Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
La corrente che attraversa una singola molecola deve essere
necessariamente misurabile.
Il fatto che una corrente di 1 nA potesse attraversare un singolo atomo in
contatto con la punta di un STM fu all’inizio messo in dubbio.
In realta’ una corrente di 1 nA corrisponde a 6.25x109 elettroni/s che
corrispondono ad un tempo di residenza di 0.16 ns per ciascun evento
di tunnel.
Sulla scala atomica questo non e’ un tempo piccolo. I tempi alla base della
dinamica degli elettroni negli atomi sono molto inferiori, per esempio il
periodo orbitale di un elettrone 1s nell’idrogeno e’ di 8x 10−15s.
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
Abbiamo visto in precedenza che le correnti negli anelli benzenici sono
dell’ordine di diversi nA.
Le misure fatte sui nanotubi di carbonio (aventi sempre dei legami di tipo
sp2) mostrano correnti dell’ordine dei nA attraverso ciascuno degli
atomi di C.
La resistenza di una molecola puo’ essere considerata come una
resistenza di contatto piu’ la somma delle resistenze di ciascuno
dei legami.
I legami doppi nei composti aromatici hanno basse resistenze mentre altri
tipi di legami hanno resistenze maggiori.
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
Mentre un legame interno in una molecola e’ un
elemento riproducibile il contatto tra una data
molecola ed un circuito esterno di misura non e
riproducibile.
Uno studio della resistenza di contatto di una molecola e’
stato compiuto di recente. Gli autori hanno utilizzato un
STM con una punta d’oro immerso in una
soluzione contenete una piccola quantita’ di 4-4’bipiridina e N-alcani-ditioli.
Gli atomi terminali della 4-4’-bipiridina sono atomi di
azoto che si lega all’oro (affinita’ oro-azoto).
I gruppi terminali del ditiolo sono atomi di zolfo
che si legano anch’essi all’oro.
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
L’apparato mostra i gradini di conduttanza (in unita’ 2e2/h) descritti in
precedenza sia in presenza del nanofilo d’oro sia in presenza delle molecole
al posto del nanofilo.
I valori della conduttanza sono multipli di 0.01G0.
La resistenza della 4-4’-bipiridina misurata tra i due atomi di azoto
e’ circa 1.3MΩ.
La presenza di multipli di 0.01G0 (NX0.01G0) e’ stata attribuita alla
presenza di N giunzioni in parallelo corrispondenti a N molecole.
Invece il nanofilo d’oro riesce intrisecamente a creare N canali
interni di conduzione creando il profilo a gradini.
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
Se si usano invece le 2-2’-bipiridina in cui
l’atomo di azoto e’ presente in altre
posizioni, tali molecole non riescono a creare
simultaneamente due contatto con l’oro e gli
effetti di conduttanza a gradini spariscono.
Tale effetto svanisce anche quando il potenziale
della soluzione rispetto all’oro e’ negativo in modo
da non far legare le 4-4’-bipiridine.
Il motivo per cui risulta che la conduttanza e’
multiplo di 0.01 G0 non G0 e’ dovuto ad effetti
legati alla barriera per il tunnel
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
In una molecola risulta infatti che G = G0
exp(−βN ), dove N e’ il numero di
legami che agiscono da barriera per
il tunnel.
Ponendo β uguale a 1 risulta che N’
e’ uguale a 2.303.
Tale valore e’ attribuito all’effetto delle
barriere oro-azoto, azoto-anello
,anello-anello,anello-azoto,azotooro.
Le corrispondenti resistenze in
questo caso sono:10.5,51 e 630
megohms per le catene da 6,8 e
10 ditioli. .
Sono state studiate anche le molecole
lineari N-alcano-ditioli (N=6,8,10
corrispondenti a esano,ottano e decano).
In questo caso sono stati misurati
valori di conduttanza corrispondenti
a G = 0.77xG0 exp(−βN) con β = 1 ±
0.1 per ogni atomo di carbonio.
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
Questi esperimenti mostrano come i legami chimici agiscano come
barriere per il tunnel in modo che la funzione d’onda elettronica
decada esponenzialmente attraverso il legame.
E’ stato scoperto sperimentalmente che la resistenza di una catena lineare
di molecole con legami singoli cresce esponenzialmente con il
numero di legami della catena.
In altri legami chimici (doppi o tripli) gli elettroni si propagano con
decadimento piccolo o nullo come succede nei metalli o nelle
giunzioni Josephson. Per esempio nel benzene gli elettroni sono
sostanzialmente liberi di muoversi.
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
Alcuni gruppi chimici nei quali degli anelli
circondano un atomo metallico (Co) si
comportano da isole nelle quali gli elettroni
si possono localizzare.
Il potenziale di queste isole puo’ essere cambiato
da un campo elettrico esterno generato
attraverso un elettrodo di gate.
Dispositivi tipo SET possono essere generati se le
barriere per il tunnel, costituite dai legami
covalenti, hanno resistenze dell’ordine dei
25MΩ.
Nel caso in cui le resistenze siano inferiori e’
sempre possibile creare delle giunzioni tunnel e
dei dispositivi SET.
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
A seconda delle molecole utilizzate e’ possibile riuscire a creare
dispositivi molecolari che si comportano da diodi, FET o
dispositivi piu’ complessi.
Le difficolta’ maggiori sono quelle legate alla fabbricazione dei
dipositivi ed in particolare l’integrazione dei dispositivi
molecolari su scale piu’ grandi.
In particolare la difficolta’ maggiore e’ quella di posizionare il tipo giusto
di molecola (con i legami specifici per una determinata funzione)
nella posizione assegnata.
Molecole singole come elementi attivi nei
circuiti elettronici
Alcuni gruppi chimici nei quali degli anelli circondano un atomo metallico
(Co) si comportano da isole nelle quali gli elettroni si possono
localizzare.
Il potenziale di queste isole puo’ essere cambiato da un campo elettrico
esterno generato attraverso un elettrodo di gate.
Dispositivi tipo SET possono essere generati se le barriere per il tunnel,
costituite dai legami covalenti, hanno resistenze dell’ordine dei
25MΩ.
Nel caso in cui le resistenze siano inferiori e’ sempre possibile creare delle
giunzioni tunnel e dei dispositivi SET.
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
I nanotubi di Carbonio possono
essere considerati come molecole
singole o come elementi che
possono
essere
inseriti
all’interno di un chip a base
silicio
per
formare
una
struttura ibrida.
Un’utilizzo molto ambizioso dei
nanotubi di carbonio e quello
legato alla RAM.
Una griglia m x n di nanotubi
e’ stata proposta. Cio’ fornisce
intersezioni con dimensioni
del nananometro (giunzioni).
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
I due gruppi di nanotubi sono posti in modo tale che lo spazio tra le
superfici dei nanotubi varia da 0.3 a 6nm.
Ogni giunzione tra i nanotubi si comporta come una giunzione tunnel
avente limitate dimensioni e operante ad alte frequenze.
Nello stato fondamentale della giunzione (off) ogni nanotubo e’ dritto e la
separazione iniziale tra i nanotubi corrisponde ad un alta
resistenza di tunnel tra i due tubi.
L’energia di interfaccia tra due nanotubi e’ data da:
E = Evan−der −Waals + Eelastic + Eelectrostatic
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
Il primo termine e’ attrattivo ed ha una forma del tipo:
Evan−der −Waals = -AS/12 d2
dove S e’ l’area di contatto e d la distanza e A la costante di Hamaker (10−19J)
L’energia elastica puo’ essere stimata come:
Eelastic = ½ K y2
dove K e’ la costante elastica del nanotubo e y e’ lo spostamento
del centro del nanotubo superiore verso quello inferiore.
Una semplice stiima dell’energia elettrostatica è:
Eelectrostatic=1/2 C V2
dove C e la capacitanza effettiva tra i nanotubi che si incrociano e
V e’ la differenza di potenziale tra i nanotubi.
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
La capacitanza trai i nanotubi cresce al diminuire della loro
distanza. La capacitanza corrispondente a questa geometria e’ di circa
10−7pF .
Il voltaggi V1 e V2 vengono applicati tra i nanotubi e il substrato. Per
valori corrispondenti a V1=3V e V2=-3V esiste un minimo stabile del
sistema corrispondente ad una separazione tra i nanotubi di 0.3
nm.
Variando il voltaggio V1=20V e V2=20V tale minimo sparisce.
In definitiva e’ stato stabilito che e’ necessario un valore di potenziale
attrattivo di almeno 4 V per avere l’avvicinamento dei nanotubi ed un
potenziale repulsivo di almeno 20 V per ottenere la separazione.
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
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L’energia di legame attrattiva corrispondente ad un potenziale di 4V e’ circa
4.5x10-18 J=28.1 eV. Tali calcoli sono basati su nanotubi single-wall di
tipo (10,10). Il diametro corrispondente e’:
dtube = π−1 a(nn + mm + nm)1/2 dove a=0.249 nm.
Per un nanotubo (10,10) d=1.37nm.
Applicando un voltaggio al nanotubo superiore ci sara’ una forza
attrattiva che velocemente porta i due nanotubi ad avvicinarsi.
In corrispondenza delle separazioni piu’ piccole (0.3 nm) la forza di van
der Waals attrattiva blocchera’ i due nanotubi in quella posizione
corrispondente all’ON.
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
In questa configurazione la resistenza di tunnel della giunzione e’
fortemente ridotta da 1 fino a 0.1 GΩ.
Tale distorsione e’ stabile fino a che un secondo impulso riesce
ad allontanare i due nanotubi.
Le dimensioni del sistema devono essere di almeno 20 nm per avere
separazioni iniziale dei nanotubi apprezzabili. Cio’ significa che il numero
di dispositivi per cm e’ dell’ordine di 0.5x 10 6 .
In un chip di 1 cm2 ci sarebbe un altissima densita’ di dispositivi
(1011 ).
La frequenza di switch stimata e’ di circa 100 GHz.
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
La fabbricazione di RAM basate su questa tecnologia rappresenta una sfida
tecnologica.
L’assunzione e’ che nanotubi sufficientemente lunghi sia ancorati
meccanicamente al substrato sottostante attraverso un supporto
elastico di dimensione di 20 nm.
La produzione di una griglia di supporti richiede l’utilizzo di tecniche
sperimentali molto complesse e costose.
I nanotubi di sufficiente lunghezza possono essere prodotti attraverso la
chemical vapor deposition CVD. Il problema principale e’ quello
di creare la griglia di nanotubi sul substrato.
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
Un problema serio relativo alla miniaturizzazione dei dispositivi a base silicio
e’ che le celle di memoria diventano poco efficienti al diminuire
della dimensione.
Le memorie RAM dinamiche standard (DRAM) sono costituite da un
capacitore ed un transistor. Quando le dimensioni del capacitore
diventano molto piccole lo strato di ossido diventa talmente sottile da
permettere il tunnel degli elettroni. Cio’comporta una perdita di
informazione.
Se si riuscisse a costruire un capacitore verticale sarebbe possibile
riuscire a ridurre le dimensioni della memoria senza avere
problemi di perdita di elettroni.
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
Uno schema di questo tipo e’ stato proposto di recente. In linea di principio
la fabbricazione di tali memorie e’ meno complessa rispetto al caso precedente.
Nanoelettronica ibrida:combinazione di
CMOS a base Si
e di elettronica molecolare:CMOL
La capacitanza del nanotubo di sinistra di lunghezza L con diametri degli
elettrodi interni ed esterni rispettivamente a e b e’:
dove kc e’ la costante di Coulomb ε e’ la costante dielettrica dell’ossido
depositato (SiNx ).
Considerando i valori L=1μm, a=60 nm, b=140 nm e ε= 7.5(Si3 N4).
che rappresenta un valore molto piccolo di capacitanza.
Processori 16-bit basati sull’auto
aggregazione di molecole
Recentemente e’ stato fabbricato un anello formato da 17 molecole di
benzene sostituito creato dall’auto-aggregazione di tali molecole.
La struttura corrispondente e’ planare con diametro di circa 2.5 nm
L’orientazione di 16 molecole di benzene e’ verticale con gli atomi
di ossigeno orientati radialmente.
I gruppi metilici hanno vari gradi di liberta’ rotazionali ma quelli interni sono
bloccati in una posizione.Solo quelli esterni si possono orientare.
E’ stato testato un protocollo che permette l’auto aggregazione
delle 17 molecole nella struttura indicata.
Processori 16-bit basati sull’auto
aggregazione di molecole
Processori 16-bit basati sull’auto
aggregazione di molecole
La capacita’ di elaborazione di questo aggregato e’ 416 = 4.29x 109
corrispondente a 16 oggetti per ciascuno dei quali ci sono 4 stati
distinti.
Il protocollo necessario per l’auto aggregazione consiste nell’evaporare le
molecole su una superficie di oro a 77 K dove tendono a rimanere planari e
tendono ad aggregarsi in seguito alle interazioni van der Waals.
Alcuni aggregati sono costituito da 4 molecole 6 che si aggregano
in configurazioni a quadrato o esagono.
Gli aggregati con 12 e 16 molecole tendono ad essere semicerchi.
Aggiungendo un molecola addizionale al semicerchio da 16
molecole crea un aggregato fatto da 16 molecole verticali con
all’interno una molecola.
Processori 16-bit basati sull’auto
aggregazione di molecole
.
E’ stato scoperto che una variazione nella configurazione della
molecola centrale e’ indotta introducendo una carica dalla punta di
un STM.
Questa cambiamento configurazionale induce un effetto domino
sulle altre molecole circostanti.
Assumendo che ciascuna delle molecole circostanti possa assumere 4
diverse configurazioni si arriva a 416 = 4.29x 109 corrispondente a
32 bit.
Superconduttori
Superconduttori
Superconduttori
Effetto Meissner
Effetto Meissner
Effetto Meissner
Lunghezza di penetrazione di London
Lunghezza di penetrazione di London
Superconduttori di tipo I e di tipo II
Superconduttori di tipo I e di tipo II
Superconduttori di tipo I e di tipo II
Superconduttori di tipo I e di tipo II
Teoria BCS
Teoria BCS
Teoria BCS
Teoria BCS
Teoria BCS
Teoria BCS
La lunghezza di coerenza
La lunghezza di coerenza
Parametro d'ordine dello stato
superconduttore
Il gap superconduttore
Il gap superconduttore
Il gap superconduttore
