1 / 26

Molekylær elektronik – elektronik i nanostørrelse

Molekylær elektronik – elektronik i nanostørrelse. Kristian S. Thygesen Center for Atomic-scale Materials Design (CAMD) Institut for Fysik Danmarks Tekniske Universitet (DTU). Transistor (1961). Fra radiorør til mikrochips. Radiorør (1958). Transistor (2009).

xiu
Download Presentation

Molekylær elektronik – elektronik i nanostørrelse

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Molekylær elektronik – elektronik i nanostørrelse Kristian S. Thygesen Center for Atomic-scale Materials Design (CAMD) Institut for Fysik Danmarks Tekniske Universitet (DTU)

  2. Transistor (1961) Fra radiorør til mikrochips Radiorør (1958) Transistor (2009)

  3. Felt effekt transistoren (FET) • FET er baseret på halvleder materialet silicium (Si) • Elektroner kan ikke bevæge sig frit omkring i en ren Si krystal • Doping med B eller P atomer giver positive (p) eller negative (n) ladningsbærer • En transistor er en npn “sandwich” Høj gate spænding: Lav resistans Lav gate spænding: Høj resistans • Transistoren kan repræsentere en bit: Høj/lav resistans svarer til 1/0

  4. Moore’s lov for mikrochips

  5. Fremtidige udfordringer for Si chips • Inhomogen doping af Si • Lækstrømme: Elektroner kvante-tunnelerer gennem gate isolerende materialer • Energi kvantisering giver påvirker transistorens opførsel • Varmeproduktion • Komplekst design, høje omkostninger

  6. Doping af silicium • Når transistoren bliver tilstrækkelig lille, bliver doping meget inhomogen • Få doping atomer pr transistor -> stor variation i transistor egenskaber Silicium krystal med et dopant atom:

  7. Fremtidige udfordringer for Si chips • Inhomogen doping af Si • Lækstrømme: Elektroner kvante-tunnelerer gennem gate isolerende materialer • Energi kvantisering giver påvirker transistorens opførsel • Varmeproduktion • Komplekst design, høje omkostninger

  8. Kvante tunnelering M Isolator (SiO2)

  9. Kvante tunnelering M

  10. Fremtidige udfordringer for Si chips • Inhomogen doping af Si • Lækstrømme: Elektroner kvante-tunnelerer gennem gate isolerende materialer • Energi kvantisering giver påvirker transistorens opførsel • Varmeproduktion • Komplekst design, høje omkostninger

  11. - - + Energi kvantisering • Elektroner bevæger sig I faste (diskrete) baner med bestemte energier.

  12. Energi kvantisering

  13. Fremtidige udfordringer for Si chips • Inhomogen doping af Si • Lækstrømme: Elektroner kvante-tunnelerer gennem gate isolerende materialer • Energi kvantisering giver påvirker transistorens opførsel • Varmeproduktion • Komplekst design, høje omkostninger

  14. ”Plenty of room at the bottom” What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale[…] Would it be possible to write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? … and there is no question that there is enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica. Richard Feynman, 1959 Newton’s mekanilk: Kvante mekanik:

  15. Scanning Tunnel Mikroskop (STM) • Elektroner tunnellerer fra nål til overflade: • STM afbilder elektron tætheden på overfladen • Oversættes fra elektronstruktur til atomstruktur Simuleret STM billede af Si overflade: Animation af Jane H. Nielsen

  16. Molekylær elektronik Ide: Anvende enkelte molekyler som byggeklodser til produktion af elektroniske komponenter (transistor, resistor, switch, ledere, dioder, sensorer…) . • Fordele: • Billige materialer, lavt strømforbrug • Nano-størrelse • Stor flexibilitet i design og funktionalitet • Kvante effekter indbygget i funktionen

  17. Molekylær elektronik på computeren Nanoteknologi Hurtigere computere

  18. Fra nanokontakt til nanokæde • Den ultimativt mindste elektriske leder • Meget stærke kemiske bindinger • Elektrisk ledningsevne oscillerer som funktion af kædens længde (Ohms lov holder ikke på nano-skalaen!) Computer simuleringer af Sune Bahn

  19. Kemi på nano-skala • Metaller er mere kemisk aktive på nano-skala • Færre nabo atomer -> flere aktive kemiske bindinger

  20. Foto-aktiv molekylær transistor • Visse molekylet kan “switches” mellem to stabile tilstande ved absorption af lys (foton) Molekylet ændrer geometri h Energi Energi Energi Grundtilstand 1 Exciteret tilstand Grundtilstand 2

  21. Spændings-aktiv molekylær transistor • Molekyle mellem to metal kontakter • Molekylet kan “switches” mellem høj og lav modstand vha source-drain spændingspuls

  22. Høj sensitivitet (overflade/bulk) Billige materialer Kompakt Nano-skala gas sensor Fordele ved nano-sensorer Kulstof nanorør: A. R. Rocha et al, Phys. Rev. Lett. 100, 176803 (2008) J. Kong et al, Science287, 622 (2000)

  23. Nano-skala gas sensor Gas molekyler i luft V C B T A C A B “Target molekyle” B A C Aktive sites Antal molekyler på CNT Koncentration af “target” Elektrisk modtand af CNT

  24. Metal doping af carbon nanotube

  25. Screening Beregnet ændring i elektrisk modstand: Beregnet bindingsenergi:

  26. Ni doping af kulstofnanorør

More Related