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