تاریخ انتشار : ۱۳۹۶/۶/۴ ۲۲:۰۰ |
کد خبر: ۳۹۳۹۵۱

دانلود مقاله رایگان/الکترونیک مولکولی

الکترونیک مولکولی یک رویکرد جدید است که به مواد اولیه و اصول عملکرد جدید نیاز دارد و می‌توان گفت انگیزه‌ای برای شناخت و استفاده از آنچه در مولکول‌های مواد اتفاق می‌افتد است. در مقیاس‌های کوچک تر از نانو، ایده استفاده از یک یا چند مولکول به‌عنوان یک سوئیچ به‌نظر بسیار جالب‌تر از بررسی بن‌بست‌های ماسفتی می‌باشد. این کار علاوه بر کوچک شدن ابعاد سرعت را بسیار زیاد کرده است همچنین ارزان‌تر است و بالطبع آن روش‌ها و پیچیدگی‌ها بسیار دشوار می‌شود.

پایگاه خبری شباویز/دانلود مقاله رایگان/الکترونیک مولکولی

تهیه و تنظیم: محمد مرادی
پاییز 1392

 

چکیده:

علم الکترونیک دارای دو جهش بسیار بزرگ در تاریخ کوچک اما بسیار پر تلاطم خود است.
۱. ساخت ترانزیستور
۲. ساخت اولین مدار مجتمع شامل یک خازن و مقاومت و ترانزیستور


الکترونیک مولکولی یک رویکرد جدید است که به مواد اولیه و اصول عملکرد جدید نیاز دارد و می‌توان گفت انگیزه‌ای برای شناخت و استفاده از آنچه در مولکول‌های مواد اتفاق می‌افتد است. در مقیاس‌های کوچک تر از نانو، ایده استفاده از یک یا چند مولکول به‌عنوان یک سوئیچ به‌نظر بسیار جالب‌تر از بررسی بن‌بست‌های ماسفتی می‌باشد. این کار علاوه بر کوچک شدن ابعاد سرعت را بسیار زیاد کرده است همچنین ارزان‌تر است و بالطبع آن روش‌ها و پیچیدگی‌ها بسیار دشوار می‌شود. (الکترونیک مولکولی هنوز در حال تحقیق در مورد روش‌های ساخت می‌باشد. که به‌نظر می‌رسد به زودی بر آن غلبه و به سمت ساخت مدار مجتمع با این تکنولوژی برود)

 همان طور که مي‌دانيم روش ليتوگرافي نوري براي ساخت مدارات الکترونيکي مجتمع با چالش‌هاي اساسي و جدي روبرو شده است. محدوديت‌هاي فناوري از يک سو و چالش‌هاي کوانتومي از سوي ديگر توسعه‌ي نانوالکترونيک را با دشواري روبرو کرده است . در اين ميان دانشمندان به ايده‌ها و روش‌هاي جايگزين و جديدي مي‌انديشند که محدوديت‌هاي روش ليتوگرافي نوري را ندارد. يکي از اين روش‌ها، ساخت و استفاده از مولکول‌هايي است که رفتاري مشابه رفتار کليد زدن ترانزيستورها داشته باشند. در واقع دانشمندان قصد دارند با طراحي، ساخت و استفاده از اين مولکلول‌ها، آن‌ها را جايگزين ترانزيستورهاي سيليکوني کنند. اين ايده را الکترونيک مولکولي مي‌گوييم. اين رفتار مي‌تواند مبنايي براي پردازش اطلاعات در رايانه‌ها و ذخيره‌ي اطلاعات در حافظه‌ها قرار گيرد .

مولکول‌هايي که در الکترونيک مولکولي مورد استفاده قرار مي‌گيرند بايستي شرايطي داشته باشند. اين مولکول‌ها بايد داراي دو شکل متفاوت باشند که توسط يک محرک خارجي نظير نور يا ولتاژ تغيير شکل دهد. اين تغيير شکل بايد برگشت‌پذير هم باشد. در واقع مولکول در يک حالت به عنوان صفر (zero) و در يک حالت به عنوان يک (one) رفتار مي‌کند. رفتار برگشت‌پذيري مولکول هم بايد بسيار سريع باشد به گونه‌اي که بتواند در مدارات الکترونيکي مجتمع، مفيد واقع شود. همچنين پايداري و مخصوصا پايداريِ گرمايي نيز عامل مهمي است. يعني اين مولکول‌ها در برابر تغييرات دمايي نبايد از شکلي به شکل ديگر تغيير شکل دهند. چرا که در مدارات مجتمع محدوده‌ي تغييرات دمايي بسيار زياد است و در صورت تغيير شکل مولکول‌ها، اطلاعات آن‌ها از دست مي‌رود.

مثلا مولکول آزوبنزن ، در ابتدا نمونه‌اي مناسب به نظر مي‌رسد. مولکول آزوبنزن داراي دو ايزومر سيس و ترانس است که هر کدام داراي دو طول متفاوت است. با تابيدن نور فرابنفش با طول موج 313 نانومتر، ايزومر ترانس به ايزومر سيس تغيير شکل مي‌دهد و با تابيدن نور فرابنفش با طول موج بيش‌تر از 380 نانومتر، ايزومر سيس به ايزومر ترانس تغيير شکل مي‌دهد. بنابراين در مدار الکتريکي يکي از ايزومرها مي‌تواند به عنوان صفر و ديگري به عنوان يک رفتار کند. ليکن مشکل آزوبنزن عدم پايداري گرمايي آن است. در واقع ايزومر سيس آزوبنزن از نظر گرمايي پايدار نيست و اندک گرمايشي موجب تغيير شکل آن به ايزومر ترانس مي‌شود.

البته اين رفتار در مولکول مذکور در دماي 60 کلوين مشاهده مي‌شود، يعني تقريبا 213- درجه‌ي سلسيوس و در دماي اتاق ظاهر نمي‌شود. همان طور که مشاهده مي‌کنيد اين دما بسيار پايين و دسترسي به آن دشوار است. لذا استفاده از آن در شرايط دماي معمولي مستلزم توسعه‌ي بيش‌تر اين دانش است. همچنين لازم به يادآوري است که نشان دادن اين که يک مولکول مي‌تواند جريان الکتريکي را هدايت کند و رسانايي و عدم رسانايي آن قابل کنترل است، براي توسعه‌ي دانش الکترونيک کفايت نمي‌کند. آن چه اکنون در اختيار داريم يک کليد مولکولي بسيار کوچک و در ابعاد چند نانومتر است که جريان الکتريکي عبوري از آن با استفاده از يک ولتاژ قابل کنترل است. مزيت اصلي آن نسبت به ترانزيستورهاي سيليکوني ابعاد کوچک‌ترِ آن است. ليکن توسعه‌ي رايانه‌ها و استفاده از الکترونيک مولکولي در صنايع الکترونيک و رايانه مستلزم اتصال اين مولکول‌ها به يکديگر و ساخت گِيت‌هاي منطقي است همچنين روش‌هاي ساخت و توليد آن در مقياس انبوه نيز چالشي است که بايد قبل از توسعه‌ي الکترونيک مولکولي حل شود .

 

فصل اول:

الکترونیک مولکولی

الکترونیک مولکولی، که گاهی اوقات به عنوان moletronics خوانده می شود، یک موضوع  بین رشته ای از فناوری نانو بوده که در رشته های شیمی، فیزیک، زیست شناسی وعلم مواد گسترش یافته و  شامل بلوک های ساختارالکترونیک مولکولی است که برای ساخت قطعاتی همچون، سیم مقاومتی و ترانزیستور استفاده می شود. علم الکترونیک در مقیاس مولکولی قصد دارد تجدید نظر قابل توجهی از لحاظ کاهش اندازه و افزایش سرعت و دقت تراشه های کامپیوتری انجام دهد. الکترنیک مولکولی همچنین چارچوبی را برای دانشمندان مهیا می کند که بازهم قانون مور را با توجه به محدودیتهای ایجاد شده پیش ببرند .

نیمه هادی های آلی در مقایسه با نیمه هادی های سنتی ( سیلیکون معدنی ) دارای خواص منحصر به فرد و مزایایی همچون لایه ی پردازش قابل انعطاف در درجه حرارت پایین ، هزینه کمتر ، روند ساختی با سرعت بالاتر و نیز دارای خواص الکترونیکی تنظیم پذیرتری هستند . ساختار این مواد بر پایه ی مولکولهای آلی و پلیمرها (π _مزدوج ) استوار است . برای ساختن نیمه هادی آلی مواد زیادی هست که می توان کانال نوع _ p را با آن ساخت اما برای کانال نوع _ nاین مواد نسبتآ نادراند .

برای ساختن قطعات با فرایند الکترونیک مولکولی می توان از تکنیک های شیمی(self-assembly) ، نانو لوله های کربنی ، DNA ، پروتئین و دیگر تکنیکها استفاده کرد . در آزمایشهای الکترونیک مولکولی ، مولکولهای فعال الکتریکی می توانند رفتار خود را بشدت تغییر دهند بسته به اینکه آنها توسط الکترود احاطه شده باشند یا مواد دیگر و این تغییر رفتار مستلزم توجه بیشتری است .

الکترونیک مولکولی را می توان به دو زیر رشته تقسیم کرد: 1. مواد مولکولی برای
الکترونیک که به بهره گیری از خواص مولکولها در این فرایند میپردازد. 2. برنامه های کاربردی با بهره گرفتن از فرایند الکترونیک تک مولکولی .

 

برنامه های کاربردی از لایه نازک الکترونیک مولکولی

 

الکترونیک مولکولی می تواند نقش مهمی در توسعه تکنولوژی قطعات دارای لایه ی نازک قابل انعطاف ایفا کند . سلول های photovoltaic خورشیدی ، دیودهای آلی ساطع کننده ی نور ( (OLED  والکترونیک پلاستیک برخی از برنامه های  کاربردی الکترونیک مولکولی اند. نسل بعدی از محصولات این شاخه از الکترونیک می تواند شامل صفحه نمایش انعطاف پذیر ، فرکانس رادیویی کم هزینه و سنسورهای قابل چاپ باشد .

توسعه مواد جدید photoresist  و photolithography  درزمینه ی الکنرونیک آلی و هیبریدها می تواند برای ساخت مدارات آلی/غیر آلی و صفحه نمایش کاملآ رنگی مورد استفاده قرار گیرد .

 

 

 

 

 

 

 

فصل دوم:

الکترونیک تک مولکولی

 

 

 

بخش اول: مفهوم الکترونیک تک مولکولی

 

الکترونیک تک مولکولی به عنوان شاخه ای از علم الکترونیک مولکولی تعریف شده است که در آن از یک مولکول برای ساخت قطعات پایه استفاده می شود. قانون مور توصیف می کند که: " تعداد ترانزیستورهای بکار رفته در اندازه ای ثابت از یک مدار مجتمع تقریبآ هر دو سال یک بار دو برابر خواهد شد". این قانون اساسا در مورد صنعت نیمه هادی به منظور هدایت اهداف و برنامه ریزی بلند مدت برای تحقیق و توسعه استفاده می شود. اندازه فعلی عناصر عملکردی از تراشه های الکترونیکی 22 نانومتر است این در حالی است که شرکت های اینتل و سامسونگ  برای نسخه های در دست اقدام خود اندازهای 10 و 14 نانومتر را اعلام کرده اند. با این حال با توجه به روشهای ساخت (لیتیوگرافی چاپی و ...) کار در این مقیاس و پایینتر بسیار دشوار خواهد بود. در این رابطه، تک مولکول ها هستند که کوچکترین ساختارهای با ثبات قابل تصور به عنوان مدارهای الکتریکی در مقیاس پایینتر را متصور می کنند . مولکول هایی که به طور معمول به منظور الکترونیک تک مولکول استفاده می شوند باید به گونه ای خواص  قطعات الکترونیک سنتی (مانند سیم، ترانزیستور، یکسو کننده ها و سوئیچ ) را دارا  باشند.

در سال 1988 آویرام و همکارانش شواهدی از تغییر و اصلاح (switching and rectification ) یک تک مولکول با استفاده از اسکن تونل زنی میکروسکچی (STM)، در سال 1955 یواخیم و همکارانش گزارشی از اولین مطالعه تماس با برق مولکول (C60) و اندازه گیری هدایت این مولکول با روش (STM) و در سال 1966 نیز توور و همکارانش شواهدی از ساخت سیم های مولکولی با روش (STM) ارائه کردند{شکل زیر} . این مولکول از جنس بنزن بر روی زمینه طلا بود، سیم های مولکولی روی یک نارسانا  (n-dodecanethiol  ) قرار گرفته و بر روی تک لایه ای از جنس طلا مونتاژ شده بود تا خواصش به روش (STM) بررسی شود . زمانی که سیم مولکولی بصورت مزدوج قرار داده شد مشخص گردید رسانایی بسیار بالاتری در مقایسه با  اطراف دارد .

 

اولین شواهد از هدایت یک اتصال مولکولی در سال 1997 توسط مارک رید و همکارانش گزارش شده است. آنها مولکول بنزن را به دو قطعه الکترود از جنس طلا که در روبروی هم قرار گرفته بودند  به روش شکست مکانیکی کنترل شده اتصال دادند . آنها حمل و نقل بار و در نتیجه یک منحنی هدایت ولتاژ در دو جهت (بایاس) را مشاهده کردند. این مطالعه اندازه گیری کمی از هدایت یک اتصال شامل تک الکترون را فراهم آورد که یک گام اساسی به سمت توسعه الکترونیک در مقیاس مولکولی بود .

 

 

http://www.beilstein-journals.org/bjnano/content/figures/2190-4286-2-76-6.png?scale=2.0&max-width=1024&background=FFFFFF

 

 

زمینه پیشرفت سریع هدایت الکترونیک تک مولکولی پس از اولین آزمایش بوجود آمد و پیشرفت در تهیه نانو الکترودهای ساخته شده این امکان را برای اندازه گیری خواص رسانشی مولکولهای آلی ساده به طور مستقیم بوجود آورد. اکنون پیش بینی های نظری تا حد زیادی تآیید شده و پیشرفت های فن آوری علم نانو در مطالعات تجربی و نظری تک مولکول ها بهبود یافته، به خصوص آنکه توسعه میکروسکوپ اسکن تونل زنی و میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM ) دستکاری و کنترل تک مولکول ها را تسهیل کرده است.

Rotaxanes و catenanes نیز می تواند به عنوان اجزای مولکولی در قطعات الکترونیک مولکولی مانند مدارات حافظه با چگالی کم و در مدارات حافظه با چگالی فوق العاده بالا استفاده شود که در آن از ویژگی های سوئیچینگ الکتروشیمیایی این مولکول ها بهره می گیرند. از سوی دیگر صنعت نیمه هادی ها درگیر کاوش در  نانولوله های کربنی، لایه های گرافن و نانو رویان با عنوانی مبتی بر کربن الکترونیک است، علاوه بر این ترانزیستورهای اثر میدانی بر اساس نیمه هادی های نانو لوله، نانو رویان و گرافن به اثبات رسیده اند (موجودند) .

 

  1. انتقال الکترون ها از طریق  تک مولکول :


در سطح تک مولکول شرایط رسانایی “conductance” و خاصیت رسانایی “conductivity” بصورت مترادف استفاده می شوند، با این حال اصطلاح رسانایی “conductance”  رایج است. در کلاس های مختلف از تک مولکول رسانایی متفاوت خواهد بود، به عنوان مثال برای ساختارهای مزدوج به طور عمومی رسانایی بیشتر از آلکان های ساده است. مارتین و همکارانش یک مرور کلی از تفاوت در رسانایی بین کلاس های مختلف از مولکول را شرح داده اند. برخی مطالعات به منظور بررسی اثر رسانایی به عنوان یک تابع از طول مولکول انجام شده است . بیشتر، مولکول های ساده به طور مفصل مورد بررسی قرار گرفته اند، به عنوان مثال بنزنها ، آلکان ها و آلکن با گروههای پیوند دهنده مختلف .

ایده اصلی از الکترونیک مولکولی یا الکترونیک تک مولکول برای هدایت شارژ حمل (charge carriers ) از طریق سیم های مولکولی، ترانزیستور و یا یکسو کننده ها است. پیوندهای بین مولکول ها و الکترودها باید قادر به اتصال با نانو الکترودها باشند که بطور معمول از جنس طلا پلاتین و دیگر فلزات ساخته شده اند ( الکترودها ) . اتصالات الکتریکی باید تجدید پذیر و قابل اعتماد باشند به عنوان مثال اتصالات گروهای تیول با الکترود طلا و گروه آمین ها با الکترود پلاتینیومی  اتصالاتی قوی بشمار می آیند .

رسانایی  G (G = I / V) یک تک مولکول وابسته به شرایط مختلف محیط اطراف است، به عنوان مثال pH، دما، فشار و همچنین خواص اندازه گیری دستگاه، ساختار سطح الکترود و شکل هندسی الکترود در مقیاس اتمی همگی موثراند. از نظر تئوری و عملی هنوز هم با چالش های زیادی در الکترونیک تک مولکول روبرو هستیم، اگر چه تا کنون بسیاری از تکنیک های تجربی مثل اندازه گیری خاصیت هدایت توسعه یافته اند.

 

 

 

یک شرط مهم برای تعیین هدایت یک تک مولکول این است که برای بدست آوردن نتایج اندازه گیری هدایت تنها از یک تک مولکول استفاده شود نه از چند مولکول و در نتیجه باید یک تک مولکول را به دو الکترود متصل کرد .

در سال 2001، کویی و همکارانش قادر به اندازه گیری مقاومت یک مولکول اکتان تیول ( Non-bonded ) در اتصال با اکتان تیول تک لایه گشتند که مقدار مقاومت بدست آمده حداقل چهار مرتبه بیشتر بود ( مقاوم تر بود ) . آن ها نشان دادند که برای اندازه گیری خواص پایه ی تک مولکول به پیوند شیمیایی در محل اتصالات نیاز دارند. عدم تمرکز در اوربیتال های الکترونیک مولکولی محل اتصالات فلزی این مسئولیت را برای هدایت الکتریکی از طریق مولکولهای مزدوج گذاشته است . با این حال، برای مولکول های غیر مزدوج مانند اکتان تیول هدایت به بزرگی اخلاف  باند شکاف (band gap ) و بالاترین اوربیتال اشغال شده (HOMO) نزدیک به سطح فرمی نسبت داده می شود . دادوش و همکارانش نیز اثر شکست مزدوج (conjugation-breaking ) انواع مختلف ( تک الکترون ) در هدایت الکتریکی داخل مولکول مزدوج مورد مطالعه قرار دادند . آن ها دریافتند که حضور اکسیژن و یا گروهای متیلن در ساختار مولکول های مزدوج باعث کاهش ( مهار ) هدایت الکتریکی خواهد شد .

 

 

 

  1. محاصره کولن:

 

یک جنبه مهم  به هنگام کوچک سازی در مقیاس مولکول این است که اثرات کوانتمی شروع به ایفای نقش می کنند. در حالت متعارف قطعات الکترونیکی جریان پیوسته بعلت وجود و یا عدم وجود الکترون ( حفره )  بوجود می آید ( بار شارش می کند ) در حالی که در مورد تک الکترون ها انتقال یک تک الکترون به طور قابل ملاحظه ای موجب تغییر سیستم می شود . اساسآ هنگامی که یک الکترون از الکترود منبع به سمت مولکول انتقال میابد ، مولکول بار( الکترون ) را دریافت می کند و از پذیرفتن هر ورودی ( الکترون ) دیگر جلوگیری می کند . این مکانیزم به عنوان محاصره کولن (CB _ Coulomb blockade ) شناخته می شود . بر اثر این مکانیزم (CB) در ولتاژ بایاس کم ، مقاومت المان را تا حد بی نهایت افزایش می دهد و در ولتاژ بایاس صفر هیچ جریانی شارش نمی یابد . مکانیک کوانتمی محدودیت های شدیدی برای تعداد الکترون ها داخل اوربیتال (یا سطوح انرژی) در تک مولکول قائل می شود. اساسآ این حالت ها مشخص کننده انرژی و توزیع فضایی الکترون و در نتیجه خواص الکترونیکی برای راه اندازی کامل تک الکترون است. اگر چه این مولکول در شماتیک کوچک و ساده بنظر می رسد اما در آن حالت های (states ) الکتریکی امکان پذیر را می توان فقط تا حدودی استنباط کرد که محدود به قابلیت پیش بینی الکترونیک مولکولی است.

 

 

 

  1. ترازهای فرمی از الکترودها و مرز اوربیتال مولکولی:

 

در فلزات سطح فرمی به عنوان بالاترین اوربیتال اشغال شده، مولکولی در باند ظرفیت (0 K ) تعریف شده است که بسیاری از حالتها (states ) برای پذیرفتن الکترون در دسترس می باشند . هنگامی که یک ولتاژ بایاس استفاده شود، سطح انرژی فرمی  الکترود تغییر می کند و الکترون از یک الکترود به الکترود دیگر تونل می زند.

 

 

 

این شکل نشاندهنده  تونل زنی الکترون از یک الکترود به الکترود دیگراست، که در آن  “e” نشان دهنده الکترون است که در آن الکترون از یک مانع به ارتفاع (eVb ) ، (ارتفاع عمودی انرژی است) تونل زده است. V ولتاژ بایاسی است که منجر به شارش جریان به سمت چپ و راست الکترود می شود (side of the barrier )

 

 

حال اگر یک مولکول بین دو الکترود قرار گیرد ، پس از آن سطوح انرژی HOMO-LUMO در مولکول نقش مهمی در هدایت الکترون بین اکترودها بازی می کند . در شکل زیر مشاهده می شود که سطح انرژی خاصی از مولکول باید در راستای با سطح انرژی فرمی به منظور انتقال موثر و بیشتر الکترون در مولکول باشد و اگر سطح انرژی فرمی همتراز با یکی از اوربیتالهای مرزی ( frontier orbitals) نباشد انتقال بار صورت نمی گیرد . علاوه بر این سطح انرژی فرمی الکترود در سمت دیگر باید در یک سطح پایین تر باشد، طوری که الکترون بتواند از مولکول به الکترون انتقال یابد و به تعبیری اجازه ادامه این روند را داشته باشد. در هر لحظه خواص تنها یک الکترون می تواند از طریق مولکول عبور کند. به این منظور برای اینکه یک الکترون از طریق مولکول تونل بزند یک الکترود سوم (gate ) می تواند برای تغییر سطوح انرزی فرمی مولکول معرفی شود .

 

 

امکان انتقال الکترون ازطریق مولکول با سطوح انرژی مشخص شده برای مولکول (جزئیات بیشتر در زیر)

 

 

در شکل فوق حالتهای (state ) مسدود شده ( سمت چپ ) و حالت انتقال ( سمت راست ) نشان داده شده است، که در آن سطح انرژی منبع، جزیره (island ) و تخلیه (drain ) { از چپ به راست در هر قسمت}  در یک ترانزیستور تک الکترون نشان داده شده است. در حالت مسدود شده ، هیچ سطح انرژی قابل دسترسی در محدوده تونل زنی الکترون ( قرمز رنگ ) در محل اتصال با منبع وجود ندارد . تمام سطوح انرژی در اکترود جزیره با انرژی کمتر،اشغال شده است. هنگامی که پتانسیل مثبت به الکترود گیت اعمال می شود سطح انرژی الکترود جزیره کاهش می یابد. الکترون (سبز 1) می تواند بر روی جزیره تونل بزند (سبز 2) ، پس سطح انرژی که پیش از این خالی بود اشغال می شود . از آنجا که الکترون اکنون می تواند بر روی الکترود تخلیه تونل بزند (سبز 3) بر اثر متفرق سازی کشسان (in-elastically scatters ) به سطح انرزی فرمی الکترود تخلیه ( drain) می رسد (سبز 4) . سطوح انرزی الکترود جزیره با فواصل مساوی  ΔE از هم جدا شده اند .

 

 

 

 

بخش دوم: تکنیکهای اندازه گیری رسانایی الکترون منفرد

 

مشکل عمده در هنگام اندازه گیری هدایت تک مولکول فراهم کردن اتصالات تجدیدپذیر برای مولکول است. از نظر مفهومی یک روش ساده برای اندازه گیری هدایت تک مولکول ساختن دو الکترود رودرروی هم در یک لایه جامد و قرار دادن یک مولکول با لنگر مناسب طوری که بین دو الکترود پل بزند، است. همانطور که اندازه مولکول نسبت به الکترود کوچکتر است ، این مراقبت باید انجام شود که میانبر (shortcut ) بین الکترودها اتفاق نیفتد . این امر نیازمند ساخت الکترودهایی با فاصله مقیاس مولکولی است که نشان می دهد کاری دشوار است. تکنیک های مرسوم در میکرو و فوتولیتوگرافی نانو ساختارهای فعلی قادر به تولید شکاف الکترود که به اندازه کافی کوچک باشد، نیستند. بنابراین استراتژی جایگزینی در نظر گرفته شده است که امروزه برای اندازه گیری خواص الکترونیکی تک مولکول از آن استفاده می شود ( در ادامه یه توضیح آن پرداخته می شود ). علاوه بر این، ثابت شده است که اتصال قابل اعتماد تک مولکول به یک مدار در مقیاس بزرگتر یک چالش بزرگ است که یک مانع قابل توجه برای استفاده از چنین دستگاه هایی تا کنون بوده است .

 

 

 

 روش اسکن پروب ( کاوشگر ):

 

روشهایSTM و AFMنقش منحصر بفردی را در اندازه گیری مولکول بازی کرده اند. روش STM قادر به گرفتن تصویر مولکول های منفرد ( تنها یک مولکول ) جذب شده بر روی لایه رسانا ، با وضوح مولکولی است. اندازه گیری های الکتریکی برای تشخیص همزمان تعداد و نوع مولکول های آلی در اتصالات فلز-مولکول- فلز به همراه تجزیه و تحلیل هدایت تک مولکول و نمایش طیف تغییر ناپذیری تونل زنی الکترون با استفاده از شکست اتصالات کنتری مکانیکی نانو ساختارها انجام شد. نوک (tip of STM ) نیز می تواند برای دستکاری اتم ها و مولکول ها بر روی سطوح مورد استفاده قرار گیرد . اگر چه AFM به طور کلی دارای رزولوشن پایین تر از STMمی باشد ، اما می تواند هر دو خواص مکانیکی و الکتریکی تک مولکول را اندازه گیری کند .

 

http://www.nanotechnology.leeds.ac.uk/lennf/facilities/images/AFM3.JPG

 

 

 

http://www.csir.co.za/nano/images/Scanning_Tunnelling_Microscope1.jpg

 بخش سوم: شکست محل اتصال مکانیکی کنترل شده  

 

اتصال الکتریکی زمانی شکل می گیرد که با کشیدن سیم مجزا بدین صورت که دو الکترود که تنها به اندازه چند اتم از هم فاصله دارند متصل شوند؛ این را با نام اتصال شکسته  نام گذاری کرده اند (break

junction ) . در این تکنیک غالبا یک کریستال فیزوالکتریک (محرک،عملگر) برای تامین نیروی لازم کشیدن سیم های فلزی مجزا مورد استفاده قرار می گیرد. مواد فیزوالکتریک بصورت دقیق و کنترل شده می توانند در مقیاس اتمی کشش ایجاد کنند زمانی که به آن ولتاژ اعمال می شود با نتیجه حرکت مکانیکی متناسب است. این حرکت بعنوان یک اهرم فشار عمودی، زیر لایه (بستر) انعطاف پذیر افقی را خم می کند منجر به شکاف در مقیاس اتمی به صورت کنترل شده با شکستن سیم فلزی در بالای بستر می شود، که در شکستگی سیم، جداسازی بین دو الکترود می تواند با نیروی اعمالی در زیر لایه (بستر) کنترل شود ،در حالی که می توان بطور مداوم بر جریان الکتریکی در محل اتصال نظارت داشت.

 

 

یک تک مولکول در MCBJ نهشته شده توسط الکترودهای ناگسستنی ( نشکسته ) با یک لایه ی از مولکول ها و پس از آن سیم شکسته شده و الکترودها به کنار یکدیگر کشیده می شوند . این مولکول ها که بصورت زنجیری بین دو الکترود اند یک به یک شروع به جداسازی می کنند تا زمانی که تنها یک مولکول متصل باشد. شکل هندسی از نوک اتصالات الکترود در مقیاس اتمی دارای یک اثر در هدایت مولکولی می باشد و نتایج آزمایش در این امر با آزمایش دیگر متفاوت بوده بنابراین اندازه گیری های بسیاری از آنها گرفته شده است. یک آرایش محل اتصال با دقت در هندسه محل اتصال یکی از موضوعات اصلی این روش است. این اثر به طور مفصل در بخش بعدی شرح داده شده است.

 

 

تصویر SEM نشان می دهد یک سیم طلا( آزاد_ایستاده) در بالای یک لایه ازجنس استنلس استیل،پلییمید پوشش داده شده است.

 

 

 

بخش چهارم: دیگر اتصالات تک مولکول

 

برخی تکنیک های غیر متعارف دیگر برای ساخت الکترودها با فاصله مولکولی استفاده می شود. بعنوان مثال electromigration ، قلم زنی الکتروشیمیایی یا رسوب و دیگر روشهای نوین. چند الگو برای تهیه nanogaps  با استفاده از روش الکتروشیمیایی وجود دارد. این الگوها را می توان برای ساخت نانوسیم ها استفاده کرد. یک روش اتوماتیک ساده برای ساخت نانوسیم های پشتیبانی شده در بستر جامد با قلم زنی الکتروشیمیایی و رسوب شرح داده شده است . روش های ساخت در بسترهای عایق با استفاده از ترکیبی از روش لیتوگرافی چاپ و الکتروشیمیایی، برای رسیدن به جداسازی در مقیاس 1 نانومتر به دست آمده است. روش قلم زنی ایجاد شکاف تجدید پذیر با کنترل فاصله در سطح یک اتم را توصیف می کند. تورنو و همکارانش با بهره گیری از روس قلم زنی الکترودهای فلزیی با فواصل نانومتری دقیقآ از پیش تایین شده ساختند. کوباتین و همکارانش یک روش چند مرحله ای دیگر را برای مهیا کردن فاصله نانو مقیاس بین دو الکترود با استفاده از پوشش سایه برای واریز کردن الکترود طلا سرب پوش شده معرفی کردند . روش دیگری نیز هست که مقاله آن در سال 2005 بچاپ رسیده و بطور خلاصه  روشی است که در آن از طیف وسیعی از روش های خاص برای ایجاد شکاف الکترود در مقیاس نانو استفاده می شود . بسیاری از تکنیک هایی که وجود دارند هر یک  مزایا و کاستی های خود را دارند که برای هر نوع از اندازه گیری مناسب ترین روش باید انتخاب شود .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

فصل سوم:

تک مولکول

 

 

 

بعلت محدودیت های امروزی روش لیتیوگرافی چاپی و تقاضای مستمر برای قدرت محاسباتی بیشتر در مدارات با اندازه کوچک (سایز نانو) این احتمال می رود که یک روز الکترونیک مولکولی مورد استفاده روزمره قرار گیرد. یکی از ویژگی های مشترک برای ساختار مولکول های آلی که در الکترونیک مولکولی استفاده می شود این است که آنها حاوی یک یا تعدادی (دو یا سه برابر) پیوند متناوب باشند و به طور کلی بعنوان یک سیستم مزدوج تقسیم بندی شوند. عدم تمرکز در اوربیتال های مولکول این امکان را برای حرکت آزادانه الکترون ها به روی ناحیه مزدوج فراهم می سازد. این سازوکار در انواع مختلف از عملکرد مولکول ها در دستگاه های تک مولکول، مانند سیم، ترانزیستور، یکسو کننده، گیت های منطقی، سوئیچ و غیره وجود دارد.

 

 

 

 

مولکول کاروتن با پیوند های متناوب دو گانه، سنتز شده برای مطالعه خواص انتقال الکترون در تک مولکول ها

 

 

 

پیشرفتهای قابل توجهی برای پیشبرد الکترونیک مولکولی در سال های اخیر ایجاد شده است . مولکولها با ویژگی های الکترونیکی قوی، مانند سوئیچ ها، دیود و عناصر حافظه، خواص الکتریکی استواری را در طول آزمایش های مختلف (که هنوز مورد نیاز است ) نشان می دهند. تنوع ساختار مولکولی شامل اجزای مولکولی کاربردی به عنوان مثال اجزای ترانزیستور، یکسو کننده ها، سوئیچ ها، گیت های منطقی و غیره است که نیازمند مونتاز در سطح الکترود، اتصالات پایدار حرارتی و جفت الکتردهای الکترونیکی کاربردی است.

عوامل مختلفی هستند که رفتار مولکول ها و عملکرد الکترونیکی آنها را تحت تاثیر قرارمی دهند، از جمله ساختار مولکول، نوع دستگاه، روش ساخت دستگاه، مولکول دستگاه رابط، و نوع سطحی که وجود دارد . مقاومت اتصالات در الکترونیک مولکولی بشدت وابسته است به ساختار و سایز مولکول و روشی که مولکول را به سطح متصل می کند. طراحی محل اتصال مولکولی موجب توسعه بهبود عملکرد دستگاه، قابلیت تکثیر و همچنین کاهش انحراف در ویژگی های الکتریکی ذاتی می شود .

زاویه چرخش φ بین دو حلقه فنیل در مشتقات biphenyl-dithiol نیز در رسانایی  مولکول تاثیر می گذارد. هدایت در اتصالات مولکولی تقریبا با مربع کسینوس زاویه چرخش بین دو حلقه بنزن از هسته biphenyl متناسب است. نقش اتصالات گوگرد_ طلا و ساختار مولکولی از قبیل نقص در زنجیره آلکین و زاویه چرخش بین دو حلقه فنیل با  جزئیات در سطح مولکولی که منجر به درک درستی از ساختار الکترونیکی و ویژگی های حمل و نقل می شود، نشان داده شده است. مولکولهای Redox-active مانند مشتقات thiol-terminated رفتاری مشابه رفتار ترانزیستور یا دیود از خود نشان می دهند .

 

 

 

1.سیم های مولکولی

 

سیم های مولکولی مولکول هایی هستند که جریان الکتریکی را هدایت می کنند . آنها یکی از آن بلوک های ساختمانی اساسی برای دستگاه های الکترونیکی مولکولی می باشند. به عنوان یک قانون کلی، رسانایی بالاتر از سیستم های بسیار مزدوج نشات می گیرد . تنها هدف از سیم های مولکولی این است که از نظر الکتریکی اتصال قطعات مختلف از یک مدار الکتریکی مولکولی را میسر سازند. آن ها از یک واحد مولکولی متصل به دو منبع پیوسته از الکترون ها که معمولا الکترودهای فلزی است تشکیل شده اند. در اتصالات هدایت مولکولی، ارتباط بین مولکول و الکترودها تا حد زیادی تحت تاثیر ویژگیهای جریان ولتاژ  قرار می گیرد. مشکل اصلی با سیم های مولکولی یافتن راهی برای به دست آوردن تماس (اتصال) الکتریکی خوب با الکترود است به طوری که الکترون بتواند آزادانه در داخل و خارج از سیم حرکت کند. اتصالات (linkers) برای اطمینان از انتقال تجدیدپذیر و محل اتصالی با ویزگی های مطلوب باید پیوند کووالانسی داشته باشند. پژوهشهای اخیر در الکترونیک تک مولکول به طور عمده نگران  تیول و آمین مولکول است که چگونه می تواند به طلا یا پلاتین( nanoelectrodes ) آن ها را حال متصل  کند . به تازگی، خواص الکتریکی oligoenes به عنوان سیم های مولکولی با استفاده از روش شکستن محل اتصال بر اساس اسکن میکروسکوپ تونل زنی اندازه گیری شده است.

رسانش الکتریکی را می توان از طریق مولکول با تنظیم زنجیر ه ی oligoene متصل به الکترود تنظیم کرد . نتیجه وسیله ای است که به صورت یک پتانسیومتر در حد تک مولکول است . porphyrin oligomers  مزدوج، نمونه ای دیگر از سیم های مولکولی را تشکیل می دهند ، که دارای خواص الکترو_ نوریو خواص نوری غیر خطی فوق العاده ای اند . سیم oligophenylenetriazole مزدوج که خواص الکتریکی آن با طول زنجیره متفاوت مشخص می شود نیز ساخته شده است. تاثیر طول مولکولی، درجه حرارت و ولتاژ اعمال شده بر روی خواص انتقال مانند سیم از اهمیت خاص است. خانواده های امیدوار کننده از سیم های مولکولی هیدروکربن مزدوج، نانولوله های کربنی، oligomers پورفیرین و DNA می باشند .

 

 

http://research.chem.ox.ac.uk/Data/Sites/4/handerson/polyrotaxane.jpg

 

 

 

 

 

 

2.ترانزیستور

 

ترانزیستور یک ابزار نیمه هادی است ، که برای تقویت و سوئیچ سیگنالهای الکترونیکی و قدرت استفاده می شود . ترانزیستور تک مولکول با نمونه هایی که تا بحال در علم الکترونیک شناخته شده اند متفاوت اند . الکترود گیت در یک ترانزیستور معمولی با کنترل چگالی حامل های بار تعیین کننده رسانایی بین الکترود منبع (source ) و تخلیه (drain ) است ، یا به عبارت دیگر، یک ولتاژ بر روی الکترود گیت  می تواند باعث جاری شدن جریان بین الکترود های منبع و تخلیه شود. الکترود گیت در یک ترانزیستور تک مولکول با تغییر انرژی HOMO  و LUMO  اوربیتالی مولکول را احتمال پرش به  داخل و خارج یک الکترون را از مولکول کنترل می کند . در نتیجه، یک ترانزیستور تک مولکول دارای کاراکتر (شخصیت) دوتایی می شود، به عنوان مثال یا روشن است و یا خاموش ، در نتیجه با همتایان خود که پاسخی با شکل درجه دوم به ولتاژ گیت دارند متفاوت است . زمانی که سیم های مولکولی را از لحاظ سطح فرمی انرژی مقایسه می کنیم ملاحظه می شود که یکسان نیستند. اگر سطح انرژی فرمی الکترود با تک مولکول یکسان باشد نمی توان الکترون را بر روی الکترد یا مولکول قرار داد ( مانع عبور آن شد ) در نتیجه سیستم مانند یک سیم عمل خواهد کرد .

راهگاهی اوربیتال مولکولی توسط یک ترانزیستور تک مولکول اخیرا مشاهده شده است. ترانزیستور که یک مولکول 1،4-benzenedithiol متصل به الکترود طلا است می تواند درست مثل یک ترانزیستور سیلیکون رفتار کند. حالت های (سطوح) مختلف انرژی مولکول را می توان با تغییر ولتاژی از طریق الکترود منبع و چاه که به آن اعمال می شود دستکاری کرد، و یا با تغییر سطوح انرژی توسط یک الکترود گیت، جریان عبوری از مولکول را می توان کنترل نمود .

 

 

 

 

 

 

3.رکتیفایر

 

یک دستگاه الکتریکی است که جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل می کند و به عنوان یکسو کننده (Rectifiers ) نامیده می شود و این فرآیند به عنوان اصلاح (rectification ) شناخته می شود. یکسو کننده ها به طور کلی از دیودهای حالت جامد، دیود لامپ خلاء، دریچه های قوس جیوه و دیگر قطعات ساخته می شوند. تقریبا تمام یکسو کننده از تعدادی از دیودها با یک برنامه ریزی خاص برای تبدیل موثر AC به  DC ، ساخته شده اند که این امر با تنها یک دیود ممکن نیست. زمانی که مولکولها به طریقی که بتوانند الکترون را از یک سمت بپذیرند و در عین حال در سمت دیگر از پذیرش الکترون خودداری کنند، سنتز شوند پس از آن می توان به چنین مولکول هایی ، مولکول های یکسو کننده گفت. این یکسو کننده های مولکولی شبیه بخش عمده ای از همتایان خود (دیگر انواع یکسوکننده ها) می باشند. این مولکول ها باید در یک سمت خود بخش پذیرنده الکترون و در سمت دیگر بخش دهنده الکترون را تشکیل دهند. انتظار می رود جریان الکترون برای عبور تنها از بخش پذیرنده مولکول به سمت بخش دهنده از مولکول شارش کند.

پذیرنده ی الکترون (فقر_الکترون) واحدی از مولکول است که الکترون را باز می گیرد . از طرف دیگر دهنده ی الکترون (غنی_الکترون) واحدی از مولکول است که چگالی پی_الکترون در آن زیاد است و این واحد پتانسیل یونیزاسیون را کاهش می دهد . نتیجه این است که یک جریان الکتریکی  می تواند از طریق مولکول کشیده شود اگر الکترون در انتهای مولکول از طریق کاتد به قسمت پذیرنده اضافه شود. اما اگر الکترون به انتهای قسمت دهنده مولکول اضافه شود جریان الکتریکی نمی تواند از طریق مولکول عبور کند. یک مثال نظری کلاسیک از یک یکسو کننده های مولکولی شامل tetracyanoquinodimethane (TCNQ) به عنوان قسمت پذیرنده و tetrathiofulvalene (TTF ) به عنوان قسمت دهنده مولکول وجود دارد . مثال دیگر از دیود مولکولی dipyrimidinyl diphenyl است که رفتار به عنوان یک یکسو کننده های مولکولی در دمای اتاق دارد. توده dipyrimidinyl دارای ساختار کمبود_الکترون است وگروه diphenyl دارای ساختار غنی_الکترون است ،در نتیجه دیاگرام انرزی چنین ساختاری یاداور یک اتصال  pn کلاسیک است .

 

 

 

 

 

 

 

4.سوئیچ های مولکولی

 

سوئیچ های مولکولی مولکولهایی هستند که می توانند انتقالی برگشت پذیر بین دو حالت یا بیشتر داشته باشند. سوئیچ مولکولی مورد توجه در زمینه فناوری نانو برای استفاده در رایانه های مولکولی می باشد. سوئیچ های مولکولی فتوکرومیک قادر به سوئیچ بین تنظیمات الکتریکی ( صفر_یک منطقی ) در زمان تابش نور با طول موج های خاص هستند. هر حالت ( صفر_یک منطقی ) دارای جذب خاص حداکثری است که می توان مقدار آن را توسط طیف سنجی  UV-VIS بدست آورد. در کل سوئیچ مولکولی متشکل از واحدهای متصل شده ای است که به عنصر سوئیچینگ متصل شده اند . با تابیدن فرکانس های خاص نور به مولکول پیوند کووالانسی میان عناصر سوئیچینگ از نو ارنج می شود و این ترکیب در میان مولکول می تواند حالت های روشن و خاموش را ایجاد کند. جزء جایگزین دهنده / پذیرنده در سوئیچ مولکولی نیز نقش مهمی در حمل و نقل الکترونیکی دستگاه های مولکولی بازی می کند. همچنین تک مولکول پورفیرین، پایه آزاد  tetraphenyl-porphyrin متصل به یک سطح نقره ای نشان داده است که به عنوان یک سوئیچ هدایت مولکولی عمل می کند.

 

 

 

http://www.physics.mcgill.ca/~SPM/JEOL/images/fig1.jpg

 

 

 

5.گیت های منطقی مولکولی

 

گیت منطقی مولکولی یک مولکول است که وظیفه آن انجام یک عملیات منطقی روی یک یا چند ورودی منطقی و تولید یک خروجی منطقی است. این ماشین مولکولی moleculators نامیده می شود، چرا که از ابزار های سودمند بالقوه خود در محاسبات ساده ریاضی استفاده می کند . گیت های منطقی مولکولی با سیگنال های ورودی بر اساس فرآیندهای شیمیایی و با سیگنال خروجی بر اساس طیف سنجی کار می کنند . اخیرآ در یک مثال نشان دادیم که مولکول trinaphthylene دارای عملکرد گیت منطقی است، که توسط اسکن طیف سنجی تونل مشخص شد.

 

 

 

 

 

نتیجه گیری :

 

الکترونيک مولکولي يک ايده‌ي جالب و بسيار هيجان‌انگيز براي پشت سر گذاشتن محدوديت‌هاي نانوالکترونيک و نزديک شدن به مقياس بسيار کوچک مولکول‌ها است. تلاش براي رسيدن به سرعت بیشتر در پردازشگر مرکزي رايانه‌ها و نيز ساخت حافظه‌هاي بزرگ‌تر از يک سو و کشف رفتار شگفت‌انگيز مولکول‌ها از سوي ديگر، دانشمندان و غول‌هاي عظيم صنعت الکترونيک را ترغيب به پژوهش و توسعه در حوزه‌ي الکترونيک مولکولي مي‌کند .

دانلود فایل مرتبط با خبر :
Share
ارسال نظر
نام و نام خانوادگی :(اختیاری)پست الکترونیک :(اختیاری)
نظر شما :    
لطفا حاصل عبارت زیر را در باکس روبرو وارد کنید:
= ۴ + ۱۱ ارسال
393951