Date post: | 02-Jul-2015 |
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Elettronica molecolare (molectronics)
ibrido molecolare
molecolare-molecolare
Elettronica molecolare
Elettronica molecolare : studio dei processi elettrici e elettronici misurati o controllati su scala molecolare.
L’elettronica molecolare si basa su processi che riguardano una molecola, o poche molecole.Questo implica “raggiungere e toccare”singole molecole con elettrodi e sfruttare le loro strutture per controllare il flusso di segnali elettrici.
Christian Joachim; Nature, Vol. 408 2000
Una nuova tecnologia che usa le molecole per svolgere le funzioni di un componente elettronico
LEGO molecolare
Elettronica molecolare
Molecole come dispositivi elettronici: sviluppi storici
•1970: Dispositivi a molecola singola?
• Negli anni ’70 le tecniche di sintesi organica si sviluppanosuggerendo l’idea che la funzionedel dispositivo può essere realizzatain una singola molecola.
• Aviram e Ratner suggeriscono un rettificatore su scala molecolare. (Chem. Phys. Lett. 1974)
• Tuttavia non dicono come questamolecola possa essere incorporatain un circuito o dispositivo.
• 1980: Rivelazione della singolamolecola.
• Visualizzazione a livellomolecolare.
• Manipolazione a livellomolecolare.
• Scanning Probe Microsopy. • STM (IBM Switzerland, 1984)• AFM
1990: Dispositivi a singola molecola.
• Nuove tecniche di imaging e di manipolazione
• Tecniche di sintesi e caratterizzazione avanzate
• Avanzamenti nel Self-Assembly e nella chimicamacroscopica/supramolecolare
La domanda fondamentale è:
“Come si possono sintetizzare e assemblare le molecole in struttureche funzionano nello stesso modo dei dispositivi elettronici allo statosolido in silicio e come si possono integrare queste strutture nel regime macroscopico?”
Basi delle proprietà di trasporto in molecole organiche
Legami σ tra orbitali ibridizzati sp3
localizzazione elettroni
carattere isolante
Legami π tra orbitali ibridizzati sp2
“delocalizzazione” elettroni
carattere semiconduttore
Un materiale organico può essere semiconduttore
Benzene: elettroni π delocalizzati
Molecole coniugate : Alternanza di legami singoli e doppi. Overlap degli orbitali π si estende lungo tutta la molecola.
Poliacetilene, polimero conduttore σ ~ 10–4
→ 103 Ω-1cm-1 (drogato)
LUMO & HOMO
LUMOLowest Unoccupied Molecular Orbital → Banda di conduzione
HOMOHighest Occupied Molecular Orbital → Banda di valenza
Molecular Wires
I molecular wires possono essere definiti come specie molecolari unidimensionalicapaci di condurre elettroni. Anche l’energia elettronica può essere trasferita (molecularphotonic wires)
Esempi di fili molecolari basati su lunghe molecole coniugate
Filo molecolare
Setup per la misura del rate di trasferimento elettronico in specie molecolari
Trasferimento di elettroni in molecole donatore-accettore
Giunzioni
Giunzioni con monostrato molecolare Giunzioni con molecole singole
Tre strutture di giunzioni basate su SAM, film LB e legame irreversibile con il substrato. In tutti i casi la giunzione è completata dall’aggiunta di un elettrodo superiore, a volte con un legame covalente come mostrato per il cluster d’oro sul SAM ditiolo.
Un modo di studiare le proprietà di conduzione di singole molecole (sistema a 2 terminali) èquello di usare i microscopi a scansione di sonda.
• Permette un posizionamento altamente controllato degli elettrodi ricoperti in precedenza di molecole.
• Si possono ottenere curve I-V per le singole molecole.
• Si possono esaminare velocemente molte molecole
Scanned probe microscopy: STM
Mechanically-Controlled Break Junction
Resistenza alcuni megaohms
Giunzione molecolare
Tipiche caratteristiche I(V), che mostrano un gap di 0.7 V, e la derivata prima G(V)(conduttanza), che mostra una struttura a gradino
Mechanically Controlled Break Junctions
Correlazione fra trasporto elettronico e struttura molecolareSono state confrontate mechanical break junctions che contengono molecole di 9,10-bis(feniletinil)antracene. La posizione del tioloviene variata da meta a para.La mancanza di un cammino completamente coniugato nella molecola legata in meta riduce in modo significativo la comunicazione elettronica fra gli elettrodi metallici e la molecola rispetto a dati analoghi ottenuti con la molecola legata da un para-tiolo. In particolare, l’immobilizzazione della molecola con il tiolo in posizione metafornisce curve I-V con correnti almeno due ordini di grandezza inferiori dei valori misurati per la molecola in posizione para.
meta
para
Mechanically Controlled Break Junctions
Mechanical Break Junction
Inizialmente si ha un filo intatto, precedentemente ricoperto di un monostrato auto-assemblato (SAM) della molecola di interesse.
Viene rotto in UHV e si lasciano riarrangiare le molecole.
Si riavvicina la giunzione per fare le misure, sapendo qual è la tensione del piezocui corrisponde la giusta spaziatura fra gli elettrodi.
Fabbricazione di un nanoporo
Non si tratta di una tecnica di molecola singola - più verosimilmente ~ 1000 molecole in parallelo.
Sviluppato per studiare giunzioni metalliche del diametro di ~ 10-30 nm.
Nanopore Molecular Junctions
Curva I-V per un nanopore moleculardiode a temperatura ambiente
Lo spaziatore crea la barriera
Il tunneling intramolecolare controlla la corrente fra due elettrodi creando un
elemento rettificante
Comportamento rettificante (diodi)
Proposta di Aviram e Ratner 1974
Analogo strutturale della giunzione p-n di Si
Rettificatore molecolare
D-σ-A : giunzione p-n unimolecolare
“D”: donore, energia di ionizzazione (IP) relativamente bassa“σ”: ponte isolante“A”: accettore, affinità elettronica (EA) relativamente alta
il trasferimento risonante è possibilequando l’energia di Fermi del contatto 2 (M2) è in risonanza con il LUMO della parte A, e l’HOMO della parte D è risonante con l’energia di Fermi del contatto 1 (M1)
Il trasferimento intramolecolare è dovuto al tunneling anelastico dallo stato elettronico eccitato D+-σ-A- allo stato fondamentaleD0-σ-A0.
Il meccanismo consiste in due trasferimenti risonanti attraverso le interfacce metallo-molecola :
Seguito da un trasferimento anelastico intramolecolare:
• Lunghezza molecola ~ alcuni nm• difficoltà di fabbricazione
Esperimento di Metzger (1997)