Eletrnica Molecular Raphael Fernandes Vilela IQUFRJ Rio de

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

Histórico n 1940 – Válvulas n 1947 – Primeiro Transistor n 1960 – Chips n 2000 – 109 Transistores por processador

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

Moléculas n Nano naturalmente n 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/2000/0600 issue/0600 reed. html

Molécula e. V E “Fio Quântico” Eletrodo http: //omnis. if. ufrj. br/~tclp/Semana. FIS. html (Nanotubos de Carbono, Rodrigo Capaz)

Portais Lógicos n n Tradicional (transistores): 1 = presença de corrente 0 = ausência Eletrônica Molecular: entrada: adição de reagente saída: espectroscopia

n Exemplo: Portal AND Adição de X (X=1) sem Y (Y=0): 1*0=0

n n 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 Nanofio Ponto Quântico Al)-As a, A (Ga, Ga-As Al)-As a, A (Ga, 3 D 2 D 1 D 0 D

Nanofios n Grande relação comprimento/diâmetro n Interruptores optoeletrônicos Nanofio de Zn. O, 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. n Condução de eletricidade n Portais lógicos n Transistores de Efeito de Campo (FET)

Pontos Quânticos, quantum dots, Nanocristais: níveis discretos x bandas dos sólidos – Átomos artificiais n Dimensões menores que o comprimento de onda de um elétron do cristal n Espectroscopia: Emissão em um comprimento de onda característico; função do tamanho n

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

Bit com Rotaxano n n n 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 n Clusters de Carbono n C 60 – esférico H. W. Kroto, J. R. Heath, S. C. O’Brien, R. F. Curl e R. E. Smalley, Nature 318, 162 (1985). C 70, C 118 C 540, etc MWCN Nanotubos SWCN

Nanotubos de Carbono n Folha enrolada de átomos de Carbono sp² (grafeno) www. sbf 1. 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 n C 60 em FET - Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – High-performance and electrically stable C 60 organic field-effect transistors – Applied Physics Letters – Vol. : 91, 092114 n Nanotubos como pontas de AFM n Nanotubos: nanofios n n Nanotubos: flexibilidade e resistência mecânica Fármacos

Preparo e Caracterização

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

LPE MBE MOCVD Vantagem Desvantagem Simples Baixa taxa de crescimento Segura Baixa manutenção produtividade Baixa pureza Não pode crescer poços quânticos Filme não uniforme Interfaces não abruptas Simples Alto Barata Alta Excelente custo (vácuo) Alta manutenção Defeitos ovais Flexível Segurança Uniforme morfologia Interface abrupta Controle in-situ Alta pureza Interface abrupta Excelente morfologia Alta pureza Usado industrialmente (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/chapter 1. htm n Material descasado tensão n Formação de ilhas Pontos Quânticos

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

Fullerenos C 60 Descarga elétrica em Grafita e solubilização em Tolueno n Separação com Cromatografia Líquida de alta Eficiência (HPLC) n n Síntese Orgânica: A Rational Chemical Synthesis of C 60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science 295, 1500 (2002)

Fullerenos n Caracterização por Espectrometria de Massas A Rational Chemical Synthesis of C 60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science 295, 1500 (2002)

Nanotubos de Carbono n Descarga por Arco Voltaico -Dois eletrodos de grafita -Pequena distância Corrente -Nanotubos no nodo n 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_monografias. html

Nanotubos de Carbono n CVD (Deposição Química por vapor) Nanofios e Nanotubos n Nanopartícula de metal num substrato n Deposição de gases contendo Carbono n n Hidrocarbonetos, n Álcoois, CO Temperatura menor Indústria

Nanotubos de Carbono Caracterização n TEM n Microscopia Eletrônica de Transmissão www. sbf 1. sbfisica. org. br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan. pdf http: //www. cbpf. br/~emecbpf/HRTEM_Fichtner_A. pdf

Nanotubos de Carbono Caracterização n SEM n n Microscopia Eletrônica de Varredura SEM x TEM – átomos individuais (E(e-) maior, l menor) n SEM – superfícies maiores n www. ccs. unicamp. br/namitec/files/Ativ. B 4_2_PUC-RIO. pdf

Nanotubos de Carbono Caracterização n Espectroscopia RAMAN Vibração n Respiração determinar diâmetro n http: //www. doitpoms. ac. uk/tlplib/raman_scattering. php http: //resources. renishaw. com/en/details/download(11223)

Nanotubos de Carbono Caracterização n Difração de Raio-X http: //www. metalmat. ufrj. br/escolanano/Caract_catalisadores_Carlos_Andre. Perez. pdf

Catenanos e Rotaxanos Síntese dos blocos n Montagem com Reconhecimento Molecular n

O que vem por aí. . . n n Transistor: Transfer Resistor Hoje: Silício Amanhã: ?

O que já existe n n n Filmes Finos FET de C 60 - Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – Highperformance and electrically stable C 60 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 n “Biochips” - Héctor A. Becerril, Adam T. Woolley Small – DNA Shadow Nanolithography – 20 Aug 2007 – Vol. : 3, Issue 9 , Pages 1534 – 1538 n

Perspectivas n n 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 n Fim