешу үшін эксперименттер фуллерендердің күкірт орнына қолдануға жарамды екенін көрсетті, өйткені олардың үлкен конъюгацияланған π жүйесі күкірттің бір атомына қарағанда бірден көп атомдармен электрлік байланыс жасай алады. Металл электродтардан жартылай өткізгіш электродтарға өтуге көшу, қасиеттерді жақсартуға және осылайша қызықтырақ қолдануларға мүмкіндік береді. Органикалық молекулаларды байланыстыру үшін жартылай өткізгіш электродтарды ғана пайдаланудың әртүрлі тұжырымдамалары бар, мысалы, молекулалар арқылы көпірлену үшін электрондық кедергі ретінде пайдаланылатын кеңірек жолақты материалдың енген сегменті бар индий арсениді наносымдарын пайдалану. Бір молекулалық электрониканың коммерциялық түрде пайдалануына кедергі келтіретін ең үлкен фактор – молекулалық өлшемдегі тізбекті электродтарға сенімді және қайталанатын нәтижелер беретіндей етіп қосу мүмкіндігінің болмауы. Сондай-ақ, жеке молекулаларға жасалған кейбір өлшемдер абсолютті нөлге жуық криогендік температурада жүргізіледі, бұл өте көп энергияны қажет етеді.
Тарих
Молекулалық электроника тарихында алғаш рет 1956 жылы неміс физигі Артур фон Гиппель айтты. Ол электрониканы дайын материалдарды пайдаланудың орнына атомдар мен молекулалардан төменнен жоғарыға қарай дамыту әдісін ұсынды, бұл идеяны молекулалық инженерия деп атады. Дегенмен, көптеген адамдар бұл саладағы маңызды қадамды 1974 жылы Авирам мен Ратнердің жариялаған мақаласы деп есептейді. «Молекулалық түзеткіштер» деп аталған мақалада олар донорлық-акцепторлық топтары бар өзгертілген заряд тасымалдау молекуласы арқылы тасымалдаудың теориялық есептеуін ұсынды, бұл тек бір бағытта тасымалдауға мүмкіндік береді, яғни жартылай өткізгіш диод сияқты. Бұл молекулалық электроника саласындағы көп жылдық зерттеулерге түрткіс берген маңызды жаңалық болды.
Электроника үшін молекулалық материалдар
Сымды өткізгіш полимерлердің ең басты артықшылығы – оларды өңдеуге қолайлылығы, әсіресе дисперсия арқылы. Сымды өткізгіш полимерлер пластик емес, яғни оларды термоформалауға болмайды, бірақ олар (оқшаулағыш) полимерлер сияқты органикалық полимерлер болып табылады. Олар жоғары электр өткізгіштігін қамтамасыз ете алады, алайда басқа коммерциялық қолданыстағы полимерлерден механикалық қасиеттерімен ерекшеленеді. Электрлік қасиеттерін органикалық синтез және жетілдірілген дисперсия әдістерін қолдану арқылы дәл реттеуге болады. Нашар өңделуге болатындықтан, сымды өткізгіш полимерлердің ірі масштабты қолданылуы шектеулі. Олар антистатикалық материалдар саласында перспективалы. Сымды өткізгіш полимерлердің жаңа нанокұрылымдық түрлері осы салаға жаңа импульс береді, олардың үлкен беттік ауданы мен жақсырақ таралу қабілетіне байланысты. Соңғы кезде бұл салада супрамолекулярлық химия енгізілді, бұл молекулалық электрониканың жаңа буынын жасауға жаңа мүмкіндіктер ашады. Мысалы, катиондық молекулаларды pillar[5]арен қуысына енгізу арқылы ток қарқыны екі ретке арттырылды.