8.1 P Molelectronics1

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  • 1. Elettronica molecolare (molectronics) ibrido molecolare molecolare-molecolare
  • 2. 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.
  • 3. Elettronica molecolare Una nuova tecnologia che usa le molecole per svolgere le funzioni di un componente elettronico LEGO molecolare Christian Joachim; Nature, Vol. 408 2000
  • 4. Molecole come dispositivi elettronici: sviluppi storici •1970: Dispositivi a molecola singola? • Negli anni ’70 le tecniche di sintesi organica si sviluppano suggerendo l’idea che la funzione del dispositivo può essere realizzata in una singola molecola. • Aviram e Ratner suggeriscono un rettificatore su scala molecolare. (Chem. Phys. Lett. 1974) • Tuttavia non dicono come questa molecola possa essere incorporata in un circuito o dispositivo.
  • 5. • 1980: Rivelazione della singola molecola. • Visualizzazione a livello molecolare. • Manipolazione a livello molecolare. • Scanning Probe Microsopy. • STM (IBM Switzerland, 1984) • AFM
  • 6. 1990: Dispositivi a singola molecola. • Nuove tecniche di imaging e di manipolazione • Tecniche di sintesi e caratterizzazione avanzate • Avanzamenti nel Self-Assembly e nella chimica macroscopica/supramolecolare La domanda fondamentale è: “Come si possono sintetizzare e assemblare le molecole in strutture che funzionano nello stesso modo dei dispositivi elettronici allo stato solido in silicio e come si possono integrare queste strutture nel regime macroscopico?”
  • 7. 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
  • 8. 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)
  • 9. LUMO & HOMO LUMO Lowest Unoccupied Molecular Orbital → Banda di conduzione HOMO Highest Occupied Molecular Orbital → Banda di valenza
  • 10. Molecular Wires I molecular wires possono essere definiti come specie molecolari unidimensionali capaci di condurre elettroni. Anche l’energia elettronica può essere trasferita (molecular photonic wires)
  • 11. Esempi di fili molecolari basati su lunghe molecole coniugate
  • 12. Filo molecolare
  • 13. Setup per la misura del rate di trasferimento elettronico in specie molecolari Trasferimento di elettroni in molecole donatore-accettore
  • 14. 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.
  • 15. Scanned probe microscopy: STM Un modo di studiare le proprietà di conduzione di singole molecole (sistema a 2 terminali) è quello 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
  • 16. Giunzione molecolare Mechanically-Controlled Break Junction Resistenza alcuni megaohms
  • 17. Mechanically Controlled Break Junctions 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
  • 18. Mechanically Controlled Break Junctions Correlazione fra trasporto elettronico e struttura molecolare Sono state confrontate mechanical break junctions che contengono molecole di 9,10- bis(feniletinil)antracene. La posizione del tiolo meta viene 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 meta para fornisce curve I-V con correnti almeno due ordini di grandezza inferiori dei valori misurati per la molecola in posizione para.
  • 19. Mechanical Break Junction
  • 20. 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 piezo cui corrisponde la giusta spaziatura fra gli elettrodi.
  • 21. 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.
  • 22. Nanopore Molecular Junctions Curva I-V per un nanopore molecular diode a temperatura ambiente
  • 23. Comportamento rettificante (diodi) Il tunneling intramolecolare controlla la corrente fra due elettrodi creando un Analogo strutturale della giunzione p-n di Si elemento rettificante Proposta di Aviram e Ratner 1974 Lo spaziatore crea la barriera
  • 24. Rettificatore molecolare D-σ-A : giunzione p-n unimolecolare
  • 25. “D”: donore, energia di ionizzazione (IP) relativamente bassa “σ”: ponte isolante “A”: accettore, affinità elettronica (EA) relativamente alta
  • 26. il trasferimento risonante è possibile quando 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 fondamentale D0-σ-A0. Il meccanismo consiste in due trasferimenti risonanti attraverso le interfacce metallo-molecola : Seguito da un trasferimento anelastico intramolecolare:
  • 27. Esperimento di Metzger (1997) • Lunghezza molecola ~ alcuni nm • difficoltà di fabbricazione