الإلكترونيات على المستوى الجزيئي

📅 آخر تحديث: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٣ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

الإلكترونيات على المستوى الجزيئي ، أو ما يُسمى أيضًا إلكترونيات الجزيء الواحد ، هي فرع من تكنولوجيا النانو يستخدم جزيئات مفردة، أو مجموعات نانوية من جزيئات مفردة، كمكونات إلكترونية . ولأن الجزيئات المفردة تُشكل أصغر البنى المستقرة التي يُمكن تخيلها ، فإن هذا التصغير هو الهدف النهائي لتقليص الدوائر الكهربائية .

يُطلق على هذا المجال غالبًا اسم " الإلكترونيات الجزيئية "، ولكن هذا المصطلح يُستخدم أيضًا للإشارة إلى مجال البوليمرات الموصلة والإلكترونيات العضوية ، وهو مجال ذو صلة بعيدة ، حيث تُستخدم خصائص الجزيئات للتأثير على الخصائص الكلية للمادة. وقد اقتُرح تمييز في التسمية بحيث تشير المواد الجزيئية للإلكترونيات إلى هذا المجال الأخير من التطبيقات الكلية، بينما تشير الإلكترونيات على المستوى الجزيئي إلى تطبيقات الجزيئات المفردة على المستوى النانوي التي نتناولها هنا. [ 1 ] [ 2 ]

المفاهيم الأساسية

لطالما صُنعت الإلكترونيات التقليدية من مواد صلبة. ومنذ اختراعها عام ١٩٥٨، شهد أداء الدوائر المتكاملة وتعقيدها نموًا متسارعًا ، وهو ما يُعرف بقانون مور ، حيث تقلصت أحجام المكونات المدمجة تبعًا لذلك. ومع تقلص حجم هذه المكونات، تزداد حساسيتها لأي انحرافات. وفي غضون بضعة أجيال من التكنولوجيا، أصبح من الضروري التحكم في تركيب الأجهزة بدقة تصل إلى بضع ذرات [ ٣ ] لكي تعمل. ومع تزايد صعوبة وتكلفة طرق التصنيع التقليدية مع اقترابها من حدودها القصوى، ظهرت فكرة بناء المكونات ذرةً ذرةً في مختبر كيميائي (من الأسفل إلى الأعلى) بدلًا من تصنيعها من مواد صلبة (من الأعلى إلى الأسفل ). هذه هي الفكرة الكامنة وراء الإلكترونيات الجزيئية، حيث يتمثل التصغير النهائي في احتواء المكونات داخل جزيئات منفردة.

في الإلكترونيات أحادية الجزيء، تُستبدل المادة الأساسية بجزيئات منفردة. فبدلاً من تشكيل الهياكل بإزالة أو إضافة مواد وفقًا لنمط هيكلي، تُجمع الذرات معًا في مختبر كيميائي. وبهذه الطريقة، تُصنع مليارات المليارات من النسخ في وقت واحد (عادةً ما يُصنع أكثر من 10^ 20 جزيء في المرة الواحدة) ، مع التحكم في تركيب الجزيئات بدقة متناهية تصل إلى آخر ذرة. وتتمتع الجزيئات المستخدمة بخصائص تُشبه المكونات الإلكترونية التقليدية مثل الأسلاك والترانزستورات والمقومات .

تُعدّ الإلكترونيات أحادية الجزيء مجالًا ناشئًا، ولا تزال الدوائر الإلكترونية الكاملة التي تتكون حصريًا من مركبات بحجم الجزيئات بعيدة المنال. ومع ذلك، فإن الطلب المتزايد على قوة الحوسبة، إلى جانب القيود المتأصلة في أساليب الطباعة الحجرية حتى عام 2016، يُشكل تحديًا كبيرًا.يجعل هذا التحول يبدو حتمياً. حالياً، ينصب التركيز على اكتشاف جزيئات ذات خصائص مثيرة للاهتمام، وعلى إيجاد طرق للحصول على اتصالات موثوقة وقابلة للتكرار بين المكونات الجزيئية والمادة الأساسية للأقطاب الكهربائية.

الأساس النظري

تعمل الإلكترونيات الجزيئية على مسافات تقل عن 100 نانومتر. ويؤدي تصغير حجمها إلى جزيئات منفردة إلى تقليص النطاق إلى مستوى تصبح فيه تأثيرات ميكانيكا الكم ذات أهمية بالغة. في المكونات الإلكترونية التقليدية، يمكن ملء الفراغات الإلكترونية أو سحب الإلكترونات بشكل أو بآخر كما لو كانت تدفقًا مستمرًا للشحنة الكهربائية . على النقيض من ذلك، في الإلكترونيات الجزيئية، يُحدث انتقال إلكترون واحد تغييرًا كبيرًا في النظام. على سبيل المثال، عندما ينتقل إلكترون من قطب مصدر إلى جزيء، يُشحن الجزيء، مما يجعل انتقال الإلكترون التالي أكثر صعوبة (انظر أيضًا إلى حجب كولوم ). يجب أخذ كمية الطاقة الكبيرة الناتجة عن الشحن في الحسبان عند إجراء حسابات الخصائص الإلكترونية للجهاز، الذي يتأثر بشدة بالمسافات إلى الأسطح الموصلة المجاورة.

تُعدّ نظرية الأجهزة أحادية الجزيء مثيرة للاهتمام بشكل خاص، نظرًا لأن النظام قيد الدراسة هو نظام كمومي مفتوح في حالة عدم اتزان (يُحركه الجهد). في نظام الجهد المنخفض، يمكن تجاهل طبيعة عدم الاتزان للوصلة الجزيئية، ويمكن حساب خصائص التيار-الجهد للجهاز باستخدام البنية الإلكترونية المتزنة للنظام. مع ذلك، في أنظمة الجهد العالي، يلزم معالجة أكثر تعقيدًا، إذ لم يعد هناك مبدأ تبايني . في حالة النفق المرن (حيث لا يتبادل الإلكترون المار الطاقة مع النظام)، يمكن استخدام صيغة رولف لانداور لحساب النفاذية عبر النظام كدالة لجهد الانحياز، وبالتالي التيار. في حالة النفق غير المرن، طوّر نيد وينغرين ويغال مئير صيغة أنيقة تستند إلى دوال غرين غير المتزنة لليو كادانوف وغوردون بايم ، وبشكل مستقل ليونيد كيلديش . لقد تم استخدام صيغة مير-وينجرين هذه بنجاح كبير في مجتمع الإلكترونيات الجزيئية لدراسة الحالات الأكثر صعوبة وإثارة للاهتمام حيث يتبادل الإلكترون العابر الطاقة مع النظام الجزيئي (على سبيل المثال من خلال اقتران الإلكترون-الفونون أو الإثارات الإلكترونية).

علاوة على ذلك، أثبت ربط الجزيئات المفردة بشكل موثوق بدائرة أكبر حجماً أنه يمثل تحدياً كبيراً ويشكل عائقاً كبيراً أمام التسويق التجاري.

أمثلة

من السمات الشائعة للجزيئات المستخدمة في الإلكترونيات الجزيئية احتواؤها على العديد من الروابط الثنائية والأحادية المتناوبة (انظر أيضًا النظام المترافق ). ويعود ذلك إلى أن هذه الأنماط تُوزّع المدارات الجزيئية، مما يُتيح للإلكترونات الحركة بحرية في المنطقة المترافقة.

الأسلاك

يُظهر هذا الرسم المتحرك لأنبوب نانوي كربوني دوار بنيته ثلاثية الأبعاد.

يتمثل الغرض الوحيد من الأسلاك الجزيئية في توصيل أجزاء مختلفة من الدائرة الكهربائية الجزيئية كهربائيًا. ولأن عملية تجميع هذه الأسلاك وربطها بدائرة كهربائية ماكروسكوبية لا تزال قيد التطوير، فإن تركيز الأبحاث في مجال الإلكترونيات أحادية الجزيء ينصب بشكل أساسي على الجزيئات المُعدّلة وظيفيًا: تتميز الأسلاك الجزيئية بعدم احتوائها على مجموعات وظيفية ، وبالتالي فهي تتكون من تكرارات بسيطة لوحدة بناء مترافقة. ومن بين هذه الجزيئات أنابيب الكربون النانوية، التي تُعد كبيرة الحجم نسبيًا مقارنةً بالأنواع الأخرى المقترحة، ولكنها أظهرت خصائص كهربائية واعدة للغاية.

تكمن المشكلة الرئيسية في الأسلاك الجزيئية في الحصول على اتصال كهربائي جيد مع الأقطاب الكهربائية بحيث يمكن للإلكترونات أن تتحرك بحرية داخل وخارج السلك.

الترانزستورات

تختلف الترانزستورات أحادية الجزيء اختلافًا جوهريًا عن تلك المعروفة في الإلكترونيات التقليدية. في الترانزستور التقليدي (ذي التأثير الحقلي)، تحدد البوابة الموصلية بين قطبي المصدر والمصب من خلال التحكم في كثافة حاملات الشحنة بينهما، بينما في الترانزستور أحادي الجزيء، تتحكم البوابة في إمكانية انتقال إلكترون واحد من وإلى الجزيء عن طريق تعديل طاقة المدارات الجزيئية. من آثار هذا الاختلاف أن الترانزستور أحادي الجزيء ثنائي تقريبًا: فهو إما في حالة تشغيل أو إيقاف . وهذا يتعارض مع نظائره التقليدية، التي تستجيب بشكل تربيعي لجهد البوابة.

إن تكميم الشحنة إلى إلكترونات هو المسؤول عن السلوك المختلف بشكل ملحوظ مقارنةً بالإلكترونيات التقليدية. نظرًا لصغر حجم الجزيء الواحد، فإن الشحنة الناتجة عن إلكترون واحد تكون كبيرة، وتوفر وسيلة لتشغيل الترانزستور أو إيقافه ( انظر حجب كولوم ). لكي يعمل هذا، يجب ألا تتكامل المدارات الإلكترونية على جزيء الترانزستور بشكل كامل مع المدارات على الأقطاب الكهربائية. إذا حدث ذلك، فلن يُعتبر الإلكترون موجودًا على الجزيء أو الأقطاب الكهربائية، وسيعمل الجزيء كسلك.

تُعدّ جزيئات الأوليغوبوليفينيلين فينيلين (OPVs) من المجموعات الجزيئية الشائعة التي يمكن استخدامها كمادة قناة شبه موصلة في الترانزستور الجزيئي، حيث تعمل هذه الجزيئات بآلية حجب كولوم عند وضعها بين قطبي المصدر والمصب بطريقة مناسبة. [ 4 ] وتعمل جزيئات الفوليرين بنفس الآلية، وقد شاع استخدامها أيضاً.

وقد ثبت أيضاً أن أنابيب الكربون النانوية شبه الموصلة تعمل كمادة قناة، ولكن على الرغم من كونها جزيئية، فإن هذه الجزيئات كبيرة بما يكفي لتتصرف تقريباً مثل أشباه الموصلات الضخمة .

يُسهم حجم الجزيئات وانخفاض درجة حرارة القياسات في تحديد الحالات الكمومية بدقة. ولذلك، يجري البحث حاليًا لمعرفة ما إذا كان بالإمكان استخدام الخصائص الكمومية لأغراض أكثر تطورًا من مجرد الترانزستورات البسيطة (مثل الإلكترونيات الدورانية ).

صمّم علماء فيزياء من جامعة أريزونا ، بالتعاون مع كيميائيين من جامعة مدريد ، ترانزستورًا أحادي الجزيء باستخدام جزيء حلقي الشكل يشبه البنزين . كما صمّم علماء فيزياء من المعهد الوطني الكندي لتقنية النانو ترانزستورًا أحادي الجزيء باستخدام الستايرين. ويتوقع كلا الفريقين (مع العلم أن التصميمين لم يتم التحقق منهما تجريبيًا حتى يونيو 2005) إمكانية تحقيق نتائج مماثلة. ) أن تعمل أجهزتهم الخاصة في درجة حرارة الغرفة، وأن يتم التحكم بها بواسطة إلكترون واحد. [ 5 ]

المقومات (الثنائيات)

يمكن إزالة الهيدروجين من جزيئات رباعي فينيل بورفيرين (H₂TPP ) الفردية بتطبيق جهد زائد على طرف مجهر المسح النفقي (STAM، أ )؛ وتؤدي هذه الإزالة إلى تغيير منحنيات التيار-الجهد (I-V) لجزيئات TPP، المقاسة باستخدام نفس طرف STM، من منحنى يشبه منحنى الصمام الثنائي (المنحنى الأحمر في ب ) إلى منحنى يشبه منحنى المقاومة (المنحنى الأخضر). تُظهر الصورة ج صفًا من جزيئات TPP وH₂TPP و TPP. أثناء مسح الصورة د ، تم تطبيق جهد زائد على H₂TPP عند النقطة السوداء، مما أدى إلى إزالة الهيدروجين على الفور، كما هو موضح في الجزء السفلي من د وفي صورة إعادة المسح هـ . يمكن استخدام هذه العمليات في إلكترونيات الجزيئات المفردة. [ 6 ]

تُحاكي المقومات الجزيئية نظيراتها في المواد الصلبة، وتتميز ببنية غير متناظرة تسمح للجزيء باستقبال الإلكترونات من أحد طرفيه دون الآخر. اقترح أفيرام وراتنر بنية مانح-جسر-مستقبل لمحاكاة وصلة pn في أشباه الموصلات . [ 7 ] تحتوي هذه الجزيئات على مانح إلكترونات (D) في أحد طرفيها ومستقبل إلكترونات (A) في الطرف الآخر. وبهذه الطريقة، يكون تكوين الحالة غير المستقرة D⁺ – A⁻ أسهل من تكوين الحالة D⁻ – A⁺ . ونتيجة لذلك، يمكن سحب تيار كهربائي عبر الجزيء إذا أُضيفت الإلكترونات من خلال طرف المستقبل، ولكن يصعب ذلك عند محاولة عكس العملية.

طُرق

تتمثل إحدى أكبر المشكلات في قياس الجزيئات المفردة في إنشاء اتصال كهربائي قابل للتكرار مع جزيء واحد فقط، وذلك دون إحداث ماس كهربائي بين الأقطاب. ولأن تقنية الطباعة الضوئية الحالية غير قادرة على إنتاج فجوات بين الأقطاب صغيرة بما يكفي لتوصيل طرفي الجزيئات المختبرة (في حدود النانومترات)، يتم اللجوء إلى استراتيجيات بديلة.

الفجوات الجزيئية

إحدى طرق إنتاج أقطاب كهربائية ذات فجوة جزيئية بينها هي كسر الوصلات ميكانيكيًا، حيث يُمدد قطب كهربائي رقيق حتى ينكسر، وهو ما يُسمى بوصلة الكسر المُتحكم بها ميكانيكيًا (MCBJ). طريقة أخرى هي الهجرة الكهربائية ، حيث يُمرر تيار كهربائي عبر سلك رفيع حتى ينصهر، فتنتقل الذرات لتكوين الفجوة. علاوة على ذلك، يمكن تحسين نطاق الطباعة الضوئية التقليدية عن طريق الحفر الكيميائي أو ترسيب المعدن على الأقطاب الكهربائية.

لعلّ أسهل طريقة لإجراء قياسات على عدة جزيئات هي استخدام طرف مجهر المسح النفقي (STM) لتوصيل الجزيئات الملتصقة من الطرف الآخر بركيزة معدنية. [ 8 ] بدأت الإنجازات التجريبية في هذا النهج مع العمل الرائد لمجموعة تاو عام 1996، [ 9 ] حيث استخدموا مجهر المسح النفقي الكهروكيميائي (EC-STM) لمراقبة سلوك انتقال الإلكترون في طبقة أحادية من بورفيرين الحديد أثناء عمليات الأكسدة والاختزال لأول مرة. عند تطبيق جهد بوابة كهروكيميائي، أظهر سمك الطبقة الأحادية تغيرًا مميزًا على شكل جرس، والذي تم تأكيده لاحقًا نظريًا بأنه ناتج عن تأثيرات النفق الرنيني، [ 10 ] مما يوفر دعمًا نظريًا للتحكم الكهروكيميائي في الجزيئات المفردة. نجحت تقنية مجهر المسح النفقي لكسر الوصلة (STM-BJ)، التي طورتها المجموعة نفسها عام 2003، في قياس موصلية جزيء واحد من 4،4'-ثنائي البيريدين: [ 11 ] من خلال التحكم الدقيق في المسافة بين رأس المجس والركيزة باستخدام خزف كهرضغطية، تم تحقيق تكوين وكسر متكررين للوصلات الجزيئية، وجُمعت إشارات الموصلية العابرة، التي التقطها نظام اكتساب بيانات عالي السرعة، في رسوم بيانية إحصائية من آلاف القياسات، مما أدى في النهاية إلى الحصول على الموصلية الجزيئية. تتميز هذه التقنية بحساسيتها للتغيرات في تكوين روابط سطح التماس بين الجزيء والقطب الكهربائي، وبالاقتران مع تعديل جهد البوابة، يمكنها رصد العمليات الديناميكية أثناء انتقالات حالة الأكسدة والاختزال. هذه الخصائص تجعلها طريقة تقنية أساسية لدراسة الأجهزة الإلكترونية أحادية الجزيء ونقل الشحنة.

التثبيت

إحدى الطرق الشائعة لتثبيت الجزيئات على الأقطاب الكهربائية هي الاستفادة من انجذاب الكبريت الكيميائي العالي للذهب . في هذه التركيبات، تُصنّع الجزيئات بحيث تُوضع ذرات الكبريت بشكل استراتيجي لتؤدي وظيفة مشابك التمساح التي تربط الجزيئات بأقطاب الذهب. مع أن هذه الطريقة مفيدة، إلا أن التثبيت غير انتقائي، وبالتالي يُثبّت الجزيئات عشوائيًا على جميع أسطح الذهب. علاوة على ذلك، تعتمد مقاومة التلامس بشكل كبير على الشكل الهندسي الذري الدقيق حول موقع التثبيت، مما يُؤثر سلبًا على إمكانية تكرار الاتصال.

ولتجاوز المشكلة الأخيرة، أظهرت التجارب أن الفوليرين يمكن أن يكون مرشحًا جيدًا للاستخدام بدلاً من الكبريت نظرًا لنظام π المترافق الكبير الذي يمكنه الاتصال كهربائيًا بعدد أكبر بكثير من الذرات في وقت واحد مقارنة بذرة واحدة من الكبريت. [ 12 ]

الإلكترونيات النانوية الفوليرينية

في البوليمرات ، تتكون الجزيئات العضوية التقليدية من الكربون والهيدروجين (وأحيانًا مركبات إضافية مثل النيتروجين أو الكلور أو الكبريت). تُستخلص هذه الجزيئات من البترول، ويمكن تصنيعها بكميات كبيرة. معظم هذه الجزيئات عازلة عندما يتجاوز طولها بضعة نانومترات. مع ذلك، فإن الكربون الموجود في الطبيعة موصل للكهرباء، وخاصة الجرافيت المستخرج من الفحم أو الموجود في مصادر أخرى. من الناحية النظرية، يُصنف الجرافيت كشبه فلز ، أي أنه يقع بين الفلزات وأشباه الموصلات. يتميز الجرافيت ببنية طبقية، حيث يبلغ سمك كل طبقة ذرة واحدة. وتكون الروابط بين الطبقات ضعيفة بما يكفي لتسهيل فصلها يدويًا.

لا يزال تصميم صفائح الجرافيت للحصول على أجسام نانوية محددة بدقة يمثل تحديًا. مع ذلك، وبحلول نهاية القرن العشرين، كان الكيميائيون يستكشفون طرقًا لتصنيع أجسام جرافيتية متناهية الصغر يمكن اعتبارها جزيئات منفردة. بعد دراسة الظروف بين النجومية التي يُعرف أن الكربون يُشكّل فيها تجمعات، أجرى فريق ريتشارد سمولي (جامعة رايس، تكساس) تجربةً تم فيها تبخير الجرافيت باستخدام أشعة الليزر. كشف التحليل الطيفي الكتلي أن التجمعات التي تحتوي على أعداد سحرية محددة من الذرات كانت مستقرة، وخاصةً تلك التجمعات المكونة من 60 ذرة. اقترح هاري كروتو ، وهو كيميائي إنجليزي ساعد في التجربة، شكلًا هندسيًا محتملًا لهذه التجمعات - ذرات مرتبطة تساهميًا بتناظر دقيق يشبه تناظر كرة القدم. هذه التجمعات، التي أُطلق عليها اسم "باكمينستر فوليرين " أو "باكي بول" أو C60 ، احتفظت ببعض خصائص الجرافيت، مثل التوصيل الكهربائي. تم تصور هذه الأشياء بسرعة على أنها لبنات بناء محتملة للإلكترونيات الجزيئية.

مشاكل

القطع الأثرية

عند محاولة قياس الخصائص الإلكترونية للجزيئات، قد تظهر ظواهر اصطناعية يصعب تمييزها عن السلوك الجزيئي الحقيقي. [ 13 ] قبل اكتشافها، نُشرت هذه الظواهر خطأً على أنها خصائص تخص الجزيئات المعنية.

يؤدي تطبيق فرق جهد مقداره بضعة فولتات عبر وصلة نانوية إلى توليد مجال كهربائي قوي للغاية. يمكن لهذا المجال أن يدفع ذرات المعدن إلى الهجرة، مما يؤدي في النهاية إلى إغلاق الفجوة بواسطة خيط رفيع، والذي قد ينقطع عند مرور تيار كهربائي. تحاكي مستويي التوصيل عملية التبديل الجزيئي بين حالتي التوصيل والعزل للجزيء.

من بين الظواهر الأخرى التي يتم ملاحظتها حدوث تفاعلات كيميائية بين الأقطاب الكهربائية نتيجةً لشدة المجال العالية في الفجوة. عند عكس جهد الانحياز ، يتسبب هذا التفاعل في حدوث تخلف في القياسات، والذي يمكن تفسيره على أنه ذو أصل جزيئي.

يمكن لحبيبة معدنية بين الأقطاب أن تعمل كترانزستور إلكتروني أحادي وفقًا للآلية المذكورة أعلاه، مما يُشابه خصائص الترانزستور الجزيئي. وتُعد هذه الظاهرة شائعة بشكل خاص في الفجوات النانوية المُنتجة بطريقة الهجرة الكهربائية.

التاريخ والتقدم

تمثيل بياني للروتاكسان ، وهو مفيد كمفتاح جزيئي

في معالجتهما لما يُسمى بمركبات مانح-مستقبل في أربعينيات القرن العشرين، طوّر روبرت موليكن وألبرت سينت-جيورجي مفهوم انتقال الشحنة في الجزيئات. ثمّ قاما لاحقًا بتطوير دراسة كلٍّ من انتقال الشحنة وانتقال الطاقة في الجزيئات. وبالمثل، أوضحت ورقة بحثية نُشرت عام 1974 من قِبل مارك راتنر وآري أفيرام نموذجًا نظريًا لمقوّم جزيئي . [ 14 ]

في عام ١٩٨٨، وصف أفيرام بالتفصيل ترانزستورًا نظريًا أحادي الجزيء يعمل بتأثير المجال . واقترح فورست كارتر من مختبر الأبحاث البحرية مفاهيم أخرى، بما في ذلك البوابات المنطقية أحادية الجزيء . وعُرضت مجموعة واسعة من الأفكار، تحت إشرافه، في مؤتمر بعنوان " الأجهزة الإلكترونية الجزيئية" عام ١٩٨٨. [ ١٥ ] كانت هذه مجرد نماذج نظرية وليست أجهزة ملموسة. وكان القياس المباشر للخصائص الإلكترونية للجزيئات الفردية ينتظر تطوير طرق لإجراء توصيلات كهربائية على المستوى الجزيئي. لم تكن هذه مهمة سهلة. وهكذا، لم يُنشر أول تقرير عن قياس موصلية جزيء واحد بشكل مباشر إلا في عام ١٩٩٥ على جزيء C60 واحد بواسطة سي. يواكيم وجيه كيه جيمزوسكي في ورقتهم البحثية الرائدة في مجلة "فيزيكال ريفيو ليترز"، ولاحقًا في عام ١٩٩٧ بواسطة مارك ريد وزملاؤه على بضع مئات من الجزيئات. ومنذ ذلك الحين، شهد هذا الفرع من المجال تقدمًا سريعًا. وبالمثل، مع ازدياد إمكانية قياس هذه الخصائص بشكل مباشر، تم تأكيد التنبؤات النظرية للباحثين الأوائل بشكل كبير.

نُشر مفهوم الإلكترونيات الجزيئية عام 1974 عندما اقترح أفيرام وراتنر جزيئًا عضويًا يمكن أن يعمل كمقوم. [ 16 ] ونظرًا للاهتمام التجاري والنظري الكبير بهذا المفهوم، بُذلت جهودٌ حثيثة لإثبات جدواه، وبعد 16 عامًا، وتحديدًا عام 1990، حقق أشويل وزملاؤه أول برهان عملي لمقوم جزيئي جوهري باستخدام غشاء رقيق من الجزيئات.

أُجري أول قياس لموصلية جزيء منفرد عام 1994 على يد سي. يواكيم وجيه كيه جيمزوسكي، ونُشر عام 1995 (انظر الورقة البحثية المقابلة في مجلة Physical Review Letters). كان هذا تتويجًا لعشر سنوات من البحث الذي بدأ في مركز أبحاث IBM TJ Watson، باستخدام رأس مجهر المسح النفقي للتحكم في جزيء منفرد، كما سبق أن استكشفه أ. أفيرام وسي. يواكيم وإم. بوميرانتز في أواخر ثمانينيات القرن الماضي (انظر ورقتهم البحثية الرائدة في مجلة Chem. Phys. Letters خلال تلك الفترة). تمثلت الحيلة في استخدام مجهر المسح النفقي ذي الفراغ العالي جدًا للسماح لرأس المجهر بملامسة قمة جزيء منفرد برفق .تم امتصاص 60 جزيئًا على سطح Au(110). سُجلت مقاومة قدرها 55 ميجا أوم، بالإضافة إلى منحنى تيار-جهد خطي عند جهد منخفض. تم التحقق من التوصيل بتسجيل خاصية المسافة-التيار Iz، مما يسمح بقياس تشوه الموصل.60 قفص تحت التلامس. تبعت هذه التجربة الأولى النتيجة المبلغ عنها باستخدام طريقة الوصلة الميكانيكية المكسورة لتوصيل قطبين ذهبيين بسلكجزيئيبواسطةمارك ريدوجيمستورفي عام 1997. [ 17 ]

لقد سهّل المجهر النفقي الماسح (STM)، ولاحقًا مجهر القوة الذرية (AFM)، التعامل مع الإلكترونيات الجزيئية المفردة. كما ساهمت التطورات النظرية في مجال الإلكترونيات الجزيئية في تعزيز فهمنا لظواهر نقل الشحنة غير الأدياباتية عند أسطح التماس بين القطب الكهربائي والإلكتروليت. [ 18 ] [ 19 ]

قام كل من سي. يواكيم وجيه كيه جيمزوسكي بتنفيذ مضخم جزيء واحد في شركة آي بي إم زيورخ. هذه التجربة، التي تتضمن جزيء واحد من نوع سيأظهرت دراسة أجريت على 60 جزيئًا أن جزيئًا واحدًا من هذا النوع يمكن أن يوفر كسبًا في الدائرة من خلال تأثيرات التداخل الكمي داخل الجزيء وحده.

قام فريق بحثي من الباحثين في شركة هيوليت باكارد (HP) وجامعة كاليفورنيا في لوس أنجلوس (UCLA)، بقيادة جيمس هيث، وفريزر ستودارت، و ر. ستانلي ويليامز، وفيليب كويكس، بتطوير إلكترونيات جزيئية تعتمد على الروتاكسانات والكاتينانات .

يجري العمل أيضاً على استخدام أنابيب الكربون النانوية أحادية الجدار كترانزستورات ذات تأثير حقلي. وتُنفذ معظم هذه الأعمال من قبل شركة آي بي إم (IBM ).

تبين في عام 2002 أن بعض التقارير المحددة عن ترانزستور تأثير المجال القائم على طبقات أحادية التجميع الذاتي الجزيئية كانت مزيفة كجزء من فضيحة شون . [ 20 ]

تم تأكيد نموذج أفيرام-راتنر للمقوم أحادي الجزيء تجريبياً. [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] وقد تم تحديد العديد من جزيئات التقويم حتى الآن، ويتزايد عدد هذه الأنظمة وكفاءتها بسرعة.

الإلكترونيات فوق الجزيئية هي مجال جديد يشمل الإلكترونيات على المستوى فوق الجزيئي .

تُعدّ مسألة تحديد مقاومة جزيء واحد (نظريًا وتجريبيًا) من المسائل المهمة في الإلكترونيات الجزيئية. فعلى سبيل المثال، استخدم بوم وزملاؤه المجهر النفقي الماسح (STM) لتحليل مفتاح جزيئي واحد في طبقة أحادية التجميع الذاتي، وذلك لتحديد مدى توصيلية هذا الجزيء. [ 24 ] ومن المشكلات الأخرى التي تواجه هذا المجال صعوبة إجراء توصيف مباشر، نظرًا لصعوبة التصوير على المستوى الجزيئي في العديد من الأجهزة التجريبية.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ بيتي، إم سي؛ برايس، إم آر وبلور، دي. (1995). مقدمة في الإلكترونيات الجزيئية . نيويورك: مطبعة جامعة أكسفورد. ص 1-25 . ISBN  978-0-19-521156-6.
  2. ↑ تور، جيمس م .؛ وآخرون (1998). "التطورات الحديثة في الإلكترونيات على المستوى الجزيئي". حوليات أكاديمية نيويورك للعلوم . 852 (1): 197-204 . Bibcode : 1998NYASA.852..197T . CiteSeerX 10.1.1.506.4411 . doi : 10.1111/j.1749-6632.1998.tb09873.x . S2CID 18011089 .   
  3. ↑ واسر، راينر؛ لوسيم، ب. وبيورنهولم، ت. (2008). "الفصل 8: مفاهيم في إلكترونيات الجزيء المفرد". تقنية النانو. المجلد 4: تكنولوجيا المعلومات II . فاينهايم: وايلي-في سي إتش فيرلاغ جي إم بي إتش وشركاه كي جي إيه إيه. الصفحات 175-212 . ISBN  978-3-527-31737-0.
  4. ↑ كوباتكين، س.؛ وآخرون (2003). "ترانزستور أحادي الإلكترون لجزيء عضوي واحد مع إمكانية الوصول إلى عدة حالات أكسدة واختزال". نيتشر . 425 ( 6959): 698-701 . Bibcode : 2003Natur.425..698K . doi : 10.1038/nature02010 . PMID 14562098. S2CID 495125 .   
  5. ↑ أندرسون، مارك (9 يونيو 2005) "عزيزتي، لقد صغّرتُ جهاز الكمبيوتر" . Wired.com
  6. ^ زولدان، فينيسيوس كلاوديو؛ فاسيو، ريكاردو وباسا، أندريه أفيلينو (2015). "طابع النوع N و p للثنائيات الجزيئية المفردة" . التقارير العلمية . 5 : 8350. بيب كود : 2015NatSR...5.8350Z . دوى : 10.1038/srep08350 . بمك 4322354 . بميد 25666850 .  
  7. ↑ "المقومات الجزيئية" . رسائل الفيزياء الكيميائية . 29 (2): 277–283 . 15-11-1974. doi : 10.1016/0009-2614(74)85031-1 . ISSN 0009-2614 . 
  8. ↑ جيمزوسكي، جيه كيه؛ يواكيم، سي. (1999). "علم النانو للجزيئات المفردة باستخدام المجسات الموضعية". مجلة ساينس . 283 (5408): 1683-1688 . Bibcode : 1999Sci...283.1683G . doi : 10.1126/science.283.5408.1683 . PMID 10073926 . 
  9. ↑ تاو، ن. ج. (20 مايو 1996). "استكشاف النفق الرنيني المضبوط بالجهد عبر جزيئات الأكسدة والاختزال باستخدام مجهر المسح النفقي" . رسائل المراجعة الفيزيائية . 76 (21): 4066-4069 . doi : 10.1103/PhysRevLett.76.4066 .
  10. ↑ كوزنيتسوف، ألكسندر م.؛ أولستروب، ينس (1 ديسمبر 2000). "آليات المجهر النفقي الماسح في الموقع للتجمعات الجزيئية المؤكسدة والمختزلة المنظمة" . مجلة الكيمياء الفيزيائية أ . 104 (49): 11531-11540 . doi : 10.1021/jp993635x . ISSN 1089-5639 . 
  11. ↑ شو، بينغ تشيان؛ تاو، نونغ جيان ج. (29-08-2003). "قياس مقاومة الجزيء المفرد من خلال التكوين المتكرر للوصلات الجزيئية" . مجلة ساينس . 301 (5637): 1221-1223 . doi : 10.1126/science.1087481 . ISSN 0036-8075 . 
  12. ↑ سورنسن، جيه كيه. مؤرشف بتاريخ 29 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت . (2006). "تخليق مكونات جديدة، مُوَظَّفة بالفوليرين (60)، للإلكترونيات الجزيئية". الاجتماع السنوي الرابع – CONT 2006، جامعة كوبنهاغن.
  13. ↑ سيرفيس، آر إف (2003) . "الإلكترونيات الجزيئية - تكنولوجيا الجيل القادم تواجه أزمة منتصف العمر المبكرة". مجلة ساينس . 302 (5645): 556–+. doi : 10.1126/science.302.5645.556 . PMID 14576398. S2CID 42452751 .  
  14. ↑ أفيرام، أرييه؛ راتنر، مارك أ. (1974). "المقومات الجزيئية". رسائل الفيزياء الكيميائية . 29 (2): 277-283 . Bibcode : 1974CPL....29..277A . doi : 10.1016/0009-2614(74)85031-1 .
  15. ↑ كارتر، إف إل؛ سياتكوفسكي، آر إي ووهلتجين، إتش (محررون) (1988) الأجهزة الإلكترونية الجزيئية ، ص 229-244، نورث هولاند، أمستردام.
  16. ↑ أفيرام، أرييه؛ راتنر، م.أ. (1974). "المقومات الجزيئية". رسائل الفيزياء الكيميائية . 29 (2): 277-283 . Bibcode : 1974CPL....29..277A . doi : 10.1016/0009-2614(74)85031-1 .
  17. ↑ ريد، إم إيه؛ وآخرون (1997). "موصلية الوصلة الجزيئية". مجلة ساينس . 287 (5336): 252-254 . doi : 10.1126/science.278.5336.252 . 
  18. ↑ غوبتا، تشايتانيا؛ شانون، مارك أ.؛ كينيس، بول جيه إيه (2009). "آليات نقل الشحنة عبر أقطاب الذهب متعددة البلورات المعدلة بطبقة أحادية في غياب الأجزاء النشطة للأكسدة والاختزال". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 113 (11): 4687-4705 . doi : 10.1021/jp8090045 . S2CID 97596654 . 
  19. ↑ غوبتا، تشايتانيا؛ شانون، مارك أ.؛ كينيس، بول جيه إيه (2009). "الخواص الإلكترونية لسطح التماس بين طبقة أحادية ومحلول إلكتروليتي، المستخلصة من تحليل المعاوقة الميكانيكية". مجلة الكيمياء الفيزيائية ج . 113 (21): 9375-9391 . doi : 10.1021/jp900918u . S2CID 96943244 . 
  20. ↑ جاكوبي، ميتش (27 يناير 2003). "إعادة النظر في الدوائر الإلكترونية القائمة على الجزيئات" . أخبار الهندسة الكيميائية . تم الاطلاع عليه بتاريخ 24 فبراير 2011 .
  21. ↑ أشويل، جيفري جيه؛ هاميلتون، ريتشارد؛ هاي، إل آر هيرمان (2003). "التقويم الجزيئي: منحنيات التيار-الجهد غير المتماثلة من طبقات أحادية التجميع الذاتي لصبغة مانحة-(جسر-n)-مستقبلة". مجلة كيمياء المواد . 13 (7): 1501. doi : 10.1039/B304465N .
  22. ↑ أشويل، جيفري جيه؛ تشويالكوفسكا، آنا؛ هاي، إل آر هيرمان (2004). "Au-SC n H 2n -Q3CNQ: طبقات أحادية التجميع الذاتي لتقويم الجزيئات". مجلة كيمياء المواد . 14 (15): 2389. doi : 10.1039/B403942D .
  23. ↑ أشويل، جيفري جيه؛ تشويالكوفسكا، آنا؛ هيرمان هاي، إل آر (2004). "مشتقات Au-SC n H 2n -P3CNQ المعدلة". مجلة كيمياء المواد . 14 (19): 2848. doi : 10.1039/B411343H .
  24. ↑ بوم، إل إيه؛ أرنولد، جيه جيه؛ سيغان، إم تي؛ دنبار، تي دي؛ بورغين، تي بي؛ جونز، إل؛ ألارا، دي إل؛ تور، جيه إم؛ فايس، بي إس (1996). "هل الأسلاك الجزيئية المفردة موصلة؟". مجلة ساينس . 271 (5256): 1705-1707 . رمز Bibcode : 1996Sci...271.1705B . doi : 10.1126/science.271.5256.1705 . S2CID 96354191 .