Download - Eletrônica Molecular
Eletrônica Eletrônica MolecularMolecular
Raphael Fernandes Vilela – IQ/UFRJRaphael Fernandes Vilela – IQ/UFRJ Rio de Janeiro, RJ, BrasilRio de Janeiro, RJ, Brasil
HistóricoHistórico 1940 – Válvulas1940 – Válvulas
1947 – Primeiro Transistor1947 – Primeiro Transistor
1960 – Chips1960 – Chips
2000 – 102000 – 1099 Transistores por Transistores porprocessadorprocessador
Limites da Limites da MicroeletrônicaMicroeletrônica
Dissipação de CalorDissipação de Calor
Efeitos QuânticosEfeitos Quânticos
Top-Down Top-Down ““do grande para o pequeno”do grande para o pequeno”
MoléculasMoléculas
Nano naturalmenteNano naturalmente
Bottom-UpBottom-Up
A partir do pequeno, A partir do pequeno,
montar o grandemontar 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
eV
E
Eletrodo Eletrodo
Molécula
“Fio Quântico”
http://omnis.if.ufrj.br/~tclp/SemanaFIS.html (Nanotubos de Carbono, Rodrigo Capaz)
Portais LógicosPortais Lógicos
Tradicional (transistores): Tradicional (transistores): 1 = presença de corrente1 = presença de corrente0 = ausência0 = ausência
Eletrônica Molecular:Eletrônica Molecular:entrada: adição de reagenteentrada: adição de reagentesaída: espectroscopiasaída: espectroscopia
Exemplo:Exemplo:Portal ANDPortal ANDAdição de X (X=1) Adição de X (X=1) sem Y (Y=0): sem Y (Y=0): 1*0=01*0=0
Exemplo:Exemplo:Portal ANDPortal ANDAdição de X (X=1) Adição de X (X=1) seguida de Y seguida de Y (Y=1): 1*1=1(Y=1): 1*1=1
Conclusão: 1 se X Conclusão: 1 se X E E Y, Y, simultaneamentesimultaneamente
3D3D 2D2D 1D1D 0D0D
Nanofios e Pontos Nanofios e Pontos QuânticosQuânticos
Poço QuânticoPoço Quântico NanofioNanofio Ponto QuânticoPonto Quântico
(Ga,Al)-As(Ga,Al)-As
Ga-AsGa-As
(Ga,Al)-As(Ga,Al)-As
NanofiosNanofios
Grande relação comprimento/diâmetroGrande relação comprimento/diâmetro
Interruptores optoeletrônicosInterruptores optoeletrônicos
Condução de eletricidadeCondução de eletricidade
Portais lógicosPortais lógicos
Transistores de Efeito de Campo (FET)Transistores de Efeito de Campo (FET)
Nanofio de ZnO, em ultravioleta, diminui de 4 a 6 ordens de grandezas na resistividadeNanofio de ZnO, em ultravioleta, diminui de 4 a 6 ordens de grandezas na resistividaderef.: ref.: Kind H., Yan H., Messer B., Law M. and Yang P., Nanowire ultravioletphotodetectors and optical switches, Adv. Mater. 14(2002) pp.158-160.
Pontos QuânticosPontos Quânticos
Pontos Quânticos, Pontos Quânticos, quantum dots, quantum dots, Nanocristais: níveis discretos x Nanocristais: níveis discretos x bandas dos sólidos – Átomos bandas dos sólidos – Átomos artificiaisartificiais
Dimensões menores que o Dimensões menores que o comprimento de onda de um elétron comprimento de onda de um elétron do cristaldo cristal
Espectroscopia: Emissão em um Espectroscopia: Emissão em um comprimento de onda característico; comprimento de onda característico; função do tamanhofunção do tamanho
Algumas moléculas Algumas moléculas interessantes...interessantes...
RotaxanosRotaxanos CatenanosCatenanos
Síntese: Reconhecimento MolecularSíntese: Reconhecimento Molecular
Interações IntermolecularesInterações Intermoleculares
Bit com RotaxanoBit com Rotaxano Jonathan E. Green et.al. – A 160-kilobit Jonathan E. Green et.al. – A 160-kilobit
molecular electronic memory patterned at molecular electronic memory patterned at 1011 bits per square centimetre – Nature – 1011 bits per square centimetre – Nature – 25 Jan 2007 – Vol.: Vol. 445, 414 – 41725 Jan 2007 – Vol.: Vol. 445, 414 – 417
Voltagem – mudança da posição do Voltagem – mudança da posição do macrociclomacrociclo
Diferentes pontos de Interação Diferentes pontos de Interação IntermolecularIntermolecular
http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110070207
Algumas moléculas Algumas moléculas interessantes...interessantes...
formas alotrópicas do Carbonoformas alotrópicas do Carbono
FullerenosFullerenos
NanotuboNanotuboss
FullerenosFullerenos
Clusters de Clusters de CarbonoCarbono
CC6060 – esférico – esférico
CC7070,C,C118118CC540540, etc, etc
NanotubosNanotubos SWCNSWCN
MWCNMWCN
H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl e R. E. Smalley, Nature 318, 162 (1985).
Nanotubos de CarbonoNanotubos de Carbono
Folha enrolada de átomos de Folha enrolada de átomos de Carbono sp² (grafeno)Carbono sp² (grafeno)
www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdfwww.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf
Condutividade de Condutividade de NanotubosNanotubos
= 0° = 0° zigzag (n,0) zigzag (n,0) = 30° = 30° armchair (n,n) armchair (n,n)0º<0º<<30° <30° misto (n,m) misto (n,m)
Condutividade de Condutividade de NanotubosNanotubos
(n,n) (n,n) condutores condutores
(n,0), n múltiplo de 3 (n,0), n múltiplo de 3 semicondutores semicondutores
(n,0) (n,0) semimetálicos semimetálicos
(n,m) (n,m) depende de (n-m) ser múltiplo de depende de (n-m) ser múltiplo de 33
AplicaçõesAplicações
CC6060 em FET - em FET - Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – Bernard Kippelen – High-performance and High-performance and electrically stable C60 organic field-effect electrically stable C60 organic field-effect transistors – transistors – Applied Physics Letters – Vol.: 91, Applied Physics Letters – Vol.: 91, 092114092114
Nanotubos como pontas de AFMNanotubos como pontas de AFM
Nanotubos: nanofiosNanotubos: nanofios
Nanotubos: flexibilidade e Nanotubos: flexibilidade e resistência mecânicaresistência mecânica
FármacosFármacos
Preparo e CaracterizaçãoPreparo e Caracterização
Nanofios e Pontos Nanofios e Pontos QuânticosQuânticos
Crescimento Epitaxial – depositar de Crescimento Epitaxial – depositar de maneira ordenadamaneira ordenada
LPE (Epitaxia em fase líquida), VPE LPE (Epitaxia em fase líquida), VPE (Epitaxia em fase vapor), MEB (Epitaxia em fase vapor), MEB (Epitaxia por Feixe Molecular), (Epitaxia por Feixe Molecular), MOCVD (Deposição Química de MOCVD (Deposição Química de Vapor Metalorgânica).Vapor Metalorgânica).
Imagem de epitaxiaImagem de epitaxia
Vantagem Desvantagem
LPE
SimplesBarataAlta taxa de crescimentoSeguraBaixa manutenção
Baixa produtividadeBaixa purezaNão pode crescer poços quânticosFilme não uniformeInterfaces não abruptas
MBE
SimplesUniformeExcelente morfologiaInterface abruptaControle in-situAlta pureza
Alto custo (vácuo)Alta manutençãoDefeitos ovais
MOCVD
FlexívelInterface abruptaExcelente morfologiaAlta purezaUsado industrialmente
Segurança (Arsina)Fontes carasCrescimento complicado
http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm
Crescimento Crescimento heteroepitaxialheteroepitaxial
(a) Volmer-Weber (b) Frank – van der Merwe (c) crescimento misto
http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/fredthesis/chapter1.htm
Material descasado Material descasado tensão tensão
Formação de ilhas Formação de ilhas Pontos Pontos QuânticosQuânticos
http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm
FullerenosFullerenos CC6060 Descarga elétrica em Descarga elétrica em
Grafita e solubilização em Grafita e solubilização em ToluenoTolueno
Separação com Separação com Cromatografia Líquida de Cromatografia Líquida de alta Eficiência (HPLC)alta Eficiência (HPLC)
Síntese Orgânica:Síntese Orgânica:A Rational Chemical A Rational Chemical Synthesis of C60 – Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, Lawrence T. Scott, et et al. – Science al. – Science 295, 295, 1500 (2002)1500 (2002)
FullerenosFullerenos
Caracterização por Espectrometria Caracterização por Espectrometria de Massasde Massas
A Rational Chemical Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, A Rational Chemical Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science et al. – Science 295, 1500 (2002)295, 1500 (2002)
Nanotubos de CarbonoNanotubos de Carbono
Descarga por Arco Descarga por Arco VoltaicoVoltaico
Ablação por LaserAblação por Laser
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
-Dois eletrodos de grafita-Dois eletrodos de grafita-Pequena distância -Pequena distância Corrente Corrente
-Nanotubos no Ânodo-Nanotubos no Ânodo
-Aquecimento de Grafita com Laser (ex, Nd:YAG)-Aquecimento de Grafita com Laser (ex, Nd:YAG)
-SWCN -SWCN nanopartículas de metais de tansiçãonanopartículas de metais de tansição
-Mais puros que no Arco*-Mais puros que no Arco*
* Odair Pastor Ferreira – Nanotubos de Carbono: preparo e caracterização – Monografia – * Odair Pastor Ferreira – Nanotubos de Carbono: preparo e caracterização – Monografia – LQESLQEShttp:// http:// lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia_lqes/vivencia_lqes_monografias.html
Nanotubos de CarbonoNanotubos de Carbono
CVD (Deposição Química por vapor)CVD (Deposição Química por vapor) Nanofios e NanotubosNanofios e Nanotubos Nanopartícula de metal num substratoNanopartícula de metal num substrato Deposição de gases contendo CarbonoDeposição de gases contendo Carbono
Hidrocarbonetos, Álcoois, COHidrocarbonetos, Álcoois, CO Temperatura menor Temperatura menor Indústria Indústria
Nanotubos de CarbonoNanotubos de CarbonoCaracterizaçãoCaracterização
TEMTEM Microscopia Eletrônica de TransmissãoMicroscopia Eletrônica de Transmissão
http://www.cbpf.br/~emecbpf/HRTEM_Fichtner_A.pdf
www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf
Nanotubos de CarbonoNanotubos de CarbonoCaracterizaçãoCaracterização
SEMSEM Microscopia Eletrônica de VarreduraMicroscopia Eletrônica de Varredura
SEM x TEMSEM x TEM TEM – átomos individuais (E(eTEM – átomos individuais (E(e--) maior, ) maior,
menor)menor) SEM – superfícies maioresSEM – superfícies maiores
www.ccs.unicamp.br/namitec/files/AtivB4_2_PUC-RIO.pdf
Nanotubos de CarbonoNanotubos de CarbonoCaracterizaçãoCaracterização
Espectroscopia RAMANEspectroscopia RAMAN VibraçãoVibração Respiração Respiração determinar diâmetro determinar diâmetro
http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/raman/raman_scattering.php
http://resources.renishaw.com/en/details/download(11223)
Nanotubos de CarbonoNanotubos de CarbonoCaracterizaçãoCaracterização
Difração de Raio-XDifração de Raio-X
http://www.metalmat.ufrj.br/escolanano/Caract_catalisadores_Carlos_AndrePerez.pdf
Catenanos e RotaxanosCatenanos e Rotaxanos
Síntese dos blocosSíntese dos blocos Montagem com Reconhecimento Montagem com Reconhecimento
MolecularMolecular
O que vem por aí...O que vem por aí...
Transistor: Transfer ResistorTransistor: Transfer Resistor
Hoje: SilícioHoje: SilícioAmanhã: ?Amanhã: ?
O que já existeO que já existe Filmes FinosFilmes Finos FET de CFET de C6060 - - Xiao-Hong Zhang, Benoit Xiao-Hong Zhang, Benoit
Domercq, Bernard Kippelen – Domercq, Bernard Kippelen – High-High-performance and electrically stable C60 performance and electrically stable C60 organic field-effect transistors – organic field-effect transistors – Applied Applied Physics Letters – Vol.: 91, 092114Physics Letters – Vol.: 91, 092114
Tióis - Tióis - Jan Hendrik Schön, Hong Meng & Jan Hendrik Schön, Hong Meng & Zhenan Bao - Self-assembledmonolayer Zhenan Bao - Self-assembledmonolayer organic field-effect transistors - NATURE - organic field-effect transistors - NATURE - VOL 413 - 18 OCTOBER 2001VOL 413 - 18 OCTOBER 2001
O que já existeO que já existe Memórias baseadas em Rotaxanos - Memórias baseadas em Rotaxanos -
Jonathan E. Green et. all – A 160-Jonathan E. Green et. all – A 160-kilobit molecular electronic memory kilobit molecular electronic memory patterned at 1011 bits per square patterned at 1011 bits per square centimetre – Nature – 25 Jan 2007 – centimetre – Nature – 25 Jan 2007 – Vol.: Vol. 445, 414 – 417Vol.: Vol. 445, 414 – 417
““Biochips” - Héctor A. Becerril, Adam Biochips” - Héctor A. Becerril, Adam T. Woolley Small – DNA Shadow T. Woolley Small – DNA Shadow Nanolithography – 20 Aug 2007 – Nanolithography – 20 Aug 2007 – Vol.: 3, Issue 9 , Pages 1534 – 1538Vol.: 3, Issue 9 , Pages 1534 – 1538
PerspectivasPerspectivas
Desenvolver dispositivos Desenvolver dispositivos independentes da Eletrônica do Silícioindependentes da Eletrônica do Silício
ComercializaçãoComercialização
Controle da qualidade dos Nanotubos Controle da qualidade dos Nanotubos (Quiralidade, Imperfeições, Tamanho)(Quiralidade, Imperfeições, Tamanho)
Meio-ambienteMeio-ambiente
Agradecendo a sua Agradecendo a sua audiência audiência
e a sua paciênciae a sua paciência FimFim