Eletrônica Molecular

Eletrônica Molecular
Raphael Fernandes Vilela – IQ/UFRJ
Rio de Janeiro, RJ, Brasil
Histórico

1940 – Válvulas

1947 – Primeiro Transistor

1960 – Chips

2000 – 109 Transistores por
processador
Limites da Microeletrônica

Dissipação de Calor

Efeitos Quânticos

Top-Down
“do grande para o pequeno”
Moléculas

Nano naturalmente

Bottom-Up
A partir do pequeno,
montar o grande
Conductance of a Molecular Junction - M. A. Reed, et al.
Science 278, 252 (1997) - DOI: 10.1126/science.278.5336.252
http://www.sciam.com/2000/0600issue/0600reed.html
Molécula
eV
E
“Fio Quântico”
Eletrodo
Eletrodo
http://omnis.if.ufrj.br/~tclp/SemanaFIS.html (Nanotubos de Carbono, Rodrigo
Capaz)
Portais Lógicos


Tradicional (transistores):
1 = presença de corrente
0 = ausência
Eletrônica Molecular:
entrada: adição de reagente
saída: espectroscopia

Exemplo:
Portal AND
Adição de X (X=1)
sem Y (Y=0): 1*0=0


Exemplo:
Portal AND
Adição de X (X=1)
seguida de Y (Y=1):
1*1=1
Conclusão: 1 se X E
Y, simultaneamente
Nanofios e Pontos Quânticos
Poço Quântico
3D
2D
Nanofio
1D
Ponto Quântico
0D
Nanofios

Grande relação comprimento/diâmetro

Interruptores optoeletrônicos
Nanofio de ZnO, em ultravioleta, diminui de 4 a 6 ordens de grandezas na resistividade
ref.: Kind H., Yan H., Messer B., Law M. and Yang P., Nanowire ultraviolet
photodetectors and optical switches, Adv. Mater. 14(2002) pp.158-160.

Condução de eletricidade

Portais lógicos

Transistores de Efeito de Campo (FET)
Pontos Quânticos



Pontos Quânticos, quantum dots,
Nanocristais: níveis discretos x bandas
dos sólidos – Átomos artificiais
Dimensões menores que o comprimento
de onda de um elétron do cristal
Espectroscopia: Emissão em um
comprimento de onda característico;
função do tamanho
Algumas moléculas
interessantes...

Rotaxanos

Catenanos
Síntese: Reconhecimento Molecular
Interações Intermoleculares
Bit com Rotaxano



Jonathan E. Green et.al. – A 160-kilobit
molecular electronic memory patterned at
1011 bits per square centimetre – Nature – 25
Jan 2007 – Vol.: Vol. 445, 414 – 417
Voltagem – mudança da posição do macrociclo
Diferentes pontos de Interação
Intermolecular
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110070207
Algumas moléculas
interessantes...
Fullerenos
Nanotubos
formas alotrópicas do Carbono
Fullerenos

Clusters de Carbono

C60 – esférico
H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl e R. E. Smalley,
Nature 318, 162 (1985).
C70,C118C540, etc
MWCN
Nanotubos
SWCN
Nanotubos de Carbono

Folha enrolada de átomos de Carbono
sp² (grafeno)
www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf
Condutividade de Nanotubos
q = 0°  zigzag (n,0)
q = 30°  armchair (n,n)
0º<q<30°  misto (n,m)
Condutividade de Nanotubos
(n,n)  condutores
(n,0), n múltiplo de 3  semicondutores
(n,0)  semimetálicos
(n,m)  depende de (n-m) ser múltiplo de 3
Aplicações

C60 em FET - Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq,
Bernard Kippelen – High-performance and electrically
stable C60 organic field-effect transistors – Applied
Physics Letters – Vol.: 91, 092114

Nanotubos como pontas de AFM

Nanotubos: nanofios


Nanotubos: flexibilidade e
resistência mecânica
Fármacos
Preparo e Caracterização
Nanofios e Pontos Quânticos

Crescimento Epitaxial – depositar de
maneira ordenada
Imagem de epitaxia

LPE (Epitaxia em fase líquida), VPE
(Epitaxia em fase vapor), MEB (Epitaxia
por Feixe Molecular), MOCVD
(Deposição Química de Vapor
Metalorgânica).
LPE
MBE
Vantagem
Desvantagem
Simples
Barata
Alta taxa de
crescimento
Segura
Baixa manutenção
Baixa produtividade
Baixa pureza
Não pode crescer poços
quânticos
Filme não uniforme
Interfaces não abruptas
Simples
Uniforme
Excelente morfologia
Interface abrupta
Controle in-situ
Alta pureza
Alto custo (vácuo)
Alta manutenção
Defeitos ovais
Flexível
MOCVD Interface abrupta
Excelente morfologia
Alta pureza
Usado industrialmente
Segurança (Arsina)
Fontes caras
Crescimento complicado
http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm
Crescimento heteroepitaxial
(a) Volmer-Weber (b) Frank – van der Merwe (c) crescimento misto
http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/fredthesis/chapter1.htm

Material descasado  tensão

Formação de ilhas  Pontos Quânticos
http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm
Fullerenos



C60  Descarga elétrica em
Grafita e solubilização em
Tolueno
Separação com Cromatografia
Líquida de alta Eficiência
(HPLC)
Síntese Orgânica:
A Rational Chemical
Synthesis of C60 –
Lawrence T. Scott, et
al. – Science 295,
1500 (2002)
Fullerenos

Caracterização por Espectrometria de
Massas
A Rational Chemical Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science 295, 1500 (2002)
Nanotubos de Carbono

Descarga por Arco
Voltaico
-Dois eletrodos de grafita
-Pequena distância  Corrente
-Nanotubos no Ânodo

Ablação por Laser
-Aquecimento de Grafita com Laser (ex, Nd:YAG)
JOURNET, C., BERNIER, P. – Production of
Carbon Nanotubos – Appl. Phys. A, 67, pp. 1 a
9, 1998
http://lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia
_lqes/vivencia_lqes_monografias.html
-SWCN  nanopartículas de metais de tansição
-Mais puros que no Arco*
* Odair Pastor Ferreira – Nanotubos de Carbono: preparo e caracterização – Monografia – LQES
http:// lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia_lqes/vivencia_lqes_monografias.html
Nanotubos de Carbono

CVD (Deposição Química por vapor)
Nanofios e Nanotubos
 Nanopartícula de metal num substrato
 Deposição de gases contendo Carbono



Hidrocarbonetos, Álcoois, CO
Temperatura menor  Indústria
Nanotubos de Carbono
Caracterização

TEM

Microscopia Eletrônica de Transmissão
www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf
http://www.cbpf.br/~emecbpf/HRTEM_Fichtner_A.pdf
Nanotubos de Carbono
Caracterização

SEM


Microscopia Eletrônica de Varredura
SEM x TEM
TEM – átomos individuais (E(e-) maior, l
menor)
 SEM – superfícies maiores

www.ccs.unicamp.br/namitec/files/AtivB4_2_PUC-RIO.pdf
Nanotubos de Carbono
Caracterização

Espectroscopia RAMAN
Vibração
 Respiração  determinar diâmetro

http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/raman/raman_scattering.php
http://resources.renishaw.com/en/details/download(11223)
Nanotubos de Carbono
Caracterização

Difração de Raio-X
http://www.metalmat.ufrj.br/escolanano/Caract_catalisadores_Carlos_AndrePerez.pdf
Catenanos e Rotaxanos


Síntese dos blocos
Montagem com Reconhecimento Molecular
O que vem por aí...


Transistor: Transfer Resistor
Hoje: Silício
Amanhã: ?
O que já existe



Filmes Finos
FET de C60 - Xiao-Hong Zhang, Benoit
Domercq, Bernard Kippelen – Highperformance and electrically stable C60
organic field-effect transistors – Applied
Physics Letters – Vol.: 91, 092114
Tióis - Jan Hendrik Schön, Hong Meng &
Zhenan Bao - Self-assembledmonolayer
organic field-effect transistors - NATURE VOL 413 - 18 OCTOBER 2001
O que já existe


Memórias baseadas em Rotaxanos Jonathan E. Green et. all – A 160-kilobit
molecular electronic memory patterned
at 1011 bits per square centimetre –
Nature – 25 Jan 2007 – Vol.: Vol. 445,
414 – 417
“Biochips” - Héctor A. Becerril, Adam T.
Woolley Small – DNA Shadow
Nanolithography – 20 Aug 2007 – Vol.: 3,
Issue 9 , Pages 1534 – 1538
Perspectivas




Desenvolver dispositivos independentes da
Eletrônica do Silício
Comercialização
Controle da qualidade dos Nanotubos
(Quiralidade, Imperfeições, Tamanho)
Meio-ambiente
Agradecendo a sua audiência
e a sua paciência

Fim