Молекулярная электроника: от теории к наноразмерным схемам.

Введение

Отрасль химии и электроники
[[Квантовая механика

Молекулярная электроника – это изучение и применение молекулярных строительных блоков для создания электронных компонентов. Это междисциплинарная область, объединяющая физику, химию и материаловедение. Объединяющим фактором является использование молекулярных строительных блоков для создания электронных компонентов. Благодаря перспективе миниатюризации электроники, обеспечиваемой молекулярным контролем свойств, молекулярная электроника вызвала значительный интерес. Она предоставляет потенциальную возможность продлить действие закона Мура за пределы прогнозируемых ограничений традиционных кремниевых интегральных схем малого масштаба.

Электроника молекулярного масштаба

Молекулярная электроника, также называемая электроникой отдельных молекул, является областью нанотехнологий, использующей отдельные молекулы или наномасштабные совокупности отдельных молекул в качестве электронных компонентов. Поскольку отдельные молекулы представляют собой самые маленькие стабильные структуры, эта миниатюризация является конечной целью уменьшения электрических цепей. Традиционные электронные устройства обычно изготавливаются из объемных материалов. Объемные методы имеют присущие ограничения и становятся все более сложными и дорогостоящими. Таким образом, возникла идея о том, что компоненты можно создавать атом за атомом в химической лаборатории (снизу вверх), а не вырезать их из объемного материала (сверху вниз). В электронике отдельных молекул объемный материал заменяется отдельными молекулами. То есть, вместо создания структур путем удаления или нанесения материала по шаблону, атомы собираются вместе в химической лаборатории. Используемые молекулы обладают свойствами, схожими с традиционными электронными компонентами, такими как проводник, транзистор или выпрямитель. Эта концепция использования молекулы в качестве традиционного электронного компонента была впервые предложена Авирамом и Ратнером в 1974 году, когда они предложили теоретический молекулярный выпрямитель, состоящий из донорных и акцепторных участков, изолированных друг от друга. Электроника отдельных молекул – это развивающаяся область, и создание целых электронных схем, состоящих исключительно из соединений молекулярного размера, пока еще очень далеко от реализации. Однако постоянный спрос на большую вычислительную мощность, в сочетании с присущими ограничениями современных литографических методов, делает этот переход неизбежным. В настоящее время основное внимание уделяется поиску молекул с интересными свойствами и разработке способов получения надежных и воспроизводимых контактов между молекулярными компонентами и объемным материалом электродов. Молекулярная электроника работает в квантовой области на расстояниях менее 100 нанометров. Миниатюризация до отдельных молекул снижает масштаб до области, где важны квантовомеханические эффекты. В отличие от традиционных электронных компонентов, где электроны могут заполнять или извлекать более или менее как непрерывный поток электрического заряда, перенос одного электрона значительно изменяет систему. Значительная энергия, обусловленная зарядом, должна учитываться при расчетах электронных свойств установки и сильно зависит от расстояния до близлежащих проводящих поверхностей. Одна из самых больших проблем при измерении на отдельных молекулах – установление воспроизводимого электрического контакта только с одной молекулой и предотвращение замыкания электродов. Поскольку современная фотолитографическая технология не позволяет создавать электроды с зазорами, достаточно малыми для контакта с обоими концами тестируемых молекул (порядка нанометров), используются альтернативные стратегии. К ним относятся зазоры молекулярного размера, называемые разрывными контактами, в которых тонкий электрод растягивается до момента разрыва. Один из способов решения проблемы размера зазора – захват молекулярно-функционализированных наночастиц (межнаночастичное расстояние сопоставимо с размером молекул) с последующей реакцией замещения для присоединения целевой молекулы. Другой метод – использование наконечника сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) для контакта с молекулами, прикрепленными другим концом к металлической подложке. Другой популярный способ закрепления молекул на электродах – использование высокой химической аффинности серы к золоту; хотя это и полезно, закрепление неспецифично и, следовательно, закрепляет молекулы случайным образом на всех золотых поверхностях, а контактное сопротивление сильно зависит от точной атомной геометрии в месте закрепления и, следовательно, по своей сути, ставит под угрозу воспроизводимость соединения. Чтобы обойти эту проблему, эксперименты показали, что фуллерены могут быть хорошим кандидатом для использования вместо серы из-за большой сопряженной π-системы, которая может электрически контактировать со многими атомами одновременно, в отличие от одного атома серы. Переход от металлических электродов к полупроводниковым электродам позволяет получить более адаптированные свойства и, следовательно, более интересные приложения. Существуют концепции для контакта органических молекул с использованием только полупроводниковых электродов, например, путем использования нанопроволок арсенида индия с внедренным сегментом из арсенида фосфора с большей шириной запрещенной зоны, используемого в качестве электронного барьера, который должен быть преодолен молекулами. Одним из главных препятствий для коммерческого использования электроники отдельных молекул является отсутствие способов подключения молекулярной схемы к объемным электродам таким образом, чтобы получать воспроизводимые результаты. Также проблематично то, что некоторые измерения на отдельных молекулах проводятся при криогенных температурах, близких к абсолютному нулю, что требует больших затрат энергии.

Molecular scale electronics, also called single molecule electronics, is a branch of nanotechnology that uses single molecules, or nanoscale collections of single molecules, as electronic components. Because single molecules constitute the smallest stable structures possible, this miniaturization is the ultimate goal for shrinking electrical circuits. Conventional electronic devices are traditionally made from bulk materials. Bulk methods have inherent limits, and are growing increasingly demanding and costly. Thus, the idea was born that the components could instead be built up atom by atom in a chemistry lab (bottom up) as opposed to carving them out of bulk material (top down). In single molecule electronics, the bulk material is replaced by single molecules. That is, instead of creating structures by removing or applying material after a pattern scaffold, the atoms are put together in a chemistry lab. The molecules used have properties that resemble traditional electronic components such as a wire, transistor, or rectifier. This concept of using a molecule as a traditional electronic component was first presented by Aviram and Ratner in 1974, when they proposed a theoretical molecular rectifier composed of donor and acceptor sites which are insulated from one another. Single molecule electronics is an emerging field, and entire electronic circuits consisting exclusively of molecular sized compounds are still very far from being realized. However, the continuous demand for more computing power, together with the inherent limits of the present day lithographic methods make the transition seem unavoidable. Currently, the focus is on discovering molecules with interesting properties and on finding ways to obtain reliable and reproducible contacts between the molecular components and the bulk material of the electrodes. Molecular electronics operates in the quantum realm of distances less than 100 nanometers. Miniaturization down to single molecules brings the scale down to a regime where quantum mechanics effects are important. In contrast to the case in conventional electronic components, where electrons can be filled in or drawn out more or less like a continuous flow of electric charge, the transfer of a single electron alters the system significantly. The significant amount of energy due to charging has to be taken into account when making calculations about the electronic properties of the setup and is highly sensitive to distances to conducting surfaces nearby. One of the biggest problems with measuring on single molecules is to establish reproducible electrical contact with only one molecule and doing so without shortcutting the electrodes. Because the current photolithographic technology is unable to produce electrode gaps small enough to contact both ends of the molecules tested (in the order of nanometers) alternative strategies are put into use. These include molecular sized gaps called break junctions, in which a thin electrode is stretched until it breaks. One of the way to over come the gap size issue is by trapping molecular functionalized nanoparticles (internanoparticle spacing is match able to the size of molecules) and later target molecule by place exchange reaction. Another method is to use the tip of a scanning tunneling microscope (STM) to contact molecules adhered at the other end to a metal substrate. Another popular way to anchor molecules to the electrodes is to make use of sulfur's high chemical affinity to gold; though useful, the anchoring is non specific and thus anchors the molecules randomly to all gold surfaces, and the contact resistance is highly dependent on the precise atomic geometry around the site of anchoring and thereby inherently compromises the reproducibility of the connection. To circumvent the latter issue, experiments have shown that fullerenes could be a good candidate for use instead of sulfur because of the large conjugated π system that can electrically contact many more atoms at once than a single atom of sulfur. The shift from metal electrodes to semiconductor electrodes allows for more tailored properties and thus for more interesting applications. There are some concepts for contacting organic molecules using semiconductor only electrodes, for example by using indium arsenide nanowires with an embedded segment of the wider bandgap material indium phosphide used as an electronic barrier to be bridged by molecules. One of the biggest hindrances for single molecule electronics to be commercially exploited is the lack of means to connect a molecular sized circuit to bulk electrodes in a way that gives reproducible results. Also problematic is that some measurements on single molecules are done at cryogenic temperatures, near absolute zero, which is very energy consuming.

История

Впервые в истории о молекулярной электронике упомянул в 1956 году немецкий физик Артур фон Гиппель, предложивший подход к разработке электроники снизу вверх – из атомов и молекул, а не с использованием готовых материалов. Он назвал эту идею молекулярной инженерией. Однако многие считают, что первым прорывом в этой области стала статья Авирама и Ратнера, опубликованная в 1974 году. В статье под названием «Молекулярные выпрямители» они представили теоретический расчет переноса заряда через модифицированную молекулу с донорно-акцепторными группами, которая обеспечивала бы транспорт только в одном направлении, подобно полупроводниковому диоду. Этот прорыв вдохновил на многолетние исследования в области молекулярной электроники.

Молекулярные материалы для электроники

Наибольшее преимущество проводящих полимеров – их технологичность, в основном благодаря возможности диспергирования. Проводящие полимеры не являются пластиками, то есть не поддаются термоформованию, однако они представляют собой органические полимеры, как и (изолирующие) полимеры. Они могут демонстрировать высокую электропроводность, но обладают иными механическими свойствами, чем другие коммерчески используемые полимеры. Электрические свойства можно точно настраивать, используя методы органического синтеза и усовершенствованного диспергирования. Из-за сложной переработки проводящие полимеры имеют ограниченное число крупномасштабных применений. Однако новые наноструктурированные формы проводящих полимеров дают новый импульс развитию этой области, благодаря большей площади поверхности и улучшенной диспергируемости. В последнее время в эту область была внедрена супрамолекулярная химия, открывающая новые возможности для разработки следующего поколения молекулярной электроники. Например, удалось добиться увеличения интенсивности тока в два порядка величины путем введения катионных молекул в полость пиллара[5]арена.