Aula 21 11 solange

Nanotecnologia II

Eletrônica Molecular

Eletrônica Molecular

21/11/2012

Profa. Dra. Solange Binotto Fagan

Evolução da Eletrônica e conceitos

Transistores moleculares

Conceitos

• Propriedades eletrônicas: Semicondutor x

Condutor

• Diodo

• Diodo

• Transistor

• MOSFET

Propriedades Eletrônicas

• Metal

. Ex. Ouro, prata, nanotubo (n,n),

cobre, etc.

Os níveis da banda de valência e de condução se cruzam na energia de Fermi

Propriedades Eletrônicas

• Semicondutor

- GaAs, nanotubos (n,m) com

n-m diferente de 3i (i inteiro)

Nos Os níveis entre a banda de

valência e banda de condu-çao são separados por uma região proibida de energia denominada gap!

Nos

semicondutores o gap chega até em torno de 5 eV

Propriedades Eletrônicas

• Isolantes

: materiais com gap de energia

acima de 5 a 6 eV. Ex. Silício

Efeitos de tamanho em

dopantes em Semicondutores

• Para um semicondu-tor típico os níveis

dopantes são da ordem de 1014 _{a 10}18 de 1014 _{a 10}18 doadores/cm3; •Para um QD de 10nm de lado, temos 10-1 a 103 condutores de e-;

Semicondutores com 4 elétrons de

valência

• Group IV elements: Si, Ge, C

• Compound Semiconductors :

III-V _{(GaAs, InP, AlAs)} II-VI _{(ZnSe, CdS)}

II-VI _{(ZnSe, CdS)}

• Tertiary (InGaAs,AlGaAs)

Diodo

• Ao se juntar um elemento P (falta de elétrons) a um elemento N (excesso de elétrons), temos a seguinte

situação: o elemento P tem excesso de lacunas; o elemento N tem excesso de elétrons.

• No ponto onde os dois cristais se tocam, tende a haver uma • No ponto onde os dois cristais se tocam, tende a haver uma

migração de elétrons e lacunas, até que se estabeleça um equilíbrio.

Camada de depleção Polarização direta (condutor)

Polarização inversa (isolante)

Transistor bipolar

• Quando polarizado diretamente, o diodo conduz eletricidade. O

transistor introduz uma capacidade nova, que é a possibilidade de se controlar quanto de eletricidade é conduzida.

• Tudo começa quando se acrescenta uma camada adicional a um diodo. Ao invés de duas porções, P e N, de silício, juntamos três porções,

fazendo um sanduíche de uma porção N.

Transistor – MOSFET

• Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,

ou transistor de efeito de campo “metal - óxido –

Evolução da Eletrônica

(1907) De Forest inventa a válvula triodo

elétrons emitidos pelo catodo são acelerados

(1913-1918) - Armstrong desenvolve o rádio receptor

(1920-1950) - Inúmeros equipamentos eletrônicos

são inventados, porém a eletrônica de válvulas tem

muitas limitações

elétrons emitidos pelo catodo são acelerados para a placa por um campo elétrico

O ENIAC tinhas as seguintes características:

•totalmente eletrônico •17.468 válvulas

Primeiro

Primeiro Computador

Computador -- ENIAC

ENIAC

ENIAC - 1946 primeiro computador digital eletrônico de grande escala •17.468 válvulas •500.000 conexões de solda •30 toneladas de peso •180 m² de área construída •5,5 m de altura •25 m de comprimento

•realizava uma soma em 0,0002s

•realizava uma multiplicação em

A invenção do transistor

Em Dez/1947, Shockley, Bardeen e Bratain anunciam, nos Laboratórios Bell, a invenção do transistor

Transistor Switches

Lei de Moore :o

desempenho de um

desempenho de um

computador duplica a

cada ~ 2 anos !!!

IBM

IBM

Silício e a Lei de Moore

• Dissipação de calor

– At present, a state-of-the-art 500 MHz microprocessor with 10 million transistors emits almost 100 watts--more heat than a stove-top cooking surface.

• Conexão entre dispositivos

– The band structure in silicon provides a wide range of allowable electron energies. – The band structure in silicon provides a wide range of allowable electron energies.

Some electrons can gain sufficient energy to hop from one device to another, especially when they are closely packed.

• Acoplamento capacitivo entre compontes

• Metodos de fabricação (fotolitografia).

– Device size is limited by diffraction to about one half the wavelength of the light used in the lithographic process.

• Tamanho da parede de Si

– At 50 nm and smaller it is not possible to dope silicon uniformly. (This is the end of the line for bulk behavior.)

Fim da Estrada para o Si???

• A capacidade de

miniaturização quaduplica a cada 36 meses.

cada 36 meses.

• O tamanho dos dispositivos diminuem.

• A camada de óxido fica pequena e tunelamento ocorre

.

Eletrônica Molecular

• Neste caso os componentes

eletrônicos ativos são moléculas.

• Essas moléculas tem funções

• Essas moléculas tem funções

associadas com propriedades

semicondutoras.

Por que usar?

• Tamanho

• Velocidade

• Baixo preço de produção

• Baixo preço de produção

• Facilidade de produção

Eletrônica molecular

na Biologia

Canais iônicos nos axônios envolvem dispositivos condutores dependentes do potencial

Modelo usando circuitos (Hodgkin-Huxley, ’52)

Better Design/architecture

Better Materials?

Strained Si, SiGe

Bottom Gate Source Drain Top Gate Channel Carbon Nanotubes V_{G V} D INSULATOR I

New Principles?

SPINTRONICS

Encode bits in electron’s Spin -- Computation by rotating spins GMR (Nobel, 2007) MRAMs STT-RAMs QUANTUM CELLULAR AUTOMATA

Encode bits in quantum dot dipoles

BIO-INSPIRED COMPUTING

Exploit 3-D architecture and massive parallelism

Mechanically-Controlled Break Junction

Resistance is a few megohms. (Schottky Barrier)

Alkyl Tunnel Barriers

Conduction between the two ends of the molecule depends on pi orbital overlap which in turn relies on a planar arrangement of the phenyl rings.

mNDR = molecular Negative Differential Resistance

Measured using a conducting AFM tip One electron reduction provides a charge carrier. _{A second reduction blocks conduction.} Therefore, conduction occurs only between the two reduction potentials.

Applied perpendicular field favors zwitterionic structure which is planar Better pi overlap, better conductivity.

Voltage pulse yields high conductivity

State - data bit stored

Bit is read as high in low voltage region

Device is fabricated by sandwiching a layer

of catenane between an polycrystalline layer of n-doped silicon electrode and a metal electrode. The switch is opened at +2 V, closed at -2 V and read at 0.1 V.

High/Low Conductivity Switching Devices

Nanotube conductivity is quantized.

Nanotubes found to conduct current ballistically and do not dissipate heat. Nanotubes are typically 15 nanometers wide and 4 micrometers long.

Cyclic Peptide Nanotubes as Scaffolds for Conducting Devices Hydrogen-bonding interactions promote stacking of cyclic peptides

Pi-systems stack face-to-face to allow conduction along the length of the tube Cooper and McGimpsey - to be submitted

Spontaneous self-directed chemical growth allowing

Self-assembled molecular junctions

Insertion of a AFM conductive tip

Cui et al., Science 294 571 (2001)

Copyright Stuart Lindsay 2008 Insertion of a

dithiolated molecule in an alkanethiol SAM.

ON OFF

Metal

Metal--moleculemolecule--metalmetal junctionjunction:

the current at each voltage is an integer multiple of some fundamental current.

Haiss et al., PCCP 6 4330 (2004)

I/V curves

I/V curves

Xu and Tao, Science 301 1221 (2003)

The series of current-voltage curves correspond to integer number of molecules trapped in the gap.

Break junctions

Repeatedly breaking a gold wire in the presence of molecules with reactive ends. 0.000 0.005 0.010 0.015 0.020 0.8 1.0 6 C u rr e n t ( n A ) /h ) Time (Second) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 0 2 4 C u rr e n t ( n A ) G ( 1 0 -5 X 2 e 2 /h ) Distance (nm)

Jumps in conductivity correspond to integer numbers of molecules spanning the gap.

Conductance as a function of twist angle between aromatic rings:

45 Copyright Stuart Lindsay 2008

Dependence of single-molecule junction conductance on molecular conformation, Venkataraman, L., J.E. Klare, C. Nuckolls, M.S. Hybertsen, and M.L. Steigerwald

Nature,2006, 442: 905-907.

ϑ

2

cos

G

G

=

_max

Tunneling Tunneling

Hopping Hopping

Single Molecule Switch made from Oligo

Single Molecule Switch made from Oligo

Aniline

Aniline

HS H N N H H N N H H N N H H N SH Insulator

Chen, F et al., Nano Letters,2005, 5: 503-506.

Oxidize: Conductor -2e -Oxidize: Insulator -2e -E°=0.2V E°=0.6V

Spin

• Spin: Momento angular intrínseco S

• Propriedade do elétron, como massa e carga

• Momento magnético µµµµ associado a S

S

_z

= ±

1

2

h

• Momento magnético µµµµ associado a S

– Elétron se comporta como um pequeno imã

• Responsável pelo magnetismo: repulsão Coulombiana + exclusão de Pauli

U

==== −−−−

r

Spintrônica

• Utiliza spin e carga dos elétrons (ou partículas

similares) ⇒ electrônica com spins

• Os principais objetivos da spintrônica são

• Os principais objetivos da spintrônica são

– O controle elétrico de

propriedades magnéticas

– Controle magnético de

propriedades

elétricas

• Armazenamento, processamento e

manipulação de informação clássica:

– Manipulação com magnetização

• Armazenamento, processamento e

manipulação de informação quântica:

– Manipulação individual de spins

– Computadores quânticos?

Mas já chegamos lá…

• Leitura de dados no disco rígido

Magnetoresistência Gigante

(GMR)

Resistência resultante GRANDE r R _FM Condutor -NM Eletrodo Positivo e e r _FM Eletrodo Negativo e e R Resistência resultante PEQUENA r R R r FM FM Condutor -NM Eletrodo Negativo Eletrodo Positivo e e

Válvulas de spin e a leitura

Spintrônica com semicondutores

• Porque?

• Quase tudo que fazemos em eletrônica

utiliza semicondutores (transistores, diodos,

chips etc.)

– Integrabilidade

– Integrabilidade

• Se pudermos fazê-los trabalhar com spins,

eles terão múltiplas funções

– Materiais multifuncionais

• A indústria de semicondutores e sua grande

capacidade

Injeção eficiente de spins

Não magnético Magnético

Injeção de spins

Forma de medir a eficiência:

Polarização de Spin

P

=

n

↑

−

n

↓

n

_↑

+

n

_↓

Possibilidades

• Injeção desde metais ferromagnéticos

– Problemas com a interface.

• Novos semicondutores magnéticos (DMS)

– Não há problema de interface (eles também são

– Não há problema de interface (eles também são

semicondutores)

– Atualmente não são ferromagnéticos a

temperatura ambiente

Semicondutores magnéticos

(DMS)

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Mais famoso (1997):

Ga

_1-x

Mn

_x

As

•Baixa concentração de Mn (2%-8% Mn)

Relaxação lenta dos spins

t_r~1ns

P

Semicondutores: um sucesso

Detecção confiável de spin

→ _P=0!

↑

Algumas técnicas de detecção

• Transporte eletrônico – Efeito Hall anômalo

– Efeito túnel dependente do spin

• Medidas óticas

– Dicroísmo circular – Rotação Faraday – Fotoluminescência

Computação quântica

Partícula

clássica

Partículas quânticas

Partícula

Quântica

Bits quânticos

Wikipedia: “bit é a unidade mais básica de

informação utilizada em computação e teoria

da informação. 0 1 Bits clássicos: 13= 23 _{+ 0x2}2 _{+ 2}1 _{+ 2}0

→

→

_{1 0 1 1} 13= 23 _{+ 0x2}2 _{+ 2}1 _{+ 2}0

→

→

_{1 0 1 1}

ψ

=

α

0

+

β

1

Bits quânticos:

α

2

+

β

2

=

1

Estados do spin como qubits

Caixa de um único elétron

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Loss & DiVicenzo, PRA 57, 120 (1998)

•Injeção, manipulação e detecção de um único spin

•Processos de relaxação

•Realizações experimentais parciais (Delft, Harvard)

•Outras possibilidades de experimento

Spintrônica com semicondutores

Avanços Avanços

??

Nature Physics 3, 153 - 159 (2007)

??

nano X spintrônica

• Se queremos ser nano, precisamos de materiais

multifuncionais

– Mais eficiência, menos dissipação

• Alguns dispositivos nanoscópicos permitem a

• Alguns dispositivos nanoscópicos permitem a

manipulação individual de cargas e spins.

– Controle do processo de relaxação

Seminário V

Tema: Nanoeletrônica

Spintrônica ou