Diodi molecolari e applicazioni[4]

Introduzione

I veloci sviluppi percorsi nel campo della tecnologia a semiconduttore nel recente passato ha dimostrato senza dubbio, che gli sforzi di miniaturizzare i transistor raggiungeranno presto i limiti fisici anticipati dalle leggi della meccanica quantistica, e dai limiti dei metodi di montaggio. Ridurre i dispositivi a base di silicio al sub-100 nm e impilarne milioni per formare un circuito integrato non sarà un'idea attraente, perchè questi sistemi consumano un'enorme potenza e diventerà molto costoso fabbricare. Di conseguenza, dobbiamo cercare di produrre i sistemi elettronici di silicio a densità ultraelevata, è importante che metodi alternativi quali i dispositivi che usano le molecole a livello nanoscopico siano esplorati e sfruttati. I dispositivi al silicio funzionano basandosi sul movimento di un gran numero di elettroni n, mentre i dispositivi molecolari approfittano degli effetti quantistici che avvengono alla scala nanometrica. I building blocks dell'elettronica molecolare sono singoli o piccoli pacchetti di molecole. Mentre gli sforzi per sostituire i dispositivi convenzionali a semiconduttore con i molecolar wire, sarebbe desiderabile sviluppare le architetture molecolari con le proprietà elettroniche accessibili. Il vantaggio principale dell'elettronica molecolare è il basso costo, la compatibilità con i substrati flessibili ed imballaggio più semplice una volta confrontato all'elettronica inorganica convenzionale. Un certo numero di circuiti digitali basati sull'elettronica molecolare sono già stati segnalati e le più grandi densità di integrazione (fino a 864 interruttori per il circuito) sono state realizzate in circuiti complementari sequenziali cronometrati. Poiché le molecole sono piccole, la loro funzionalità può essere sintonizzata a causa delle loro proprietà speciali. I processi di sintesi auto-assemblanti possono essere usati per manipolare le molecole. Le basi molecolari più importanti sono:
  • 1) le catene a base di polifenileni,
  • 2) i nanotubi del carbonio.

Diverso dal caso della tecnologia del silicio, la manipolazione delle molecole si pensa che sia non soltanto poco costosa ma inoltre provocherà le più alte velocità di elaborazione dell'informazione con meno alimentazione. E' stato proposto, da Aviram e da Ratner, l'uso di raddrizzatori elettronici che usano in primo luogo le molecole. Ci sono due tipi di diodi molecolari: i diodi rettificatoti ed i diodi tunneling che possono entrambi essere utilizzati nella realizzazione dei circuiti logici digitali monomolecolari. In più, inoltre abbiamo bisogno dei molecular wires per collegare i dispositivi molecolari in un circuito complesso con le specifiche applicazioni. Per la prima volta, i Tour wires sono stati usati come la base conduttiva per le giunzioni di rettifica ed i principi di donatori/accettori sono effettuati nei molecolar wire.

Fig.5 Vista laterale della struttura benzenica che mostra gli orbitali π coniugati.

CONDUTTORI ED ISOLANTI MOLECOLARI

Ci sono due tipi di sfide nell'elettronica molecolare: (i) Strutture molecolari di costruzione che fungono da interruttori e (ii) combinazione di queste molecole in un circuito complesso per effettuare una data funzione. Entrambe le suddette mansioni richiedono i conduttori e gli isolanti molecolari organici riproducibili. I due tipi di conduttori molecolari della scala che sono stati suggeriti spesso sono conduttori a base di polifenilene e nanotubi di carbonio. I conduttori molecolari basati su polifenilene si compongono di anelli aromatici organici del benzene (fig. 1) legati in su dagli spacers dell'acetilene (fig. 2). Entrambi questi conduttori sono stati indicati per la conduzione di piccole correnti elettriche. I conduttori del polifenilene sono composti da due o più gruppi fenilici. Quando un atomo d'idrogeno è rimosso dal benzene (C6H6) (fig. 3), si forma il gruppo fenile (fig. 4). Tuttavia, la rimozione di due atomi d'idrogeno dal benzene produce un anello fenilenico (fig. 4). Un polimero di polifenile può essere costituito dal legame di questi gruppi fenilenici con una catena come la struttura molecolare e la manipolazione di queste molecole è stata capita bene dai chimici organici. Ora sono disponibili i metodi per produrre i molecular wires del polifenilene conduttivo e riproducibile, conosciuto come Tour wires, che sono compatibili ai dispositivi elettronici molecolari in modo da poter stabilire le interconnessioni adatte al livello molecolare. Il comportamento dei wires dei polifenileni a causa degli orbitali π coniugati sopra e sotto il piano della molecola (fig. 5) che formano un canale per il trasporto degli elettroni quando il wire subisce una tensione esterna.

Un altro potenziale candidato per interconnessioni macroscopiche nell' elettronica molecolare è il metallic single wall carbon nanotube (SWCNT), che agisce come un wire ideale quantistico con la corrente di conduzione che circola in una sola dimensione (Fig. 6). CNT sono anche noti come tubo buckminsterfullerene o buckytube. Diversamente, nel caso di conduttori metallici convenzionali, come il rame, i vettori CNT possono essere solo backscattered dando luogo a lunghi percorsi di lunghezza libera pertanto, in una conduzione CNT è possibile solo la direzione in avanti o indietro poiché non vi è significativa riduzione di fase per piccoli angoli di dispersione aventi un sistema 1-D. I nanotubi di carbonio monostrato sono stati mostrati i risultati delle interconnessioni di rame. I nanotubi possono essere collegati in parallelo per ridurre la resistenza e l'induttanza.

Tipici isolanti organici sono i gruppi alifatici (Fig. 7). In una molecola organica alifatica con solo legami σ, il canale di conduzione al di fuori del piano dei nuclei, ha interruzioni conseguenti alla discontinuità nella densità elettronica nelle posizioni dei nuclei. Come risultato, nella presenza di una tensione applicata, queste molecole non possono condurre e agiscono come isolanti. Pertanto, nelle catene polifenileniche, il canale conduttore può essere spezzato inserendo una molecola alifatica che porta alla formazione di isolanti o barriere al trasporto elettronico.

DIODI MOLECOLARI

Ci sono due tipi di diodi molecolari: diodi rettificatori e diodi resonant tunneling. In entrambi questi dispositivi, quando si applica una tensione superiore a un valore critico, gli elettroni sono guidati attraverso una o più barriere potenziali.

Diodi Rettificatori Diodi molecolari a risonanza tunneling

  in sù   esci   successiva