Conduction of molecular electronic devices

Thijs Stuyver
Het was Gordon Moore die in 1965 zijn wereldberoemde wet omtrent de rekenkracht van computers formuleerde: het aantal transistoren in een geïntegreerde schakeling verdubbelt elke 2 jaar door technologische vooruitgang. Deze wet, die de geschiedenis ingegaan is als de wet van Moore, is de afgelopen 50 jaar zeer accuraat gebleken. De gevolgen van deze beweging naar steeds compactere transistoren zijn overal om ons heen te zien.

Conduction of molecular electronic devices

Het was Gordon Moore die in 1965 zijn wereldberoemde wet omtrent de rekenkracht van computers formuleerde: het aantal transistoren in een geïntegreerde schakeling verdubbelt elke 2 jaar door technologische vooruitgang. Deze wet, die de geschiedenis ingegaan is als de wet van Moore, is de afgelopen 50 jaar zeer accuraat gebleken. De gevolgen van deze beweging naar steeds compactere transistoren zijn overal om ons heen te zien. Waar vroeger een computer ter grote van een volledig huis nodig was om enkele eenvoudige programma’s uit te voeren, zijn miniscule en goedkope computerchips heden ten dage alom tegenwoordig, van onze pc over onze smartphone en auto tot industriële machines. Deze evolutie (of noem het eerder een revolutie) in de computerkracht heeft gezorgd voor een immense toename in welvaart en comfort wereldwijd, maar stilaan lijkt het eindpunt bereikt volgens de klassieke productiemethoden. Hoog tijd dus om een blik te werpen op mogelijke alternatieven.

Moleculaire transistorenTransistoren zijn de kleinste bestanddelen van de processor van iedere computer. Deze bestanddelen kunnen geschakeld worden tussen 2 zogenaamd ‘binaire toestanden’ (0 en 1). De werking van computers is volledig gestoeld op dit binair stelsel. De complexe berekeningen die in een computer uitgevoerd worden zijn integraal te herleiden tot het continue schakelen van miljoenen transistoren. Traditioneel worden deze elektronische componenten geproduceerd door met een laser gravures te maken in bulk halfgeleidermaterialen. Doordat lasers steeds fijner en preciezer worden kunnen ook transistoren steeds compacter gemaakt worden. Nu echter de grens van deze miniaturisatiebeweging in zich komt, richten wetenschappers zich stilaan naar het allerkleinste niveau van de materie, het moleculaire niveau. Atomen samenvoegen tot moleculen die zich gedragen als transistoren zou het natuurlijke eindpunt van de wet van Moore zijn.

De weg naar moleculaire elektronicaNaast miniaturisatie van transistoren in computers onderzoeken wetenschappers ook de mogelijkheid om andere elektronische componenten te minimaliseren, gaande van kabels over schakelaars tot diodebruggen. Zelfs zonnecellen op nanometerschaal behoren tot de onderzochte mogelijkheden. Al deze moleculaire elektronische componenten worden in verzameling aangeduid met de term molecular electronic devices (MED). Onderzoek naar deze MED moet op lange termijn leiden tot een overschakeling naar moleculaire elektronica. In het verleden werd al heel wat onderzoek naar dergelijke MED uitgevoerd, zowel experimenteel als theoretisch, maar over het algemeen blijft het moeilijk in te schatten wat de relatie tussen de moleculaire structuur en elektronische eigenschappen (de geleidbaarheid) is.

Geleidbaarheid van moleculen voorspellenDe algemene formules om de geleidbaarheid doorheen een specifieke molecule te berekenen zijn bekend, maar zolang geen algemene, eenvoudig toepasbare regels opgesteld worden blijft het moeilijk om een selectie te maken tussen potentieel goede en slechte moleculaire geleiders. Hierdoor blijft het onderzoek naar MED op dit moment vaak beperkt tot trial and error. Er worden bepaalde moleculen als studieobject uitgekozen, maar het is niet altijd duidelijk of de gesynthetiseerde MED een optimale geleidbaarheid voor hun beoogde werking vertonen en of kleine aanpassingen aan hun moleculaire architectuur niet tot betere resultaten zouden kunnen leiden. Bovendien blijkt de geleidbaarheid van moleculen ook af te hangen van de keuze van de contactatomen waarmee de molecule in het elektrisch circuit wordt geïntegreerd. Een molecule kan dus geleidend zijn in een bepaalde configuratie, maar zich totaal anders gedragen wanneer ze op een andere wijze in een elektrisch circuit verwerkt wordt. In dit eindwerk werd getracht om te onderzoeken of het mogelijk is om aan de hand van een gekend concept uit de theoretische chemie uitspraken te doen over de geleidbaarheid van enkele eenvoudige voorbeeldmoleculen (aromatische koolwaterstoffen).

Als gekend concept werd de atom-atom polarizability gekozen. Dit laatste concept drukt uit hoe elektronen zich verplaatsen doorheen een molecule wanneer een ‘storing’ aangelegd wordt op een bepaald atoom van de molecule. Traditioneel wordt die storing geïnterpreteerd als de aanval van een andere molecule. Echter, storingen kunnen ook van andere aard zijn, zoals een aangelegde spanning in een elektrisch circuit. Door de storing op deze manier te interpreteren kan al intuïtief aangevoeld worden dat er een of ander verband tussen dit concept en de geleidbaarheid zou behoren te bestaan.

Om te testen of geleidbaarheid kan voorspeld worden aan de hand van data over de atom-atom polarizability werden computerprogramma’s geschreven die in staat zijn om zowel de atom-atom polarizability als de geleidbaarheid van enkele voorbeeldmoleculen te berekenen. Een vergelijking tussen de resultaten van beide programma’s voor deze moleculen leidde tot het besluit dat wanneer tussen twee atomen van een molecule een positieve atom-atom polarizability bestaat, het verbinden van deze 2 atomen met 2 contacten in een elektrisch circuit tot stroom leidt. Met andere woorden, een positieve atom-atom polarizability is een nodige voorwaarde voor geleiding.

Deze bevinding werd vervolgens wiskundig onderbouwd en blijkt geldig voor de klasse van verbindingen die in dit werk bestudeerd werd. Ook een uitbreiding van deze regel naar andere klassen van verbindingen werd onderzocht, maar dit vraagt een verdere uitwerking. Tot slot blijkt het met de bekomen data over de atom-atom polarizability mogelijk om voor een bepaalde molecule de verschillende combinaties van contactatomen te rangschikken volgens geleidbaarheid. Een theoretische verklaring voor deze laatste bevinding werd nog niet gevonden. 

Bibliografie

Bibliography

  1. [1]  Bergfield, J. P.; Ratner, M. A.; Phys. Status Solidi (b), 2013, 250, 2249-

    2266.

  2. [2]  Klossner, J.; Computerworld, 2013, 47, 4.

  3. [3]  Mayor, M.; Weber, H. B.; Reichert, J.; Elbing, M.; von Ha ̈nisch, C.; Beck- mann, D.; Fischer, M.; Angew. Chem. Int. Ed., 2003, 42, 5834-5838.

  4. [4]  Pickup, B.T.; Fowler, P.W.; Chem. Phys. Lett., 2008, 459, 198-202.

  5. [5]  Yoshizawa, K.; Tada, T.; Staykov, A.; J. Am. Chem. Soc., 2008, 130, 9406-

    9413.

  6. [6]  Fowler, P.W.; Pickup, B.T.; Todorova, T.Z.; Myrvold, W.; J. Chem. Phys.,

    2009, 131, 044104.

  7. [7]  Fowler, P.W.; Pickup, B.T.; Todorova, T.Z.; Myrvold, W.; J. Chem. Phys.,

    2009, 131, 244110.

  8. [8]  Coulson, C.A.; Longuet-Higgins, H.C.; Proc. R. Soc. A, 1947, 191, 39-60.

  9. [9]  Coulson, C.A.; Longuet-Higgins, H.C.; Proc. R. Soc. A, 1947, 192, 16-32.

  10. [10]  Coulson, C.A.; Longuet-Higgins, H.C.; Proc. R. Soc. A, 1948, 193, 447- 464.

  11. [11]  Goyer, F.; Ernzerhof, M.; Zhuang, M.; J. Chem. Phys., 2007, 126, 144104.

  12. [12]  Moore, M.G.; Phys 852, Quantum Mechanics II, Michigan State Univer-

    sity, 2008.

  13. [13]  Mujica, V.; and Kemp, M.; Ratner, M.A.; J. Chem. Phys., 1994, 101, 6849- 6855.

  14. [14]  Morikawa, T.; Narita, S.; Klein, D.J.; Chem. Phys. Lett., 2005, 402, 554- 558.

    89

  1. [15]  Sablon, N.; De Proft, F.; Sola, M.; Geerlings, P.; Phys. Chem. Chem. Phys., 2012, 14, 3960-3967.

  2. [16]  Geerlings, P.; Fias, S.; Boisdenghien, Z.; De Proft, F.; Chem. Soc. Rev., 2014, DOI: 10.1039/C3CS60456J.

  3. [17]  Fias, S.; Boisdenghien, Z.; Stuyver, T.; Audiffred, M.; Merino, G.; Geer- lings, P.; De Proft, F.; J. Phys. Chem. A, 2013, 117.16, 3556-3560.

  4. [18]  Szabo, A.; Ostlund, N.S.; Modern Quantum Chemistry: Introduction to Advanced Electronic Structure Theory, Dover Publications, 1996.

  5. [19]  Ernzerhof, M.; J. Chem. Phys., 2007, 127, 204709.

  6. [20]  Geerlings, P.; Finsy, R.; Molecular Physical Chemistry, VUBPress, 2012.

  7. [21]  Salem, L.; The Molecular Orbital Theory of Conjugated Systems, W. A. Benjamin, 1974.

  8. [22]  RutgersUniversity;http://andromeda.rutgers.edu/huskey/images/ethylene- bonding.jpg (accessed May 30, 2014).

  9. [23]  Krasheninnikov, A.; University of Helsinki; http://beam.acclab.helsinki.fi/ akrashen/escalc/lect07.ps (accessed May 30, 2014).

  10. [24]  Cramer, G.; Introduction a` l’Analyse des lignes Courbes alge ́briques, Geneva: Europeana, 1750.

  11. [25]  Hohenberg, P.; Kohn, W.; Phys. Rev., 1964, 136, B864.

  12. [26]  Geerlings, P.; De Proft, F.; Langenaeker, W.; Chem. Rev., 2003, 103, 1793-

    1874.

  13. [27]  Kohn, W.; Sham, L.J.; Phys. Rev., 1965, 140, A1133.

  14. [28]  Parr, R.G.; Yang, W.; Annu. Rev. Phys. Chem., 1995, 46.1, 701-728.

  15. [29]  Caenepeel, S.; Complexe analyse, VUBPress, 2006.

  16. [30]  Tian, W.; Datta, S.; Hong, S.; Reifenberger, R.; Henderson, J. I.; Kubiak, C. P.; J. Chem. Phys., 1998, 109, 2874-2882.

  17. [31]  Quantumwise; http://www.quantumwise.com/publications/tutorials/mini- tutorials/180-linear-response-current (accessed May 30, 2014).

  18. [32]  An, Y.; Ji, W.; Yang, Z.; J. Phys. Chem. C, 2012, 116, 5915-5919. 90

  1. [33]  Press, W.H. Numerical Recipes in Fortran 90: Volume 2, Cambridge Uni- versity Press, 1996.

  2. [34]  Verzijl,C.J.O.;Seldenthuis,J.S.;Thijssen,J.M.;J.Chem.Phys.,2013,128, 094102.

  3. [35]  Postscript language tutorial and cookbook, Adobe Systems Incorporated, 1985.

  4. [36]  Baker, W.; Rouvray, D.H.; J. Chem. Educ., 1978, 55, 645.

  5. [37]  Dewar, M.J.S.; Schmeising, H.N.; Tetrahedron, 1959, 5, 166-179.

  6. [38]  Kerber, R.C.; J. Chem. Educ., 2006, 83, 223-227.

  7. [39]  Hornback, J.; Organic Chemistry, Thomson Learning, Inc., 2006.

  8. [40]  California Institute of Technology; http://www.cds.caltech.edu (accessed May 30, 2014). 

 

Universiteit of Hogeschool
Chemie
Publicatiejaar
2014
Kernwoorden
Share this on: