분자 전자 공학

Molecular electronics
분자 내 전자 분포에 대한 양자역학 연구는 스테레오 전자공학을 참조한다.

분자 전자 공학은 전자 부품의 제조를 위한 분자 구성 요소의 연구와 응용입니다.그것은 물리, 화학, 재료 과학을 포괄하는 학문 간 영역이다.통합된 특징은 분자 구성 요소를 사용하여 전자 부품을 제작하는 것입니다.분자 수준의 특성 제어에 의해 제공되는 전자제품의 크기 감소 전망 때문에, 분자 전자제품은 많은 흥분을 불러일으켰다.이는 소규모 실리콘 집적회로의 예측 한계를 넘어 [1]무어의 법칙을 확장할 수 있는 잠재적 수단을 제공합니다.

분자 스케일 전자 공학

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단일 분자 전자라고도 불리는 분자 규모 전자 공학은 나노 기술의 한 분야로, 단일 분자 또는 단일 분자의 나노 크기 집합을 전자 부품으로 사용합니다.단일 분자가 가능한 한 가장 작은 안정적인 구조를 구성하기 때문에, 이러한 소형화는 전기 회로를 수축시키는 궁극적인 목표입니다.

기존의 전자 장치는 전통적으로 벌크 재료로 만들어집니다.벌크 방식에는 고유의 한계가 있으며 점점 더 까다로워지고 비용이 많이 듭니다.따라서, 부품은 대량 재료(위아래)로 조각하는 것이 아니라 화학 실험실에서 원자별로 조립할 수 있다는 아이디어가 탄생했습니다.단분자 전자제품에서 벌크 재료는 단분자로 대체된다.즉, 패턴 골격 후에 재료를 제거하거나 도포하여 구조를 만드는 것이 아니라, 원자를 화학 실험실에서 조립하는 것이다.사용되는 분자는 와이어, 트랜지스터 또는 정류기와 같은 전통적인 전자 부품과 유사한 특성을 가지고 있습니다.분자를 전통적인 전자 부품으로 사용하는 이러한 개념은 1974년 Aviram과 Ratner가 서로 [2]절연된 기증자와 수용체 부위로 구성된 이론적인 분자 정류기를 제안했을 때 처음 제시되었습니다.

단분자 전자제품은 새로운 분야로, 분자 크기의 화합물만으로 이루어진 전자회로 전체가 실현되려면 아직 멀었다.그러나 컴퓨팅 파워의 향상에 대한 지속적인 요구와 현재의 리소그래피 방식의 본질적인 한계로 인해 이행을 피할 수 없는 것으로 보입니다.현재, 흥미로운 성질을 가진 분자를 발견하고 분자 성분과 전극의 벌크 물질 사이에 신뢰할 수 있고 재현 가능한 접촉을 얻는 방법을 찾는 데 초점이 맞춰져 있습니다.

분자 전자 공학은 100나노미터 미만의 거리의 양자 영역에서 작동합니다.단일 분자로 축소하면 양자역학 효과가 중요한 수준으로 축소됩니다.전자가 연속 전하의 흐름처럼 충전 또는 인출될 수 있는 기존 전자부품과는 달리 단일 전자의 전달은 시스템을 크게 변화시킨다.충전으로 인한 상당한 양의 에너지는 설정의 전자 특성을 계산할 때 고려해야 하며 근처의 전도 표면과의 거리에 매우 민감합니다.

로탁산의 그래픽 표현으로, 분자 스위치로 유용합니다.

단일 분자에 대한 측정에서 가장 큰 문제 중 하나는 전극을 단축하지 않고 한 분자와만 재현 가능한 전기적 접촉을 확립하는 것입니다.현재의 포토 리소그래피 기술은 테스트된 분자의 양 끝에 닿을 정도로 작은 전극 틈을 낼 수 없기 때문에 (나노미터의 순서로) 대체 전략이 사용됩니다.여기에는 얇은 전극이 끊어질 때까지 늘어나는 절단 접합이라고 불리는 분자 크기의 간격이 포함됩니다.갭 사이즈 문제를 극복하는 방법 중 하나는 분자 기능화 나노입자(internanopicle space는 분자의 크기와 일치 가능)와 이후 표적 분자를 장소 교환 [3]반응에 의해 포착하는 것이다.또 다른 방법은 주사터널링현미경(STM)의 끝을 이용해 금속기판에 [4]부착된 분자와 접촉하는 것이다.전극에 분자를 고정시키는 또 다른 인기 있는 방법은 금에 대한 황의 높은 화학적 친화력을 사용하는 것입니다; 유용하지만, 고정은 비특이적이고 따라서 분자를 모든 금 표면에 무작위로 고정시킵니다, 그리고 접촉 저항은 고정 장소 주변의 정확한 원자 구조에 크게 의존합니다.는 접속 재현성을 훼손합니다.후자의 문제를 피하기 위해,[5] 실험들은 황의 단일 원자보다 더 많은 원자와 동시에 전기적으로 접촉할 수 있는 큰 복합 δ계 때문에 황 대신 풀레렌이 사용하기에 좋은 후보일 수 있다는 것을 보여주었다.금속 전극에서 반도체 전극으로의 전환은 더 많은 맞춤 특성을 가능하게 하며, 따라서 더 흥미로운 응용 분야를 가능하게 합니다.반도체 전용 전극을 사용하여 유기 분자를 접촉시키는 몇 가지 개념이 있는데, 예를 들어 [6]분자에 의해 브리징되는 전자 장벽으로 사용되는 넓은 밴드갭 재료 인듐 인화물의 내장 세그먼트를 사용하여 비소화 인듐 나노와이어를 사용한다.

단분자 전자제품이 상업적으로 이용되는 가장 큰 장애물 중 하나는 분자 크기의 회로를 벌크 전극에 연결할 수 있는 수단이 없다는 것입니다.또한 문제는 단일 분자에 대한 일부 측정이 절대 0에 가까운 극저온 온도에서 이루어지며 이는 매우 에너지를 소비한다는 것입니다.

역사

역사상 분자 전자공학이 처음 언급된 것은 1956년 독일의 물리학자 아르투르 [7]폰 히펠이 제안한 것으로, 그는 분자 공학이라고 이름 붙인 아이디어인 조립식 재료를 사용하는 대신 원자와 분자로 전자학을 발전시키는 상향식 절차를 제안했다.그러나 이 분야의 첫 번째 돌파구는 [8]1974년 라트너와 아비람의 기사에 의해 많은 사람들에 의해 고려되고 있다.분자 정류기라는 이 기사에서, 그들은 기본적으로 반도체 다이오드처럼 한 방향으로만 운반할 수 있는 기증자 수용체 그룹을 가진 변형된 전하 전달 분자를 통한 수송의 이론적 계산을 제시했다.이것은 분자 전자 공학 분야에서 수년간의 연구에 영감을 준 획기적인 발전이었다.

전자제품용 분자재료

상세 정보:도전성 고분자 및 유기 전자제품
일부 전도성 고분자의 화학적 구조.왼쪽 위부터 시계방향으로 폴리아세틸렌, 폴리페닐렌비닐렌, 폴리피롤(X=NH) 및 폴리티오펜(X=S), 폴리아닐린(X=NH/N) 및 폴리페닐렌황화물(X=S).

전도성 고분자의 가장 큰 장점은 주로 분산에 의한 가공성입니다.전도성 고분자는 플라스틱이 아닙니다. 즉, 열성형할 수 없지만 (절연성) 고분자와 같은 유기 중합체입니다.높은 전기 전도율을 제공할 수 있지만 상업적으로 사용되는 다른 폴리머와 다른 기계적 특성을 가지고 있습니다.전기적 특성은 유기 합성[9] 및 고급 [10]분산 방법을 사용하여 미세 조정할 수 있습니다.

폴리아세틸렌, 폴리피롤, 폴리아닐린과 같은 선형 백본 중합체는 전도성 중합체의 주요 종류입니다.폴리(3-알킬티오펜)는 태양전지와 [9]트랜지스터의 전형적인 물질이다.

전도성 폴리머는 연속된2 sp 혼성 탄소 중심부의 백본을 가진다.각z 중심에서 하나의 원자가 전자는 다른 세 개의 시그마 결합과 직교하는 p 오비탈에 있습니다.이러한 비국재화 궤도의 전자는 물질이 산화에 의해 도핑될 때 이동성이 높아 이러한 비국재화 전자 중 일부를 제거합니다.따라서 켤레 p-오비탈은 1차원 전자 밴드를 형성하고, 이 밴드 내의 전자는 부분적으로 비워질 때 이동한다.집중적인 연구에도 불구하고 형태학, 체인 구조 및 전도율 간의 관계는 아직 [11]잘 알려져 있지 않습니다.

전도성 고분자는 가공성이 낮기 때문에 대규모 적용이 거의 없습니다.정전기[9] 방지 재료에서 어느 정도 가능성이 있고 상업용 디스플레이와 배터리에 내장되어 있지만, 생산 비용, 재료 불일치, 독성, 용제의 용해성 저하, 직접 용해 공정의 능력 부족으로 인해 한계가 있었습니다.그럼에도 불구하고 전도성 폴리머는 전기 및 물리적 특성이 향상되고 비용이 절감되는 가공 가능한 재료로 새로운 용도로 빠르게 주목받고 있습니다.폴리(3,4-에틸렌디옥시티오펜)(PEDOT)와 폴리아닐린은 안정적이고 재현 가능한 분산이 가능해짐에 따라 몇 가지 대규모 용도를 얻었다.PEDOT는 주로 정전기 방지 용도로 사용되며 PEDOT 및 폴리스티렌 술폰산(PSS, 혼합 형태: PEDOT:PSS) 분산, 폴리아닐린은 구리를 부식으로부터 보호하고 납땜성을 [10]방지하기 위해 최종 마감 시 프린트 회로 기판을 만드는 데 널리 사용됩니다.새로운 나노구조 형태의 전도성 폴리머는 높은 표면적과 더 나은 분산성으로 이 분야에 새로운 자극을 제공합니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Petty, M.C.; Bryce, M.R. & Bloor, D. (1995). Introduction to Molecular Electronics. New York: Oxford University Press. pp. 1–25. ISBN 0-19-521156-1.
  2. ^ Aviram, Arieh; Ratner, Mark A. (15 November 1974). "Molecular rectifiers". Chemical Physics Letters. 29 (2): 277–283. Bibcode:1974CPL....29..277A. doi:10.1016/0009-2614(74)85031-1.
  3. ^ Jafri, S. H. M.; et al. (2010). "Assessment of a nanoparticle bridge platform for molecular electronics measurements". Nanotechnology. 21 (43): 435204. Bibcode:2010Nanot..21Q5204J. doi:10.1088/0957-4484/21/43/435204. PMID 20890018.
  4. ^ Gimzewski, J.K.; Joachim, C. (1999). "Nanoscale science of single molecules using local probes". Science. 283 (5408): 1683–1688. Bibcode:1999Sci...283.1683G. doi:10.1126/science.283.5408.1683. PMID 10073926.
  5. ^ 소렌센, J.K. 웨이백 머신에 2016-03-29 아카이브 완료.(2006)."분자 전자공학을 위해 (60)풀레렌으로 기능하는 새로운 구성 요소의 합성"제4회 연차총회 - CONT 2006, 코펜하겐 대학교.
  6. ^ Schukfeh, Muhammed Ihab; Storm, Kristian; Mahmoud, Ahmad; Søndergaard, Roar R.; Szwajca, Anna; Hansen, Allan; Hinze, Peter; Weimann, Thomas; Fahlvik Svensson, Sofia; Bora, Achyut; Dick, Kimberly A.; Thelander, Claes; Krebs, Frederik C.; Lugli, Paolo; Samuelson, Lars; Tornow, Marc (2013). "Conductance Enhancement of InAs/InP Heterostructure Nanowires by Surface Functionalization with Oligo(phenylene vinylene)s". ACS Nano. 7 (5): 4111–4118. doi:10.1021/nn400380g. PMID 23631558.
  7. ^ AR Von Hippel, 분자과학 및 분자공학 - 1959 doi:10.1063/1.3060522
  8. ^ 분자 정류기 아리 에이비람, 마크 ARatner, 화학물리학 서신, 1974년 11월 15일, 277-283 페이지 doi:10.1016/0009-2614(74)85031-1
  9. ^ a b c 헤르베르트 나르만 "고분자, 전기 전도" (Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry 2002 Wiley-VCH, Weinheim).doi: 10.1002/14356007.a21_429
  10. ^ a b 나노구조재료 및 나노테크놀로지 핸드북; Nalwa, H.S., Ed.; 학술신문:뉴욕, 뉴욕, 미국, 2000; 제5권, 페이지 501-575.
  11. ^ 스코트하임, T., 엘센바우머, R., 레이놀즈, J., 에드고분자 전도 핸드북, 제2판Marcel Dekker, Inc.:뉴욕, 뉴욕, 미국, 1998

추가 정보

외부 링크