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Eletrônica Molecular

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Apresentação sobre Eletrônica Molecular

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Eletrônica Molecular

  1. 1. Eletrônica Molecular Raphael Fernandes Vilela – IQ/UFRJ Rio de Janeiro, RJ, Brasil
  2. 2. Histórico <ul><li>1940 – Válvulas </li></ul><ul><li>1947 – Primeiro Transistor </li></ul><ul><li>1960 – Chips </li></ul><ul><li>2000 – 10 9 Transistores por processador </li></ul>
  3. 3. Limites da Microeletrônica <ul><li>Dissipação de Calor </li></ul><ul><li>Efeitos Quânticos </li></ul><ul><li>Top-Down </li></ul>“ do grande para o pequeno”
  4. 4. Moléculas <ul><li>Nano naturalmente </li></ul><ul><li>Bottom-Up </li></ul>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. 5. http://www.sciam.com/2000/0600issue/0600reed.html
  6. 6. http://omnis.if.ufrj.br/~tclp/SemanaFIS.html (Nanotubos de Carbono, Rodrigo Capaz) eV  E Eletrodo Eletrodo Molécula “ Fio Quântico”
  7. 7. Portais Lógicos <ul><li>Tradicional (transistores): 1 = presença de corrente 0 = ausência </li></ul><ul><li>Eletrônica Molecular: entrada: adição de reagente saída: espectroscopia </li></ul>
  8. 8. <ul><li>Exemplo: Portal AND Adição de X (X=1) sem Y (Y=0): 1*0=0 </li></ul>
  9. 9. <ul><li>Exemplo: Portal AND Adição de X (X=1) seguida de Y (Y=1): 1*1=1 </li></ul><ul><li>Conclusão: 1 se X E Y, simultaneamente </li></ul>
  10. 10. 3D 2D 1D 0D Nanofios e Pontos Quânticos Poço Quântico Nanofio Ponto Quântico (Ga,Al)-As Ga-As (Ga,Al)-As
  11. 11. Nanofios <ul><li>Grande relação comprimento/diâmetro </li></ul><ul><li>Interruptores optoeletrônicos </li></ul><ul><li>Condução de eletricidade </li></ul><ul><li>Portais lógicos </li></ul><ul><li>Transistores de Efeito de Campo (FET) </li></ul>Nanofio de ZnO, 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.
  12. 12. Pontos Quânticos <ul><li>Pontos Quânticos, quantum dots, Nanocristais: níveis discretos x bandas dos sólidos – Átomos artificiais </li></ul><ul><li>Dimensões menores que o comprimento de onda de um elétron do cristal </li></ul><ul><li>Espectroscopia: Emissão em um comprimento de onda característico; função do tamanho </li></ul>
  13. 14. Algumas moléculas interessantes... <ul><li>Rotaxanos </li></ul><ul><li>Catenanos </li></ul>Síntese: Reconhecimento Molecular Interações Intermoleculares
  14. 15. Bit com Rotaxano <ul><li>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 </li></ul><ul><li>Voltagem – mudança da posição do macrociclo </li></ul><ul><li>Diferentes pontos de Interação Intermolecular </li></ul>http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110070207
  15. 16. Algumas moléculas interessantes... formas alotrópicas do Carbono Fullerenos Nanotubos
  16. 17. Fullerenos <ul><li>Clusters de Carbono </li></ul><ul><li>C 60 – esférico C 70 ,C 118 C 540 , etc Nanotubos </li></ul>SWCN MWCN H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl e R. E. Smalley, Nature 318, 162 (1985).
  17. 18. Nanotubos de Carbono <ul><li>Folha enrolada de átomos de Carbono sp² (grafeno) </li></ul>www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf
  18. 19. Condutividade de Nanotubos  = 0°  zigzag (n,0)  = 30°  armchair (n,n) 0º<  <30°  misto (n,m)
  19. 20. 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. 21. Aplicações <ul><li>C 60 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 </li></ul><ul><li>Nanotubos como pontas de AFM </li></ul><ul><li>Nanotubos: nanofios </li></ul><ul><li>Nanotubos: flexibilidade e resistência mecânica </li></ul><ul><li>Fármacos </li></ul>
  21. 22. Preparo e Caracterização
  22. 23. Nanofios e Pontos Quânticos <ul><li>Crescimento Epitaxial – depositar de maneira ordenada </li></ul><ul><li>LPE (Epitaxia em fase líquida), VPE (Epitaxia em fase vapor), MEB (Epitaxia por Feixe Molecular), MOCVD (Deposição Química de Vapor Metalorgânica). </li></ul>Imagem de epitaxia
  23. 24. http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm <ul><li>Segurança (Arsina) </li></ul><ul><li>Fontes caras </li></ul><ul><li>Crescimento complicado </li></ul><ul><li>Flexível </li></ul><ul><li>Interface abrupta </li></ul><ul><li>Excelente morfologia </li></ul><ul><li>Alta pureza </li></ul><ul><li>Usado industrialmente </li></ul>MOCVD <ul><li>Alto custo (vácuo) </li></ul><ul><li>Alta manutenção </li></ul><ul><li>Defeitos ovais </li></ul><ul><li>Simples </li></ul><ul><li>Uniforme </li></ul><ul><li>Excelente morfologia </li></ul><ul><li>Interface abrupta </li></ul><ul><li>Controle in-situ </li></ul><ul><li>Alta pureza </li></ul>MBE <ul><li>Baixa produtividade </li></ul><ul><li>Baixa pureza </li></ul><ul><li>Não pode crescer poços quânticos </li></ul><ul><li>Filme não uniforme </li></ul><ul><li>Interfaces não abruptas </li></ul><ul><li>Simples </li></ul><ul><li>Barata </li></ul><ul><li>Alta taxa de crescimento </li></ul><ul><li>Segura </li></ul><ul><li>Baixa manutenção </li></ul>LPE Desvantagem Vantagem
  24. 25. Crescimento heteroepitaxial <ul><li>Material descasado  tensão </li></ul><ul><li>Formação de ilhas  Pontos Quânticos </li></ul>(a) Volmer-Weber (b) Frank – van der Merwe (c) crescimento misto http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/fredthesis/chapter1.htm
  25. 26. http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm
  26. 27. Fullerenos <ul><li>C 60  Descarga elétrica em Grafita e solubilização em Tolueno </li></ul><ul><li>Separação com Cromatografia Líquida de alta Eficiência (HPLC) </li></ul><ul><li>Síntese Orgânica: A Rational Chemical Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science 295, 1500 (2002) </li></ul>
  27. 28. Fullerenos <ul><li>Caracterização por Espectrometria de Massas </li></ul>A Rational Chemical Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science 295, 1500 (2002)
  28. 29. Nanotubos de Carbono <ul><li>Descarga por Arco Voltaico </li></ul><ul><li>Ablação por Laser </li></ul>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 -Dois eletrodos de grafita -Pequena distância  Corrente -Nanotubos no Ânodo -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 – LQES http:// lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia_lqes/vivencia_lqes_monografias.html
  29. 30. Nanotubos de Carbono <ul><li>CVD (Deposição Química por vapor) </li></ul><ul><ul><li>Nanofios e Nanotubos </li></ul></ul><ul><ul><li>Nanopartícula de metal num substrato </li></ul></ul><ul><ul><li>Deposição de gases contendo Carbono </li></ul></ul><ul><ul><ul><li>Hidrocarbonetos, Álcoois, CO </li></ul></ul></ul><ul><ul><li>Temperatura menor  Indústria </li></ul></ul>
  30. 31. Nanotubos de Carbono Caracterização <ul><li>TEM </li></ul><ul><ul><li>Microscopia Eletrônica de Transmissão </li></ul></ul>http://www.cbpf.br/~emecbpf/HRTEM_Fichtner_A.pdf www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf
  31. 32. Nanotubos de Carbono Caracterização <ul><li>SEM </li></ul><ul><ul><li>Microscopia Eletrônica de Varredura </li></ul></ul><ul><li>SEM x TEM </li></ul><ul><ul><li>TEM – átomos individuais (E(e - ) maior,  menor) </li></ul></ul><ul><ul><li>SEM – superfícies maiores </li></ul></ul>www.ccs.unicamp.br/namitec/files/AtivB4_2_PUC-RIO.pdf
  32. 33. Nanotubos de Carbono Caracterização <ul><li>Espectroscopia RAMAN </li></ul><ul><ul><li>Vibração </li></ul></ul><ul><ul><li>Respiração  determinar diâmetro </li></ul></ul>http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/raman/raman_scattering.php http://resources.renishaw.com/en/details/download(11223)
  33. 34. Nanotubos de Carbono Caracterização <ul><li>Difração de Raio-X </li></ul>http://www.metalmat.ufrj.br/escolanano/Caract_catalisadores_Carlos_AndrePerez.pdf
  34. 35. Catenanos e Rotaxanos <ul><li>Síntese dos blocos </li></ul><ul><li>Montagem com Reconhecimento Molecular </li></ul>
  35. 36. O que vem por aí... <ul><li>Transistor: Transfer Resistor </li></ul><ul><li>Hoje: Silício Amanhã: ? </li></ul>
  36. 37. O que já existe <ul><li>Filmes Finos </li></ul><ul><li>FET de C 60 - Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – High-performance and electrically stable C60 organic field-effect transistors – Applied Physics Letters – Vol.: 91, 092114 </li></ul><ul><li>Tióis - Jan Hendrik Schön, Hong Meng & Zhenan Bao - Self-assembledmonolayer organic field-effect transistors - NATURE - VOL 413 - 18 OCTOBER 2001 </li></ul>
  37. 38. O que já existe <ul><li>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 </li></ul><ul><li>“ Biochips” - Héctor A. Becerril, Adam T. Woolley Small – DNA Shadow Nanolithography – 20 Aug 2007 – Vol.: 3, Issue 9 , Pages 1534 – 1538 </li></ul>
  38. 39. Perspectivas <ul><li>Desenvolver dispositivos independentes da Eletrônica do Silício </li></ul><ul><li>Comercialização </li></ul><ul><li>Controle da qualidade dos Nanotubos (Quiralidade, Imperfeições, Tamanho) </li></ul><ul><li>Meio-ambiente </li></ul>
  39. 40. Agradecendo a sua audiência e a sua paciência <ul><li>Fim </li></ul>

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