ბიომოლეკულური ელექტრონიკა

ცოდნა სინათლეა - Knowledge is light - Знание свет -  

    ბიომოლეკულური ელექტრონიკა

როტაქსანის გრაფიკული გამოსახულება, გამოსადეგია როგორც მოლეკულური გადამრთველი

მოლეკულური ელექტრონიკა არის მოლეკულური სამშენებლო ბლოკების შესწავლა და გამოყენება ელექტრონული კომპონენტების წარმოებისთვის. ეს არის ინტერდისციპლინარული სფერო, რომელიც მოიცავს ფიზიკას, ქიმიას და მასალების მეცნიერებას. გამაერთიანებელი მახასიათებელია მოლეკულური სამშენებლო ბლოკების გამოყენება ელექტრონული კომპონენტების დასამზადებლად. ელექტრონიკის ზომის შემცირების პერსპექტივის გამო, რომელიც შემოთავაზებულია თვისებების მოლეკულური დონის კონტროლით, მოლეკულურმა ელექტრონიკამ წარმოქმნა დიდი აჟიოტაჟი. ის იძლევა პოტენციურ საშუალებას მურის კანონის გასაფართოებლად მცირე ზომის ჩვეულებრივი სილიკონის ინტეგრირებული სქემების გათვალისწინებული საზღვრებს მიღმა.

მოლეკულური მასშტაბის ელექტრონიკა, რომელსაც ასევე უწოდებენ ერთმოლეკულურ ელექტრონიკას, არის ნანოტექნოლოგიის ფილიალი, რომელიც იყენებს ცალკეულ მოლეკულებს, ან ცალკეული მოლეკულების ნანომასშტაბიან კოლექციებს, როგორც ელექტრონულ კომპონენტებს. იმის გამო, რომ ცალკეული მოლეკულები ქმნიან ყველაზე პატარა სტაბილურ სტრუქტურებს, ეს მინიატურიზაცია არის საბოლოო მიზანი ელექტრული სქემების შემცირებისთვის.

ჩვეულებრივი ელექტრონული მოწყობილობები ტრადიციულად მზადდება ნაყარი მასალებისგან. ნაყარ მეთოდებს აქვს თანდაყოლილი საზღვრები და სულ უფრო მოთხოვნადი და ძვირი ხდება. ამრიგად, წარმოიშვა იდეა, რომ კომპონენტების ნაცვლად შეიძლებოდა ატომ-ატომ აშენდეს ქიმიის ლაბორატორიაში (ქვემოდან ზევით) და არა მათი ნაყარი მასალისგან (ზემოდან ქვევით) გამოკვეთისგან. ერთმოლეკულიან ელექტრონიკაში ნაყარი მასალა იცვლება ერთი მოლეკულებით. ანუ, იმის ნაცვლად, რომ შექმნან სტრუქტურები ნიმუშის ხარაჩოს ​​შემდეგ მასალის ამოღებით ან გამოყენების გზით, ატომები ერთად იკრიბება ქიმიის ლაბორატორიაში. გამოყენებულ მოლეკულებს აქვთ ისეთი თვისებები, რომლებიც წააგავს ტრადიციულ ელექტრონულ კომპონენტებს, როგორიცაა მავთული, ტრანზისტორი ან გამსწორებელი. მოლეკულის ტრადიციულ ელექტრონულ კომპონენტად გამოყენების ეს კონცეფცია პირველად წარმოადგინეს ავირამმა და რატნერმა 1974 წელს, როდესაც მათ შემოგვთავაზეს თეორიული მოლეკულური რექტიფიკატორი, რომელიც შედგება დონორისა და მიმღების ადგილებისგან, რომლებიც ერთმანეთისგან იზოლირებულია.

ერთმოლეკულური ელექტრონიკა განვითარებადი სფეროა და მთელი ელექტრონული სქემები, რომლებიც შედგება ექსკლუზიურად მოლეკულური ზომის ნაერთებისგან, ჯერ კიდევ ძალიან შორს არის განხორციელებისგან. თუმცა, უწყვეტი მოთხოვნა მეტი გამოთვლითი სიმძლავრის შესახებ, დღევანდელი ლითოგრაფიული მეთოდების თანდაყოლილ საზღვრებთან ერთად, გარდამავალს აქცევს გარდაუვალს. ამჟამად აქცენტი კეთდება საინტერესო თვისებების მქონე მოლეკულების აღმოჩენაზე და მოლეკულურ კომპონენტებსა და ელექტროდების ნაყარ მასალას შორის საიმედო და რეპროდუქციული კონტაქტების მოპოვების გზების პოვნაზე.

მოლეკულური ელექტრონიკა მუშაობს 100 ნანომეტრზე ნაკლებ მანძილზე. მინიატურიზაცია ერთ მოლეკულამდე მიიყვანს მასშტაბებს ისეთ რეჟიმამდე, სადაც მნიშვნელოვანია კვანტური მექანიკის ეფექტები. ჩვეულებრივი ელექტრონული კომპონენტებისგან განსხვავებით, სადაც ელექტრონები შეიძლება შეივსოს ან გამოიტანოს მეტ-ნაკლებად ელექტრული მუხტის უწყვეტი ნაკადის მსგავსად, ერთი ელექტრონის გადაცემა მნიშვნელოვნად ცვლის სისტემას. დატენვის შედეგად გამოწვეული ენერგიის მნიშვნელოვანი რაოდენობა მხედველობაში უნდა იქნას მიღებული დაყენების ელექტრონული თვისებების შესახებ გამოთვლების გაკეთებისას და ძალიან მგრძნობიარეა მიმდებარე გამტარ ზედაპირების დისტანციებზე.

იხ. ვიდეო - Что такое биомолекулярная электроника? Душкин объяснит

ერთ მოლეკულაზე გაზომვის ერთ-ერთი ყველაზე დიდი პრობლემაა მხოლოდ ერთ მოლეკულასთან გამეორებადი ელექტრული კონტაქტის დამყარება და ამის გაკეთება ელექტროდების მალსახმობის გარეშე. იმის გამო, რომ მიმდინარე ფოტოლითოგრაფიულ ტექნოლოგიას არ შეუძლია წარმოქმნას ელექტროდის ხარვეზები საკმარისად მცირე, რომ დაუკავშირდეს შემოწმებული მოლეკულების ორივე ბოლოს (ნანომეტრების თანმიმდევრობით), გამოიყენება ალტერნატიული სტრატეგიები. მათ შორისაა მოლეკულური ზომის ხარვეზები, რომელსაც ეწოდება შესვენების შეერთებები, რომლებშიც თხელი ელექტროდი იჭიმება მანამ, სანამ არ გატყდება. უფსკრული ზომის პრობლემის დაძლევის ერთ-ერთი გზაა მოლეკულური ფუნქციონალიზებული ნანონაწილაკების დაჭერა (ნაწილაკთაშორისი მანძილი ემთხვევა მოლეკულების ზომას) და მოგვიანებით მოლეკულის დამიზნება ადგილის გაცვლის რეაქციით.

კიდევ ერთი მეთოდია სკანირების გვირაბის მიკროსკოპის (STM) წვერის გამოყენება ლითონის სუბსტრატთან მეორე ბოლოში მიმაგრებულ მოლეკულებთან დასაკავშირებლად. მოლეკულების ელექტროდებზე დამაგრების კიდევ ერთი პოპულარული გზა არის გოგირდის მაღალი ქიმიური მიდრეკილების გამოყენება ოქროსთან; თუმცა სასარგებლოა, დამაგრება არასპეციფიკურია და ამგვარად ამაგრებს მოლეკულებს შემთხვევით ყველა ოქროს ზედაპირზე, ხოლო კონტაქტის წინააღმდეგობა დიდად არის დამოკიდებული დამაგრების ადგილის ირგვლივ არსებულ ზუსტ ატომურ გეომეტრიაზე და ამით არსებითად არღვევს კავშირის რეპროდუქციულობას. ამ უკანასკნელის გვერდის ავლით, ექსპერიმენტებმა აჩვენა, რომ ფულერენი შეიძლება იყოს კარგი კანდიდატი გოგირდის ნაცვლად გამოსაყენებლად, დიდი კონიუგირებული π-სისტემის გამო, რომელსაც შეუძლია ელექტრულად დაუკავშირდეს ბევრ ატომს ერთდროულად, ვიდრე გოგირდის ერთ ატომს.

ლითონის ელექტროდებიდან ნახევარგამტარულ ელექტროდებზე გადასვლა საშუალებას იძლევა უფრო მორგებული თვისებები და, შესაბამისად, უფრო საინტერესო აპლიკაციები. არსებობს რამდენიმე კონცეფცია ორგანულ მოლეკულებთან კონტაქტისთვის მხოლოდ ნახევარგამტარული ელექტროდების გამოყენებით, მაგალითად, ინდიუმის არსენიდის ნანომავთულის გამოყენებით უფრო ფართო ზოლიანი მასალის ინდიუმის ფოსფიდის ჩაშენებული სეგმენტით, რომელიც გამოიყენება როგორც ელექტრონული ბარიერი მოლეკულებით გადასალახად.

ერთ-მოლეკულური ელექტრონიკის კომერციული გამოყენების ერთ-ერთი ყველაზე დიდი შემაფერხებელი საშუალებაა მოლეკულური ზომის მიკროსქემის ნაყარ ელექტროდებთან დაკავშირების საშუალებების არარსებობა ისე, რომ იძლევა გამეორებად შედეგებს. ასევე პრობლემურია ის, რომ ცალკეულ მოლეკულებზე გარკვეული გაზომვები კეთდება კრიოგენურ ტემპერატურაზე, აბსოლუტურ ნულთან ახლოს, რაც ძალზე ენერგიას ხარჯავს.

ისტორია

პირველად ისტორიაში მოლეკულური ელექტრონიკა ნახსენები იყო 1956 წელს გერმანელი ფიზიკოსის არტურ ფონ ჰიპელის მიერ , რომელმაც შესთავაზა ატომებიდან და მოლეკულებიდან ელექტრონიკის განვითარების ქვემოდან ზევით პროცედურა, ვიდრე ასაწყობი მასალების გამოყენება, იდეას მან დაარქვა მოლეკულური ინჟინერია. თუმცა ამ სფეროში პირველ მიღწევად ბევრი მიიჩნევს ავირამის და რატნერის სტატიას 1974 წელს. ამ სტატიაში, სახელწოდებით Molecular Rectifiers, მათ წარმოადგინეს ტრანსპორტის თეორიული გამოთვლა მოდიფიცირებული მუხტის გადაცემის მოლეკულის მეშვეობით დონორის მიმღები ჯგუფებით, რაც საშუალებას მისცემს ტრანსპორტირებას მხოლოდ ერთი მიმართულებით, ძირითადად ნახევარგამტარული დიოდის მსგავსად. ეს იყო გარღვევა, რომელმაც შთააგონა მრავალი წლის კვლევა მოლეკულური ელექტრონიკის სფეროში.

ზოგიერთი გამტარ პოლიმერის ქიმიური სტრუქტურა. ზემოდან მარცხნივ საათის ისრის მიმართულებით: პოლიაცეტილენი; პოლიფენილენი ვინილინი; პოლიპიროლი (X = NH) და პოლითიოფენი (X = S); და პოლიანილინი (X = NH/N) და პოლიფენილენ სულფიდი (X = S).

გამტარ პოლიმერების ყველაზე დიდი უპირატესობა არის მათი დამუშავება, ძირითადად დისპერსიით. გამტარი პოლიმერები არ არის პლასტმასი, ანუ ისინი არ არიან თერმოფორმირებადი, მაგრამ ისინი ორგანული პოლიმერებია, როგორიცაა (საიზოლაციო) პოლიმერები. მათ შეუძლიათ შესთავაზონ მაღალი ელექტრული გამტარობა, მაგრამ აქვთ განსხვავებული მექანიკური თვისებები, ვიდრე სხვა კომერციულად გამოყენებული პოლიმერები. ელექტრული თვისებები შეიძლება დაზუსტდეს ორგანული სინთეზის და მოწინავე დისპერსიის მეთოდების გამოყენებით.

ხაზოვანი ხერხემლის პოლიმერები, როგორიცაა პოლიაცეტილენი, პოლიპიროლი და პოლიანილინი არის გამტარ პოლიმერების ძირითადი კლასები. პოლი(3-ალკილთიოფენი) არის არქეტიპული მასალები მზის უჯრედებისა და ტრანზისტორებისთვის.

გამტარ პოლიმერებს აქვთ მიმდებარე sp2 ჰიბრიდირებული ნახშირბადის ცენტრების ხერხემალი. თითოეულ ცენტრში ერთი ვალენტური ელექტრონი ცხოვრობს pz ორბიტალში, რომელიც ორთოგონალურია დანარჩენი სამი სიგმა-ბმის მიმართ. ამ დელოკალიზებულ ორბიტალებში ელექტრონებს აქვთ მაღალი მობილურობა, როდესაც მასალა დოპინგია დაჟანგვის შედეგად, რაც შლის ამ დელოკალიზებული ელექტრონების ნაწილს. ამრიგად, კონიუგირებული p-ორბიტალები ქმნიან ერთგანზომილებიან ელექტრონულ ზოლს, ხოლო ელექტრონები ამ ზოლში მოძრავი ხდება, როდესაც ის ნაწილობრივ დაცარიელდება. მიუხედავად ინტენსიური კვლევისა, მორფოლოგიას, ჯაჭვის სტრუქტურასა და გამტარობას შორის ურთიერთობა ჯერ კიდევ ცუდად არის გაგებული.

მათი ცუდი დამუშავების გამო, გამტარ პოლიმერებს მცირე მასშტაბის გამოყენება აქვთ. მათ აქვთ გარკვეული დაპირება ანტისტატიკური მასალებში და ჩაშენებულია კომერციულ დისპლეებში და ბატარეებში, მაგრამ ჰქონდათ შეზღუდვები წარმოების ხარჯების, მატერიალური შეუსაბამობის, ტოქსიკურობის, გამხსნელებში ცუდი ხსნადობის და პროცესის უშუალოდ დნობის შეუძლებლობის გამო. მიუხედავად ამისა, გამტარ პოლიმერები სწრაფად იზიდავს ახალ გამოყენებას, უფრო დამუშავებადი მასალებით, უკეთესი ელექტრული და ფიზიკური თვისებებით და დაბალი ხარჯებით. სტაბილური და რეპროდუცირებადი დისპერსიების ხელმისაწვდომობით, პოლი(3,4-ეთილენდიოქსითიოფენი) (PEDOT) და პოლიანილინმა მოიპოვა ფართომასშტაბიანი გამოყენება. მიუხედავად იმისა, რომ PEDOT ძირითადად გამოიყენება ანტისტატიკური აპლიკაციებში და გამჭვირვალე გამტარ ფენად PEDOT და პოლისტიროლის სულფონმჟავას (PSS, შერეული ფორმა: PEDOT:PSS) დისპერსიების სახით, პოლიანილინი ფართოდ გამოიყენება ბეჭდური მიკროსქემის დაფების დასამზადებლად, საბოლოო დასრულებაში. რათა დაიცვას სპილენძი კოროზიისგან და თავიდან აიცილოს მისი შედუღება. გამტარ პოლიმერების უფრო ახალი ნანოსტრუქტურული ფორმები ახალ იმპულსს აძლევს ამ სფეროს, მათი უფრო მაღალი ზედაპირის ფართობითა და უკეთესი დისპერსიადობით.

ცოტა ხნის წინ, ამ სფეროში დაინერგა სუპრამოლეკულური ქიმია, რომელიც იძლევა ახალ შესაძლებლობას მომავალი თაობის მოლეკულური ელექტრონიკის განვითარებისთვის. მაგალითად, ორი რიგის სიდიდის დენის ინტენსივობის გაზრდა მიღწეული იქნა კათიონური მოლეკულების ჩასმით სვეტის  არენის ღრუში.

იხ. ვიდეო - Introduction to Molecular Electronics