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Eletrônica Molecular

Eletrônica Molecular. Raphael Fernandes Vilela – IQ/UFRJ Rio de Janeiro, RJ, Brasil. Histórico. 1940 – Válvulas 1947 – Primeiro Transistor 1960 – Chips 2000 – 10 9 Transistores por processador. Limites da Microeletrônica. Dissipação de Calor Efeitos Quânticos Top-Down .

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Presentation Transcript

  1. Eletrônica Molecular Raphael Fernandes Vilela – IQ/UFRJ Rio de Janeiro, RJ, Brasil

  2. Histórico • 1940 – Válvulas • 1947 – Primeiro Transistor • 1960 – Chips • 2000 – 109 Transistores porprocessador

  3. Limites da Microeletrônica • Dissipação de Calor • Efeitos Quânticos • Top-Down “do grande para o pequeno”

  4. 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

  5. http://www.sciam.com/2000/0600issue/0600reed.html

  6. Molécula eV E Eletrodo Eletrodo “Fio Quântico” http://omnis.if.ufrj.br/~tclp/SemanaFIS.html (Nanotubos de Carbono, Rodrigo Capaz)

  7. Portais Lógicos • Tradicional (transistores): 1 = presença de corrente0 = ausência • Eletrônica Molecular:entrada: adição de reagentesaída: espectroscopia

  8. Exemplo:Portal ANDAdição de X (X=1) sem Y (Y=0): 1*0=0

  9. Exemplo:Portal ANDAdição de X (X=1) seguida de Y (Y=1): 1*1=1 • Conclusão: 1 se X E Y, simultaneamente

  10. Nanofios e Pontos Quânticos Poço Quântico Nanofio Ponto Quântico (Ga,Al)-As Ga-As (Ga,Al)-As 2D 1D 0D 3D

  11. Nanofios • Grande relação comprimento/diâmetro • Interruptores optoeletrônicos • Condução de eletricidade • Portais lógicos • Transistores de Efeito de Campo (FET) Nanofio de ZnO, em ultravioleta, diminui de 4 a 6 ordens de grandezas na resistividaderef.: Kind H., Yan H., Messer B., Law M. and Yang P., Nanowire ultraviolet photodetectors and optical switches, Adv. Mater. 14(2002) pp.158-160.

  12. 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

  13. Algumas moléculas interessantes... • Catenanos • Rotaxanos Síntese: Reconhecimento Molecular Interações Intermoleculares

  14. 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

  15. Algumas moléculas interessantes... Fullerenos Nanotubos formas alotrópicas do Carbono

  16. Fullerenos • Clusters de Carbono • C60 – esféricoC70,C118C540, etcNanotubos H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl e R. E. Smalley, Nature 318, 162 (1985). MWCN SWCN

  17. Nanotubos de Carbono • Folha enrolada de átomos de Carbono sp² (grafeno) www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf

  18. Condutividade de Nanotubos q = 0°  zigzag (n,0)q = 30°  armchair (n,n)0º<q<30°  misto (n,m)

  19. 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

  20. 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

  21. Preparo e Caracterização

  22. Nanofios e Pontos Quânticos • Crescimento Epitaxial – depositar de maneira ordenada • LPE (Epitaxia em fase líquida), VPE (Epitaxia em fase vapor), MEB (Epitaxia por Feixe Molecular), MOCVD (Deposição Química de Vapor Metalorgânica). Imagem de epitaxia

  23. http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm

  24. Crescimento heteroepitaxial • Material descasado  tensão • Formação de ilhas  Pontos Quânticos (a) Volmer-Weber (b) Frank – van der Merwe (c) crescimento misto http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/fredthesis/chapter1.htm

  25. http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm

  26. 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)

  27. Fullerenos • Caracterização por Espectrometria de Massas A Rational Chemical Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science 295, 1500 (2002)

  28. Nanotubos de Carbono • Descarga por Arco Voltaico • Ablação por Laser -Dois eletrodos de grafita-Pequena distância  Corrente-Nanotubos no Ânodo JOURNET, C., BERNIER, P. – Production of Carbon Nanotubos – Appl. Phys. A, 67, pp. 1 a 9, 1998http://lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia_lqes/vivencia_lqes_monografias.html -Aquecimento de Grafita com Laser (ex, Nd:YAG) -SWCN  nanopartículas de metais de tansição -Mais puros que no Arco* * Odair Pastor Ferreira – Nanotubos de Carbono: preparo e caracterização – Monografia – LQEShttp:// lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia_lqes/vivencia_lqes_monografias.html

  29. 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

  30. Nanotubos de CarbonoCaracterização • 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

  31. Nanotubos de CarbonoCaracterização • 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

  32. Nanotubos de CarbonoCaracterização • Espectroscopia RAMAN • Vibração • Respiração  determinar diâmetro http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/raman/raman_scattering.php http://resources.renishaw.com/en/details/download(11223)

  33. Nanotubos de CarbonoCaracterização • Difração de Raio-X http://www.metalmat.ufrj.br/escolanano/Caract_catalisadores_Carlos_AndrePerez.pdf

  34. Catenanos e Rotaxanos • Síntese dos blocos • Montagem com Reconhecimento Molecular

  35. O que vem por aí... • Transistor: Transfer Resistor • Hoje: SilícioAmanhã: ?

  36. O que já existe • Filmes Finos • FET de C60 - Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – High-performance 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

  37. 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

  38. Perspectivas • Desenvolver dispositivos independentes da Eletrônica do Silício • Comercialização • Controle da qualidade dos Nanotubos (Quiralidade, Imperfeições, Tamanho) • Meio-ambiente

  39. Agradecendo a sua audiência e a sua paciência • Fim

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