분자 스케일 전자 공학

Molecular scale electronics
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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 상상할 수 있는 가장 작은 안정적인 구조를 구성하기 때문에, 이러한 소형화는 전기 회로를 수축시키는 궁극적인 목표입니다.

이 분야는 종종 단순히 "분자 전자학"이라고 불리지만, 이 용어는 물질의 부피 특성에 영향을 미치는 분자의 특성을 사용하는 전도성 고분자 및 유기 전자학의 원거리 관련 분야를 지칭하는 데에도 사용됩니다.명명법의 구별이 제안되어 전자제품용 분자 재료는 이 벌크 응용분야의 후자를 지칭하는 반면, 분자 스케일 전자제품은 여기서 [1][2]취급되는 나노 규모의 단일 분자 응용분야를 지칭한다.

기본 개념

기존의 전자제품은 전통적으로 벌크 재료로 만들어져 왔다.1958년 발명 이후 임베디드 부품의 특징 크기가 줄어들면서 집적회로의 성능과 복잡성은 기하급수적으로 증가해 왔습니다.구조가 축소됨에 따라 편차에 대한 민감도가 높아집니다.몇 세대의 테크놀로지에서는, 디바이스의 구성을 몇 개의[3] 원자의 정밀도로 제어해, 디바이스가 동작하도록 할 필요가 있습니다.고유한 한계에 가까워짐에 따라 벌크 방법이 점점 더 까다롭고 비용이 많이 드는 가운데, 구성 요소를 벌크 재료(위아래)로 조각하는 대신 화학 실험실에서 원자별로 조립할 수 있다는 아이디어가 탄생했습니다.이것은 분자 전자 공학 뒤에 있는 아이디어이며, 궁극적인 소형화는 단일 분자에 포함된 성분입니다.

단분자 전자제품에서 벌크 재료는 단분자로 대체된다.패턴 골격 뒤에 재료를 제거하거나 도포하여 구조를 형성하는 대신, 원자를 화학 실험실에 조립합니다.이런 방식으로, 분자의 구성이 마지막 원자까지 제어되는 동안 수십억 개의20 복사본이 동시에 만들어집니다.사용되는 분자는 와이어, 트랜지스터 또는 정류기와 같은 전통적인 전자 부품과 유사한 특성을 가집니다.

단분자 전자제품은 새로운 분야로, 분자 크기의 화합물만으로 이루어진 전자회로 전체가 [citation needed]실현되려면 아직 멀었다.그러나 더 많은 컴퓨팅 파워에 대한 끊임없는 수요와 2016년 현재 리소그래피 방식의 고유한 한계로 인해 전환은 불가피해 보입니다.현재, 흥미로운 성질을 가진 분자를 발견하고 분자 성분과 [citation needed]전극의 벌크 물질 사이에 신뢰할 수 있고 재현 가능한 접촉을 얻는 방법을 찾는 데 초점이 맞춰져 있습니다.

이론적 근거

분자 전자 공학은 100나노미터 미만의 거리의 양자 영역에서 작동합니다.단일 분자로의 소형화는 양자역학 효과가 중요한 단계로 규모를 축소합니다.종래의 전자 부품에서는, 전자의 연속적인 흐름과 같이, 전자를 충전 또는 인출할 수 있다.이와는 대조적으로, 분자 전자 공학에서는 하나의 전자가 전달되면 시스템이 크게 변화합니다.예를 들어, 전자가 소스 전극에서 분자로 전달되면 분자가 충전되어 다음 전자가 전달되기 훨씬 어려워집니다(쿨롱 차단 참조).충전으로 인한 상당한 양의 에너지는 설정의 전자 특성을 계산할 때 고려해야 하며, 근처의 전도 표면과의 거리에 매우 민감합니다.

단일 분자 소자의 이론은 특히 흥미로운데, 이는 고려 중인 시스템이 (전압에 의해 구동되는) 평형이 아닌 개방 양자 시스템이기 때문이다.저바이어스 전압상태에서는 분자접점의 비균형성을 무시할 수 있으며 시스템의 평형전자구조를 이용하여 장치의 전류전압특성을 계산할 수 있다.그러나 더 강한 편향 체제에서는 더 이상 변동 원리가 없기 때문에 보다 정교한 치료가 필요하다.탄성터널링 케이스(통과전자가 시스템과 에너지를 교환하지 않는 경우)에서는 롤프 란다우어의 형식주의를 사용하여 바이어스 전압, 즉 전류의 함수로서 시스템을 통한 전달을 계산할 수 있다.비탄성 터널링에서는 레오 카다노프와 고든 베이름의 비균형 그린 기능에 기초한 우아한 형식주의가 네드 윙그린과 이갈 메이어에 의해 독립적으로 추진되었다.이 Meir-Wingscreen 제형은 분자 전자계에서 큰 성공을 거두는 데 사용되어 과도 전자가 분자 시스템과 에너지를 교환하는 더 어렵고 흥미로운 사례를 조사합니다(예를 들어 전자-폰 커플링 또는 전자 들뜸을 통해).

또, 단일 분자를 보다 큰 규모의 회로에 확실히 접속하는 것은 큰 과제가 되고 있어 상용화에 큰 장애가 되고 있다.

예

분자 전자 공학에서 사용되는 분자의 공통점은 구조가 많은 교대로 이중 결합과 단일 결합을 포함하고 있다는 것입니다(공역 체계 참조).이는 그러한 패턴이 분자 궤도를 비국소화시켜 전자가 공역 영역 위를 자유롭게 이동할 수 있게 하기 때문입니다.

와이어

이 회전하는 카본 나노튜브의 애니메이션은 3D 구조를 보여준다.

분자 전선의 유일한 목적은 분자 전기 회로의 다른 부분을 전기적으로 연결하는 것입니다.이것들과 거시적 회로에 대한 그들의 연결이 아직 숙달되지 않았기 때문에, 단일 분자 전자학에서의 연구의 초점은 주로 기능화된 분자에 있다: 분자 와이어는 기능적인 그룹을 포함하지 않는 것이 특징이며, 따라서 공역 구성 블록의 단순한 반복으로 구성된다.이들 중 탄소나노튜브는 다른 제안들에 비해 상당히 크지만 매우 유망한 전기적 특성을 보여 왔다.

분자 와이어의 주요 문제는 전자가 와이어 안팎으로 자유롭게 이동할 수 있도록 전극과 전기적으로 접촉하는 것입니다.

트랜지스터

단분자 트랜지스터는 벌크 일렉트로닉스에서 알려진 것과 근본적으로 다릅니다.기존의 (전계효과) 트랜지스터의 게이트는 소스 전극과 드레인 전극 사이의 전하 캐리어의 밀도를 제어함으로써 전도도를 결정하는 반면, 단일 분자 트랜지스터의 게이트는 분자 또는 분자 또는 분자 또는 분자로부터 에너지를 수정함으로써 분자의 위/아래로 뛰어내릴 수 있는 전자의 가능성을 제어합니다.바이탈. 이 차이의 영향 중 하나는 단일 분자 트랜지스터가 거의 2진수라는 것입니다: 켜지거나 꺼집니다.이는 게이트 전압에 대한 2차 응답을 갖는 벌크 대응과 반대됩니다.

벌크 전자제품에 비해 현저하게 다른 동작을 일으키는 것은 전하의 양자화입니다.단일 분자의 크기 때문에 단일 전자에 의한 전하가 중요하며 트랜지스터를 켜거나 끌 수 있는 수단을 제공합니다(쿨롱 블록 참조).이것이 작동하기 위해서는 트랜지스터 분자의 전자 궤도가 전극의 궤도와 너무 잘 통합될 수 없습니다.만약 그렇다면, 전자는 분자 또는 전극에 위치한다고 말할 수 없고 분자는 철사로 기능할 것이다.

분자 트랜지스터에서 반도체 채널 재료로 작동할 수 있는 인기 있는 분자 그룹은 소스와 드레인 전극 사이에 적절한 방법으로 [4]배치되었을 때 쿨롱 블록 메커니즘에 의해 작동하는 올리고폴리페닐렌비닐렌(OPV)입니다.풀레렌은 동일한 메커니즘으로 작동하며 일반적으로 사용되어 왔다.

반도체 탄소 나노튜브는 채널 물질로도 기능하는 것으로 입증되었지만, 분자임에도 불구하고 이러한 분자는 거의 벌크 반도체와 같이 동작할 수 있을 만큼.

분자의 크기와 측정의 낮은 온도는 양자역학적 상태를 잘 정의하게 합니다.따라서 양자역학적 특성이 단순한 트랜지스터(예: 스핀트로닉스)보다 더 진보된 목적으로 사용될 수 있는지 연구되고 있습니다.

애리조나 대학의 물리학자들은 마드리드 대학의 화학자들과 협력하여 벤젠과 유사한 고리 모양의 분자를 사용하여 단일 분자 트랜지스터를 설계했습니다.캐나다 국립 나노 기술 연구소의 물리학자들은 스티렌을 사용하여 단일 분자 트랜지스터를 설계했습니다.두 그룹 모두 (2005년 6월 현재 설계가 실험적으로 검증되지 않은) 각각의 장치가 상온에서 작동하고 단일 [5]전자에 의해 제어될 것으로 예상한다.

정류기(다이오드)

주사터널링 현미경(STAM, a)의 선단에 과도한 전압을 인가함으로써 개별 테트라페닐포르피린(HTPP2) 분자로부터 수소를 제거할 수 있다.이 제거는 동일한 STM 선단을 사용하여 측정된 TPP 분자의 전류전압(I-V) 곡선을 다이오드상(b로 곡선을 그리닝)에서 저항상(녹색)으로 변경한다.그림(c)은 TPP, HTPP2 및 TPP 분자의 열을 나타내고 있습니다.(d)의 하단 및 재스캔 이미지(e)에 나타나듯이, 스캔 이미지(d)를 스캔하는 동안 검은 점의 HTPP에2 과도한 전압이 인가되어 수소가 즉시 제거되었다.이러한 조작은 단분자 [6]전자제품에 사용될 수 있다.

분자정류기는 부피가 큰 것을 모방하고 비대칭 구조를 가지고 있어 분자가 한쪽 끝에서는 전자를 받아들이지만 다른 한쪽 끝에서는 받아들이지 않습니다.분자의 한쪽 끝에는 전자공여체(D)가 있고 다른 한쪽 끝에는 전자수용체(A)가 있습니다.이렇게 하면 불안정한+ 상태−+ D – A가 D – A보다− 더 쉽게 생성됩니다.그 결과, 전자가 수용체 끝을 통해 추가되면 분자를 통해 전류를 끌어낼 수 있지만, 그 반대가 시도되면 더 쉽게 전류를 끌어낼 수 없습니다.

방법들

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 갭을 만들 수 없기 때문에(나노미터 정도) 대체 전략이 적용됩니다.

분자간극

전극 사이에 분자 크기의 간격을 두고 전극을 만드는 한 가지 방법은 얇은 전극이 끊어질 때까지 늘어나는 절단 접합입니다.또 하나는 전기이동법입니다.여기서 전류가 얇은 전선을 통해 흘러 녹아 원자가 이동해 틈새를 만들어냅니다.또, 금속을 화학적으로 식각 또는 전극에 퇴적시킴으로써, 종래의 포토 리소그래피의 도달도를 높일 수 있다.

아마도 여러 분자에 대해 측정을 수행하는 가장 쉬운 방법은 스캔 터널링 현미경(STM)의 끝을 사용하여 금속 [7]기판에 부착된 분자와 접촉하는 것입니다.

앵커링

분자를 전극에 고정시키는 인기 있는 방법은 금에 대한 유황의 높은 화학적 친화력을 이용하는 것이다.이러한 설정에서는, 유황 원자가 전략적으로 배치되어 분자와 금 전극을 연결하는 악어 클립으로서 기능하도록 합성된다.유용하지만 고정은 비특이적이어서 분자를 모든 금 표면에 무작위로 고정합니다.또, 접점 저항은 정착 장소 주위의 정밀한 원자 형상에 크게 의존하기 때문에, 접속의 재현성을 본질적으로 해친다.

후자의 문제를 피하기 위해,[8] 실험들은 황의 원자 한 개보다 더 많은 원자와 동시에 전기적으로 접촉할 수 있는 큰 복합 δ계 때문에 황 대신 풀레렌이 사용하기에 좋은 후보일 수 있다는 것을 보여주었다.

풀레렌 나노일렉트로닉스

폴리머에서, 고전적인 유기 분자는 탄소와 수소 둘 다로 구성되어 있습니다(그리고 질소, 염소 또는 황과 같은 추가 화합물도 있다).그것들은 가솔린에서 얻으며 종종 다량으로 합성될 수 있다.이들 분자의 대부분은 길이가 수 나노미터를 넘으면 절연된다.그러나 자연적으로 발생하는 탄소가 전도되고 있으며, 특히 석탄에서 회수되거나 다른 방법으로 발생하는 흑연입니다.이론적인 관점에서 흑연은 금속과 반도체 사이의 범주인 세미메탈입니다.층상 구조로 되어 있으며, 각 시트의 두께는 원자 1개입니다.각 시트 사이의 상호 작용이 약하여 쉽게 수동으로 분할할 수 있습니다.

흑연 시트를 제작하여 나노미터 크기의 물체를 만드는 것은 여전히 어려운 일입니다.하지만, 20세기 말에, 화학자들은 단일 분자로 여겨질 수 있는 극소량의 흑연물체를 만드는 방법을 연구하고 있었다.탄소가 성단을 형성하는 것으로 알려진 성간 조건을 연구한 후, 리차드 스몰리(Richard Smalley, Texas, Rice University)의 그룹은 레이저 조사를 통해 흑연을 증발시키는 실험을 시작했습니다.질량 분석 결과 특정 수의 원자를 포함하는 클러스터, 특히 60개의 원자가 있는 클러스터가 안정적이었다.실험에 도움을 준 영국의 화학자 해리 크로토는 이 군집들에 가능한 기하학적 구조, 즉 원자가 축구공의 정확한 대칭과 공유 결합되어 있다고 제안했다.buckminsterfullerenes, buckyball 또는60 C로 명명된 클러스터는 전도성과 같은 흑연의 일부 특성을 유지했습니다.이 물체들은 분자 전자 공학에 가능한 구성 요소로 빠르게 구상되었습니다.

문제

아티팩트

분자의 전자적 특성을 측정하려고 할 때, 진짜 분자의 [9]행동과 구별하기 어려운 인위적인 현상이 발생할 수 있다.발견되기 전에, 이 유물들은 문제의 분자와 관련된 특징으로 잘못 출판되었다.

나노미터 크기의 접점에 전압 강하를 인가하면 매우 강한 전기장이 발생합니다.이 장은 금속 원자를 이동시키고 결국 얇은 필라멘트에 의해 간격을 좁힐 수 있으며, 이는 전류를 흐를 때 다시 깨질 수 있다.전도성의 두 가지 수준은 분자의 전도 상태와 고립 상태 사이의 분자 전환을 모방합니다.

또 다른 인공물은 전극이 틈새의 높은 전계강도로 인해 화학반응을 일으키는 것이다.전압 바이어스가 반전되면 이 반응은 분자 기원으로 해석될 수 있는 측정에서 히스테리시스를 일으킵니다.

전극 간의 금속 입자는 상기 기구에 의해 단일 전자 트랜지스터로서 작용하여 분자 트랜지스터의 특성과 유사하다.이 유물은 특히 전자소화법에 의해 생성된 나노캡에서 흔히 볼 수 있다.

상용화

단분자 전자제품이 상업적으로 이용되는 가장 큰 장애물 중 하나는 분자 크기의 회로를 벌크 전극에 연결하는 방법이 없다는 것입니다.현재 상태에서는 단일 분자를 연결하는 것이 어려워 이러한 수축으로 인해 발생할 수 있는 성능 향상보다 훨씬 중요합니다.분자가 특정 공간 방향을 가지거나 여러 개의 극을 연결하면 어려움이 더 커진다.

또한 문제는 단일 분자에 대한 일부 측정이 극저온 온도(절대 0에 근접)에서 수행된다는 것입니다. 이는 매우 에너지를 소비합니다.이는 단일 분자의 미미한 전류를 측정할 수 있을 정도로 신호 노이즈를 줄이기 위해 수행됩니다.

이력 및 최근 진행 상황

로탁산의 그래픽 표현으로, 분자 스위치로 유용합니다.

1940년대 Robert Mulliken과 Albert Szent-Györgii는 소위 기증자-수용체 복합체를 다루면서 분자의 전하 전달 개념을 발전시켰습니다.그 후, 그들은 분자의 전하 전달과 에너지 전달에 대한 연구를 더욱 개선했다.마찬가지로, 마크 래트너와 아리 아비람의 1974년 논문은 이론적인 분자 [10]정류기를 설명했다.

1988년 Aviram은 이론적인 단분자 전계효과 트랜지스터를 자세히 설명했습니다.해군 연구소의 Forrest Carter에 의해 단일 분자 논리 게이트를 포함한 더 많은 개념이 제안되었습니다.1988년 [11]그의 보호 아래 분자 전자 소자라는 제목의 컨퍼런스에서 다양한 아이디어가 발표되었습니다.이것들은 이론적인 구성물이지 구체적인 장치가 아니었다.개별 분자의 전기적 특성에 대한 직접적인 측정은 분자 규모의 전기적 접촉을 만드는 방법의 개발을 기다리고 있었다.이것은 쉬운 일이 아니었다.따라서, 단일 분자의 전도도를 직접 측정하는 첫 번째 실험은 1995년에 C에 의해 단일60 C 분자에 대해서만 보고되었다.요아힘과 J. K. 김제프스키가 1997년 마크 리드와 동료들이 수백 개의 분자에 대해 쓴 물리리비 레터 논문을 발표했다.그 후, 이 분야는 급속히 발전해 왔습니다.이와 마찬가지로 이러한 성질을 직접 측정할 수 있게 되면서 초기 노동자들의 이론적인 예측이 상당 부분 확인되었습니다.

분자전자의 개념은 Aviram과 Ratner가 정류기로 작동할 [12]수 있는 유기 분자를 제안했을 때 1974년에 발표되었다.상업적, 근본적인 관심이 컸기 때문에 그 실현 가능성을 증명하기 위해 많은 노력을 기울였고, 16년 후인 1990년 애쉬웰과 동료들에 의해 분자 박막의 고유 분자 정류기의 첫 번째 시연이 실현되었다.

단일 분자의 전도도 측정은 1994년 C에 의해 실현되었다.요아힘과 J. K. 김제프스키가 1995년에 출판되었다(해당 물리 참조).레트 페이퍼).이는 IBM TJ 왓슨에서 시작된 10년간의 연구의 결론으로, A가 이미 탐사한 것처럼 스캔 터널링 현미경 팁 에이펙스를 사용하여 단일 분자를 전환했다.아비람, C. 요아힘, M.1980년대 말 포메란츠(그들의 화학 약품 참조).이 기간 동안 종이).비결은 UHV 스캐닝 터널링 현미경을 사용하여 Au(110) 표면에 흡착된 단일 C
60 분자의 꼭대기에 팁 정점이 부드럽게 닿도록 하는 것이었습니다.저전압 선형 I-V와 함께 55 MOhms의 저항이 기록되었습니다.접촉은 접촉 중인 C 케이지의
60 변형을 측정할 수 있는 I-z 전류 거리 특성을 기록함으로써 인증되었습니다.이 첫 번째 실험은 1997년 [13]마크 리드와 제임스 투어가 두 개의 금 전극을 유황 종단 분자선에 연결하는 기계적 파괴 접합 방법을 사용한 결과였다.

나노기술과 나노과학의 최근 발전은 분자 전자공학에 대한 실험적이고 이론적인 연구를 촉진했다.스캐닝 터널링 현미경(STM)과 그 후의 원자력 현미경(AFM)의 개발은 단분자 전자 장치의 조작을 크게 용이하게 했다.또한 분자전자의 이론적 진보는 전극-전해질 [14][15]계면에서의 비단열 전하 전달 이벤트를 더욱 쉽게 이해할 수 있도록 했다.

단분자 증폭기는 C에 의해 구현되었다.IBM 취리히의 요아힘과 J.K. 김제프스키입니다.하나의
60 C 분자를 포함하는 이 실험은 그러한 분자 하나가 분자 내 양자 간섭 효과만을 통해 회로에서 이득을 제공할 수 있다는 것을 증명했습니다.

James Heath, Fraser Stoddart, R. Stanley Williams, Philip Kuekes가 이끄는 Hewlett-Packard(HP)와 UCLA(University of California, UCLA)의 연구진은 로탁산과 카테네인을 기반으로 한 분자 전자제품을 개발했다.

단벽 카본 나노튜브를 전계효과 트랜지스터로 활용하는 작업도 진행되고 있다.이 작업의 대부분은 IBM(International Business Machine)에 의해 이루어집니다.

분자 자가조립 단분자에 기초한 전계효과 트랜지스터에 대한 일부 특정 보고서는 2002년 쇤 [16]스캔들의 일부로 사기성이 있는 것으로 나타났다.

최근까지 전적으로 이론적으로 단분자 정류기의 Aviram-Ratner 모델은 영국 [17][18][19]뱅고 대학의 Geoffrey J. Ashwell이 이끄는 그룹의 실험에서 모호하지 않게 확인되었습니다.지금까지 많은 정류 분자가 확인되었으며, 이러한 시스템의 수와 효율은 빠르게 증가하고 있습니다.

초분자 전자제품은 초분자 수준의 전자제품과 관련된 새로운 분야입니다.

분자 전자 공학에서 중요한 문제는 단일 분자의 저항(이론 및 실험 모두)을 결정하는 것입니다.예를 들어 Bumm 등입니다.STM을 사용하여 자가조립 단분자층의 단일 분자 스위치를 분석하여 그러한 분자가 얼마나 전도성을 가질 [20]수 있는지를 판단합니다.이 분야에서 직면한 또 다른 문제는 많은 실험 장치에서는 종종 분자 척도로 이미징이 어렵기 때문에 직접 특성화를 수행하는 것이 어렵다는 것입니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

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