Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici

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1 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici La corrente che attraversa una singola molecola deve essere necessariamente misurabile. Il fatto che una corrente di 1 na potesse attraversare un singolo atomo in contatto con la punta di un STM fu all inizio messo in dubbio. In realta una corrente di 1 na corrisponde a 6.25x10 9 elettroni/s che corrispondono ad un tempo di residenza di 0.16 ns per ciascun evento di tunnel. Sulla scala atomica questo non e un tempo piccolo. I tempi alla base della dinamica degli elettroni negli atomi sono molto inferiori, per esempio il periodo orbitale di un elettrone 1s nell idrogeno e di 8x s.

2 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici Abbiamo visto in precedenza che le correnti negli anelli benzenici sono dell ordine di diversi na. Le misure fatte sui nanotubi di carbonio (aventi sempre dei legami di tipo sp2) mostrano correnti dell ordine dei na attraverso ciascuno degli atomi di C. La resistenza di una molecola puo essere considerata come una resistenza di contatto piu la somma delle resistenze di ciascuno dei legami. I legami doppi nei composti aromatici hanno basse resistenze mentre altri tipi di legami hanno resistenze maggiori.

3 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici Mentre un legame interno in una molecola e un elemento riproducibile il contatto tra una data molecola ed un circuito esterno di misura non e riproducibile. Uno studio della resistenza di contatto di una molecola e stato compiuto di recente. Gli autori hanno utilizzato un STM con una punta d oro immerso in una soluzione contenete una piccola quantita di bipiridina e N-alcani-ditioli. Gli atomi terminali della 4-4 -bipiridina sono atomi di azoto che si lega all oro (affinita oro-azoto). I gruppi terminali del ditiolo sono atomi di zolfo che si legano anch essi all oro.

4 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici

5 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici L apparato mostra i gradini di conduttanza (in unita 2e 2 /h descritti in precedenza sia in presenza del nanofilo d oro sia in presenza delle molecole al posto del nanofilo. I valori della conduttanza sono multipli di 0.01G0. La resistenza della 4-4 -bipiridina misurata tra i due atomi di azoto e circa 1.3MΩ. La presenza di multipli di 0.01G0 (NX0.01G0) e stata attribuita alla presenza di N giunzioni in parallelo corrispondenti a N molecole. Invece il nanofilo d oro riesce intrisecamente a creare N canali interni di conduzione creando il profilo a gradini.

6 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici Se si usano invece le 2-2 -bipiridina in cui l atomo di azoto e presente in altre posizioni, tali molecole non riescono a creare simultaneamente due contatto con l oro e gli effetti di conduttanza a gradini spariscono. Tale effetto svanisce anche quando il potenziale della soluzione rispetto all oro e negativo in modo da non far legare le 4-4 -bipiridine. Il motivo per cui risulta che la conduttanza e multiplo di 0.01 G0 e non G0 e dovuto ad effetti legati alla barriera per il tunnel

7 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici In una molecola risulta infatti che G = G0 exp( βn ), dove N e il numero di legami che agiscono da barriera per il tunnel. Ponendo β uguale a 1 risulta che N e uguale a Tale valore e attribuito all effetto delle barriere oro-azoto, azoto-anello,anello-anello,anello-azoto,azotooro. Sono state studiate anche le molecole lineari N-alcano-ditioli (N=6,8,10 corrispondenti a esano,ottano e decano). In questo caso sono stati misurati valori di conduttanza corrispondenti a G = 0.77xG0 exp( βn) con β = 1 ± 0.1

8 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici Questi esperimenti mostrano come i legami chimici agiscano come barriere per il tunnel in modo che la funzione d onda elettronica decada esponenzialmente attraverso il legame. E stato scoperto sperimentalmente che la resistenza di una catena lineare di molecole con legami singoli cresce esponenzialmente con il numero di legami della catena. In altri legami chimici (doppi o tripli) gli elettroni si propagano con decadimento piccolo o nullo come succede nei metalli o nelle giunzioni Josephson. Per esempio nel benzene gli elettroni sono sostanzialmente liberi di muoversi.

9 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici Alcuni gruppi chimici nei quali degli anelli circondano un atomo metallico (Co) si comportano da isole nelle quali gli elettroni si possono localizzare. Il potenziale di queste isole puo essere cambiato da un campo elettrico esterno generato attraverso un elettrodo di gate. Dispositivi tipo SET possono essere generati se le barriere per il tunnel, costituite dai legami covalenti, hanno resistenze dell ordine dei 25MΩ. Nel caso in cui le resistenze siano inferiori e sempre possibile creare delle giunzioni tunnel e dei dispositivi SET.

10 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici A seconda delle molecole utilizzate e possibile riuscire a creare dispositivi molecolari che si comportano da diodi, FET o dispositivi piu complessi. Le difficolta maggiori sono quelle legate alla fabbricazione dei dipositivi ed in particolare l integrazione dei dispositivi molecolari su scale piu grandi. In particolare la difficolta maggiore e quella di posizionare il tipo giusto di molecola (con i legami specifici per una determinata funzione) nella posizione assegnata.

11 Molecole singole come elementi attivi nei circuiti elettronici Alcuni gruppi chimici nei quali degli anelli circondano un atomo metallico (Co) si comportano da isole nelle quali gli elettroni si possono localizzare. Il potenziale di queste isole puo essere cambiato da un campo elettrico esterno generato attraverso un elettrodo di gate. Dispositivi tipo SET possono essere generati se le barriere per il tunnel, costituite dai legami covalenti, hanno resistenze dell ordine dei 25MΩ. Nel caso in cui le resistenze siano inferiori e sempre possibile creare delle giunzioni tunnel e dei dispositivi SET.

12 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol I nanotubi di Carbonio possono essere considerati come molecole singole o come elementi che possono essere inseriti all interno di un chip a base silicio per formare una struttura ibrida. Un utilizzo molto ambizioso dei nanotubi di carbonio e quello legato alla RAM. Una griglia m x n di nanotubi e stata prpoposta. Cio fornisce intersezioni con dimensioni del nananometro (giunzioni).

13 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol I due gruppi di nanotubi sono posti in modo tale che lo spazio tra le superfici dei nanotubi varia da 0.3 a 6nm. Ogni giunzione tra i nanotubi si comporta come una giunzione tunnel avente limitate dimensioni e operante ad alte frequenze. Nello stato fondamentale della giunzione (off) ogni nanotubo e dritto e la separazione iniziale tra i nanotubi corrisponde ad un alta resistenza di tunnel tra i due tubi. L energia di interfaccia tra due nanotubi e data da: E = E van der Waals + E elastic + E electrostatic

14 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol Il primo termine e attrattivo ed ha una forma del tipo: E van der Waals = -AS/12πd 2 dove S e l area di contatto e d la distanza e A la costante di Hamaker (10 19 J) L energia elastica puo essere stimata come: E elastic = ½ K y 2 dove K e la costante elastica del nanotubo e y e lo spostamento del centro del nanotubo superiore verso quello inferiore. Una semplice stiima dell energia elettrostatica è: E electrostatic =1/2 C V 2 dove C e la capacitanza effettiva tra i nanotubi che si incrociano e V e la differenza di potenziale tra i nanotubi.

15 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol La capacitanza trai i nanotubi cresce al diminuire della loro distanza. La capacitanza corrispondente a questa geometria e di circa 10 7 pf. Il voltaggi V1 e V2 vengono applicati tra i nanotubi e tra I nanotubi e il substrato. Per valori corrispondenti a V1=3V e V2=-3V esiste un minimo stabile del sistema corrispondente ad una separazione tra i nanotubi di 0.3 nm. Variando il voltaggio V1=20V e V2=20V tale minimo sparisce. In definitiva e stato stabilito che e necessario un valore di potenziale attrattivo di almeno 4 V per avere l avvicinamento dei nanotubi ed un potenziale repulsivo di almeno 20 V per ottenere la separazione.

16 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol L energia di legame attrattiva corrispondente ad un potenziale di 4V e circa 4.5x10-18 J=28.1 ev. Tali calcoli sono basati su nanotubi single-wall di tipo (10,10). Il diametro corrispondente e : dtube = π 1 a(nn + mm + nm)1/2 dove a=0.249 nm. Per un nanotubo (10,10) d=1.37nm. Applicando un voltaggio al nanotubo superiore ci sara una forza attrattiva che velocemente porta i due nanotubi ad avvicinarsi. In corrispondenza delle separazioni piu piccole (0.3 nm) la forza di van der Waals attrattiva blocchera i due nanotubi in quella posizione corrispondente all ON.

17 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol In questa configurazione la resistenza di tunnel della giunzione e fortemente ridotta da 1 fino a 0.1 GΩ. Tale distorsione e stabile fino a che un secondo impulso riesce ad allontanare i due nanotubi. Le dimensioni del sistema devono essere di almeno 20 nm per avere separazioni iniziale dei nanotubi apprezzabili. Cio significa che il numero di dispositivi per cm e dell ordine di 0.5x In un chip di 1 cm 2 ci sarebbe un altissima densita di dispositivi (10 11 ). La frequenza di switch stimata e di circa 100 GHz.

18 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol La fabbricazione di RAM basate su questa tecnologia rappresenta una sfida tecnologica. L assunzione e che nanotubi sufficientemente lunghi sia ancorati meccanicamente al substrato sottostante attraverso un supporto elastico di dimensione di 20 nm. La produzione di una griglia di supporti richiede l utilizzo di tecniche sperimentali molto complesse e costose. I nanotubi di sufficiente lunghezza possono essere prodotti attraverso la chemical vapor deposition CVD. Il problema principale e quello di creare la griglia di nanotubi sul substrato.

19 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol Un problema serio relativo alla miniaturizzazione dei dispositivi a base silicio e che le celle di memoria diventano poco efficienti al diminuire della dimensione. Le memorie RAM dinamiche standard (DRAM) sono costituite da un capacitore ed un transistor. Quando le dimensioni del capacitore diventano molto piccole lo strato di ossido diventa talmente sottile da permettere il tunnel degli elettroni. Cio comporta una perdita di informazione. Se si riuscisse a costruire un capacitore verticale sarebbe possibile riuscire a ridurre le dimensioni della memoria senza avere problemi di perdita di elettroni.

20 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol Uno schema di questo tipo e stato proposto di recente. In linea di principio la fabbricazione di tali memorie e meno complessa rispetto al caso precedente.

21 Nanoelettronica ibrida:combinazione di CMOS a base Si e di elettronica molecolare:cmol La capacitanza del nanotubo di sinistra di lunghezza L con diametri degli elettrodi interni ed esterni rispettivamente a e b e : dove kc e la costante di Coulomb e e la costante dielettrica dell ossido depositato (SiNx ). Considerando i valori L=1μm, a=60 nm, b=140 nm e ε= 7.5(Si3 N4). che rappresenta un valore molto piccolo di

22 Processori 16-bit basati sull auto aggregazione di molecole Recentemente e stato fabbricato un anello formato da 17 molecole di benzene sostituito creato dall auto-aggregazione di tali molecole. La struttura corrispondente e planare con diametro di circa 2.5 nm L orientazione di 16 molecole di benzene e verticale con gli atomi di ossigeno orientati radialmente. I gruppi metilici hanno vari gradi di liberta rotazionali ma quelli interni sono bloccati in una posizione.solo quelli esterni si possono orientare. E stato testato un protocollo che permette l auto aggregazione delle 17 molecole nella struttura indicata.

23 Processori 16-bit basati sull auto aggregazione di molecole

24 Processori 16-bit basati sull auto aggregazione di molecole La capacita di elaborazione di questo aggregato e 4 16 = 4.29x 10 9 corrispondente a 16 oggetti per ciascuno dei quali ci sono 4 stati distinti. Il protocollo necessario per l auto aggregazione consiste nell evaporare le molecole su una superficie di oro a 77 K dove tendono a rimanere planari e tendono ad aggregarsi in seguito alle interazioni van der Waals. Alcuni aggregati sono costituito da 4 molecole 6 che si aggregano in configurazioni a quadrato o esagono. Gli aggregati con 12 e 16 molecole tendono ad essere semicerchi. Aggiungendo un molecola addizionale al semicerchio da 16 molecole crea un aggregato fatto da 16 molecole verticali con all interno una molecola.

25 Processori 16-bit basati sull auto aggregazione di molecole. E stato scoperto che una variazione nella configurazione della molecola centrale e indotta introducendo una carica dalla punta di un STM. Questa cambiamento configurazionale induce un effetto domino sulle altre molecole circostanti. Assumendo che ciascuna delle molecole circostanti possa assumere 4 diverse configurazioni si arriva a 4 16 = 4.29x 10 9 corrispondente a 32 bit.