آموزش پیشرفتهآموزش نانو

اتصالات مولکولی 2 – رسانایی الکتریکی

در مقاله «اتصالات مولکولی 1 – معرفی و مبانی فیزیکی» به معرفی ماهیت اتصالات ملکولی پرداخته شد و روش‌های متداول برای ساخت آنها مورد مطالعه قرار گرفت. نشان داده شد که می‌توان برای بررسی مکانیزم‌های انتقال الکترون و پارامترهای موثر بر رسانایی اتصال، از انواع اتصالات ملکولی نظیر اتصالات شکسته استفاده نمود. گفته شد که دمای محلول، شکل، جنس، و آرایش فضایی ملکول مورد استفاده، جنس، خواص و ماهیت سطحی الکترودهای فلزی، و ساختار نواری اجزای اتصال می‌تواند رسانایی این سیستم‌ها را تحت تاثیر قرار دهد. در مقاله حاضر به بررسی ماهیت رسانایی الکتریکی در اتصالات ملکولی پرداخته و تاثیر عوامل مختلف بر آن مورد بررسی قرار می‌دهد. تاکید این مقاله بر امکان کنترل رسانایی یک اتصال ملکولی با تغییر خواص فیزیکی، شیمیایی و مکانیکی آن و بهینه‌سازی خواص الکتریکی قطعه نانوالکترونیکی نهایی است.

این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی
3- عوامل موثر بر رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی
1-3 شکل هندسی اتصال فلز/ ملکول
2-3 ساختار نواری اتصال الکترود/ملکول
3-3 نیروهای خارجی
4-3 محیط مورد مطالعه
1-4-3 pH محلول
2-4-3 حضور یون‌های فلزی در محیط
3-4-3 وجود شرایط دوپ کردن
4-4-3 گرم شدن موضعی اتصال در اثر جریان عبوری
نتیجه‌گیری

1- مقدمه

واحدهای ملکولی بکار رفته در ساخت اتصالات ملکولی می‌توانند بسته به نوع کاربرد و ماهیت انتقال بار در آن، از جنس مواد آلی یا غیرآلی انتخاب شوند. قریب به اتفاق این اتصالات، از ملکو‌لهای آلی یا زیستی ساخته می‌شوند. با این حال، می‌توان از گونه‌های نانومتری موادی مانند DNA، نانولوله‌های کربنی و گرافن نیز برای ساخت آنها استفاده کرد. آنچه در این اتصالات مهم است رفتار رسانایی الکتریکی و به بیان دقیق‌تر، ماهیت انتقال الکترون در این ساختارهاست. رسانایی الکتریکی در اتصالات ملکولی به صورت خاصی تعریف می‌شود و مفهوم آن کمی متفاوت‌تر از تعاریف مرسوم برای ماده بالک است. همچنین عوامل متعددی رسانایی این سیستم‌ها را تحت تاثیر قرار می‌دهند. برخی از این عوامل ذاتی بوده و به ماهیت واحد‌های ملکولی بکار رفته یا الکترودها بستگی دارد و برخی نیز عوامل غیرذاتی هستند و به محیط یا دمای مجموعه باز می‌گردند. در این مقاله، به مطالعه مفهوم رسانایی در اتصالات ملکولی می‌پردازیم و مرور کوتاه و جامعی بر روی عوامل موثر بر رسانایی الکتریکی این سیستم خواهیم داشت.

2- رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی

مهم‌ترین کمیتی که خواص الکتریکی مواد بالک را توصیف می‌کند رسانایی الکتریکی (Electrical conductivity) است. رسانایی الکتریکی در مواد بالک (σ) به صورت زیر تعریف می‌شود:
 (معادله 1)                                                         σ=(I/V) * L/A
که در این رابطه، I شدت جریان الکتریکی عبوری، V ولتاژ بایاس اعمالی، L طول و A مساحت سطح مقطع ماده است. اصولا تعیین دقیق پارامترهای A و L برای ملکو‌لهای کوچک امکان‌پذیر نیست و می‌بایست معادله 1 برای مطالعه رسانایی اتصالات ملکولی بازتعریف شود. برای این منظور، پارامتری به نام رسانندگی (Conductance) (G) برای واحدهای ملکولی تعریف می‌شود به‌طوریکه
(معادله 2)                                                            G=I/V
یکی از چالش‌های فراروی این حوزه، تعیین رسانندگی الکتریکی اتصالاتی است که واحدهای ملکولی بکار رفته در آن‌ها، از جنس خود الکترودهای فلزی هستند. از مهم‌ترین این اتصالات می‌توان به اتصالات مبتنی بر نانوذرات طلا با الکترودهای فلزی طلا اشاره نمود. بنا به تعریف، اتصالاتی که متشکل از یک اتم منفرد یا خوشه‌ای اتمی از جنس الکترودهای فلزی باشند، اتصالات نقطه کوانتومی (Quantum point junctions) نامیده می‌شوند. نمونه‌هایی از این اتصالات در شکل 1 نشان داده شده است.
شکل 1. شمایی از اتصالات نقطه کوانتومی. واحدهای ملکولی شامل خوشه‌هایی از جنس الکترودهای فلزی هستند [1].
ثابت می‌شود که برای فلزات، رسانندگی الکتریکی اتصالات نقطه کوانتومی برابر  G0=2e2/h خواهد بود. در رابطه یاد شده، e بار الکترون، h ثابت پلانک و S واحد رسانندگی الکتریکی است.

براساس مباحث فیزیک کوانتوم، G0 به معنی انتقال صد در صدی الکترون‌ها از الکترودی به الکترود دیگر به کمک یک نقطه کوانتومی است. لذا می‌توان رسانندگی الکتریکی یک واحد ملکولی یا اتصال ملکولی را در واحد G0 بیان کرد و بدین ترتیب، رفتار الکتریکی اتصال موردنظر با رسانندگی اتصالات پایه فلزی قابل مقایسه خواهد بود.
غالباً رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی، با استفاده از نمودار I-V و یا J-V (J شار جریان عبوری) اندازه‌گیری می‌شود. همچنین می‌توان با اندازه‌گیری شدت جریان الکتریکی برای مقادیر منفی و مثبت ولتاژ اعمال شده، برگشت‌پذیر بودن یا نبودن واکنش‌های انتقال بار الکتریکی در اتصالات را مورد ارزیابی قرار داد. بدیهی است که متقارن بودن نمودار I-V نسبت به محور V = 0، به معنی برگشت‌پذیر بودن فرآیند انتقال بار الکتریکی در اتصالات ملکولی می‌باشد.
مهم‌ترین چالش فراروی تحقیقات این حوزه، انتخاب نوع اتصالات تک‌ملکولی است، چراکه شکل هندسی اتصال، تاثیر قابل ملاحظه‌ای بر رفتار رسانایی الکتریکی آن می‌گذارد. در حالت کلی، اکثر مطالعات مربوط به اندازه‌گیری تجربی رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی، به کمک یکی از دو روش «شکست کنتر‌لشونده با بار مکانیکی» (Mechanically controlled break) و STM انجام گرفته است. اما آنچه بین این دو روش مشترک است این است که در هر دو حالت، ساختار نهایی اتصال شامل آرایه فلز/واحد ملکولی/فلز خواهد بود. در این حالت می‌توان با اعمال اختلاف پتانسیل بین دو الکترود فلزی، رفتار رسانایی تک‌ملکول را مورد ارزیابی قرار داد. ترجیح بر این است که از یک ملکول منفرد و در غیر این صورت، از تک‌لایه خودآرای ملکولی برای اندازه‌گیری عملی رسانایی استفاده شود. به عنوان مثال، برای ساخت چنین اتصالی می‌بایست سیم نازکی از فلز طلا به کمک روش شکست کنتر‌لشونده با بار مکانیکی، شکسته و ابعاد منطقه شکست با استفاده از نیروی پیزوالکتریک در محدوده چند آنگستروم نگه داشته شود. برای ایجاد تک لایه خودآرا بر روی سیم فلزی می‌بایست سطح فلز طلا در معرض محلول شیمیایی تتراهیدرافوران (Tetrahydrofuran یا THF) قرار داده شود. در چنین شرایطی، آرایه منظمی از ملکو‌لهای بنزن-4،1- دی‌تیول به صورت عمود بر سطح فلز طلا تشکیل می‌شوند. حال می‌توان با تغییر شدت نیروی پیزوالکتریک، شرایطی را فراهم آورد که در آن، تنها یک ملکول مشخص بین دو الکترود فلزی قرار گیرد. مراحل ساخت چنین اتصالی در شکل 2 نشان داده شده است. شکل 3 نیز آرایش دوبعدی ملکو‌لهای آلی در فصل‌مشترک دو الکترود فلزی را نشان می‌دهد.

شکل 2. شمایی از مراحل ساخت اتصالات ملکولی آلی بر پایه بنزن-4،1- دی‌تیول
شکل 3. شمایی از تک لایه خودآرای بنزن-4،1- دی‌تیولیت در بین دو الکترود فلزی طلا [2].
می‌توان با اعمال اختلاف ولتاژ به اتصال ملکولی یاد شده، نمودارهای I-V، J-V و رسانایی الکتریکی بر حسب ولتاژ اعمالی را رسم نمود. نتایج تجربی به دست آمده برای این اتصال در شکل 4 نشان داده شده است. همان‌طور‌که مشاهده می‌شود، افزایش اختلاف پتانسیل اعمالی باعث افزایش جریان عبوری و در نتیجه، افزایش رسانایی الکتریکی اتصال می‌شود.
شکل 4. نمودار تغییرات (الف) جریان عبوری و (ب) رسانایی الکتریکی (G) بر حسب ولتاژ اعمالی برای اتصال ملکولی آلی بنزن-4،1- دی‌تیولیت/طلا [2].

3- عوامل موثر بر رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی

در روش‌های مکانیکی که برای ساخت اتصالات ملکولی توسعه یافته‌اند، پارامترهای بسیاری وجود دارند که می‌توان با کنترل آنها، خواص رسانایی کاملاً متفاوتی در اتصالات ملکولی به دست آورد. از مهم‌ترین این پارامترها می‌توان به محیط پیرامون اتصال، حرارت موضعی ناشی از عبور جریان الکتریکی در اتصال، شکل هندسی اتصال الکترود-ملکول، تطابق ترازهای انرژی در الکترودها و واحدهای ملکولی، و نیروهای خارجی اعمال شده به اتصال اشاره نمود. در این بخش به بررسی تاثیر هرکدام از این عوامل بر خواص رسانندگی اتصالات ملکولی پرداخته می‌شود.

1-3 شکل هندسی اتصال فلز/ ملکول

در روش‌های مکانیکی ارائه شده برای ساخت اتصالات ملکولی، تعداد اتم‌ها یا ملکو‌ل‌هایی که در فصل‌مشترک دو الکترود قرار می‌گیرند، به فاصله الکترودهای فلزی از یکدیگر و نیروی پیزوالکتریک اعمال شده به اتصال بستگی دارند. همین عامل باعث می‌شود که شکل هندسی اتصالات شکسته مکانیکی با یکدیگر کاملا متفاوت باشند. مطالعات نشان می‌دهند که رسانندگی الکتریکی اتصالات به طور قابل ملاحظه‌ای به تعداد اتم‌ها یا ملکو‌لهای سازنده، شکل هندسی و آرایش فضایی آنها بستگی دارد. قو (Guo) و همکاران با فرض ثابت بودن وزن اتمی اتصالات، رسانندگی الکتریکی تعداد بسیار زیادی از اتصالات نقطه کوانتومی با اشکال هندسی متفاوت را مورد بررسی قرار داده‌اند. شکل 5 شمایی از اتصالات مورد مطالعه و نمودار تغییرات رسانندگی آنها با آرایش هندسی اتم‌های فلزی را نشان می‌دهد. نتایج به دست آمده حاکی از آن است که تعداد اتم‌های سازنده اتصالات و آرایش فضایی آنها می‌توانند رسانندگی الکتریکی اتصالات را تحت تاثیر قرار دهند.
شکل 5. (الف) اشکال هندسی کاملاً متفاوت اتصالات نقطه کوانتومی 6،1- هگزان‌دی‌تیول با الکترودهای طلا؛ و (ب) روند تغییر خواص رسانندگی اتصالات بر حسب تعداد اتم‌های فلزی موجود در اتصال و اشکال هندسی متفاوت آنها [1].
در پژوهشی دیگر، سلامون و همکاران توانستند سطح انرژی الکترون‌های مستقر در تراز HOMO ملکو‌لهای C5S2H2 با ساختارهای فضایی کاملاً متفاوت را به دست آورند. نتایج به دست آمده، در شکل 6 خلاصه شده است. در این شکل، سطح انرژی فرمی الکترودهای فلزی برابر صفر در نظر گرفته شده و انرژی تراز HOMO در ملکول‌های C5S2H2 نسبت به نقطه صفر مشخص شده است. همان‌طور‌که مشاهده می‌شود، تغییر ساختار فضایی ملکو‌لها می‌تواند سطح ترازهای انرژی و ساختار نواری اتصالات ملکولی را به شدت تحت تاثیر قرار دهد.

شکل 6. (الف) ساختارهای فضایی مختلف ملکول HS-C6-SH و انرژی ترازهای HOMO آن و (ب) اتصال مورد استفاده برای اندازه‌گیری خواص الکترونی ملکول مورد نظر [3].

2-3 ساختار نواری اتصال الکترود/ملکول

رسانندگی اتصالات ملکولی به میزان هم‌ترازی (Alignment) سطوح انرژی اوربیتا‌لهای ملکولی HOMO و LUMO با انرژی فرمی الکترودهای فلزی بستگی دارد. براساس یک قاعده کلی، برای برقراری جریان الکتریکی در اتصالات ملکولی می‌بایست سطح ترازهای فرمی الکترودهای فلزی، در داخل عرض شکاف انرژی ساختار نواری واحد ملکولی قرار گیرد، زیرا اگر ترازهای HOMO یا LUMO واحد ملکولی به تراز فرمی الکترود فلزی نزدیک باشد، امکان انتقال الکترون بین آن‌ها فراهم شده و ملکول به طور لحظه‌ای دچار اکسایش یا کاهش می‌شود.
در عمل می‌توان با اعمال ولتاژ گیت به اتصال، سطح انرژی ترازهای HOMO و LUMO واحدهای ملکولی را تغییر داد. شکل 7 شمایی از یک اتصال تک‌ملکولی و ساختار نواری مربوط به آن را نشان می‌دهد. همان‌طورکه مشاهده می‌شود، اعمال ولتاژ گیت (Vg) باعث جابجا شدن ساختارهای نواری واحدهای ملکولی می‌شود. شکل 7-ج نیز تغییرات شدت جریان عبوری از اتصال را بر حسب ولتاژ گیت نشان می‌دهد. مطابق این نمودار، افزایش ولتاژ گیت باعث محدود شدن انتقال الکترون بین الکترود-ملکول می‌شود. دلیل اصلی این موضوع این است که هرچه ترازهای HOMO و LUMO به تراز فرمی الکترودها نزدیک‌تر باشد، احتمال انجام اکسیداسیون و احیای الکتروشیمیایی ملکو‌لها افزایش خواهد یافت. در آن دسته از ملکو‌لها که به طور برگشت‌پذیر دچار اکسایش و کاهش می‌شوند، اعمال ولتاژ گیت می‌تواند رسانندگی الکتریکی آنها را به طور قابل ملاحظه‌ای تحت تاثیر قرار دهد. این اثرات به کمک ساختار نواری اتصالات ملکولی مطالعه می‌شود. لازم به ذکر است که هم‌ترازی سطوح انرژی، از طریق کنترل خواص ذاتی ملکو‌لها و الکترودها و نیز برهم‌کنش‌های بین آنها تعیین می‌شود.
شکل 7. (الف) شمایی از اتصالات تک‌ملکولی در داخل یک سلول الکتروشیمیایی، (ب) ساختار نواری اتصال ملکولی الف که در آن، اعمال ولتاژ گیت می‌تواند باعث جابجا شدن ترازهای ملکولی به سطوح انرژی بالاتر یا پایین‌تر نسبت به تراز فرمی الکترودهای فلزی شود؛ و (ج) شدت جریان عبوری از اتصال ملکولی الف به صورت تابعی از ولتاژ الکتروشیمیایی گیت [1].

3-3 نیروهای خارجی

در اتصالات ملکولی مبتنی بر STM و AFM، دو الکترود فلزی کاملاً متحرک هستند و امکان تغییر فاصله جدایش آنها وجود دارد. حال اگر مطابق شکل 8، ملکولی بین زیرلایه و پروب میکروسکوپ AFM قرار داشته باشد، می‌توان همزمان با افزایش فاصله جدایش پروب، نیروی لازم برای جدایش و رسانایی الکتریکی اتصال ملکولی به وجود آمده را اندازه‌گیری کرد. نمودار تغییرات نیروی لازم برای افزایش طول اتصال و رسانایی الکتریکی آن به صورت تابعی از فاصله جدایش در شکل 8-ب آورده شده است. همان‌طورکه مشاهده می‌شود، افزایش فاصله جدایش باعث افت همزمان نیروی کششی لازم و رسانایی الکتریکی اتصال ملکولی می‌شود. دلیل کاهش پیوسته نیرو به این واقعیت برمی‌گردد که در مراحل اولیه کشش، اتصال ملکولی تلاش می‌کند به جای اینکه از شاخه ملکولی بشکند، از منطقه فصل‌مشترک ملکول-فلز جدا شود. هرکدام از پله‌های به وجود آمده در نمودار نیرو-فاصله کشش، متناظر با سیلان اتم‌های فلزی در فصل‌مشترک اتصال ملکولی است. در نهایت، کشش تا جایی ادامه می‌یابد که اتم‌های الکترود فلزی امکان حفظ پیوند با واحد ملکولی را نداشته و شکست اتصال، پدیده غالب خواهد بود. بدیهی است که افزایش فاصله جدایش باعث افزایش مسیر انتقال الکترون در طول اتصال ملکولی شده و رسانایی الکتریکی نیز متناسب با افت تدریجی نیرو، کاهش خواهد یافت.
شکل 8. (الف) شمایی از اتصالات ملکولی مبتنی بر میکروسکوپ AFM؛ و (ب) نمودار تغییرات نیروی لازم برای کشش اتصال ملکولی و رسانایی الکتریکی آن برحسب فاصله جدایش [1].

4-3 محیط مورد مطالعه

در حالت کلی، محیط پیرامون اتصالات ملکولی (از جمله اتصالات ملکولی آلی) می‌تواند به دلیل ایجاد برخی تغییرات در فرآیند انتقال بار الکتریکی، رسانندگی آنها را به شدت تحت تاثیر قرار دهد. از مهم‌ترین متغیرهای محیطی می‌توان به موارد زیر اشاره نمود.

1-4-3 pH محلول

تغییر pH محیط اتصالات ملکولی می‌تواند رسانایی الکتریکی آنها را به طور قابل ملاحظه‌ای تحت تاثیر قرار دهد. برای نمونه، روند تغییرات رسانایی اتصالات مبتنی بر ملکول سیستیمین-گلیسین-سیستین (Cysteamine- glycine – cysteine) در شکل 9 نشان داده شده است. همان‌طورکه مشاهده می‌شود، رسانایی الکتریکی این اتصالات در محیط‌های اسیدی بسیار بیشتر از محیط‌های بازی است. دلیل این موضوع به وابستگی مستقیم فرآیند اکسایش یا کاهش ملکو‌لها به pH محیط برمی‌گردد. تغییر pH می‌تواند واکنش اکسایش و کاهش گروه‌های عاملی NH2 و COOH را تحت تاثیر قرار داده و رسانایی ملکول مورد نظر را تغییر دهد.
شکل 9. (الف) فرمول ساختاری ملکول سیستیمین-گلیسین-سیستین؛ و (ب) وابستگی شدت جریان عبوری از اتصال ملکولی بند الف به pH محیط پیرامون [1].

2-4-3 حضور یون‌های فلزی در محیط

وجود برخی یون‌های فلزی مانند Cu+2 و Ni+2 در محیط‌های محلولیِ پیرامون اتصالات می‌تواند رسانایی الکتریکی آنها را به طور محسوسی افزایش دهد. برای نمونه، این افزایش برای اتصالات ملکولی Cysteamine-Gly-Cys تا 300 برابر نیز گزارش شده است. مکانیزم ارائه شده برای توجیه این افزایش بدین صورت است که یون‌های فلزی موجود قادرند به آسانی با گروه‌های عاملی ملکو‌لها پیوند برقرار کرده و بدین ترتیب رسانایی الکتریکی اتصال را افزایش دهند. میزان این افزایش نیز به طول ملکو‌لها و ماهیت یون‌های فلزی بستگی دارد. پیوندهای شیمیایی بین یون‌های فلزی و ملکو‌لها به چند طریق می‌توانند رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی را افزایش دهند:
(الف) تشکیل پیوندهای شیمیایی باعث انتقال الکترون از گروه‌های عاملی ملکو‌لها به یون‌های فلزی و به دنبال آن، اکسایش پیوند‌های ملکولی می‌شود. همین پدیده، ساختار نواری واحدهای ملکولی را تحت تاثیر قرار داده و توزیع بار الکتریکی در امتداد شاخه‌های ملکولی را تغییر می‌دهد. بررسی‌ها نشان می‌دهند که تغییر توزیع بار الکتریکی در ملکو‌لها نیز منجر به تغییر ارتفاع سد تون‌لزنی حام‌لهای بار شده و رسانایی اتصالات ملکولی را تحت تاثیر قرار می‌دهد.
(ب) حضور یون‌های فلزی موجب تشکیل ترازهای اضافی انرژی در ساختار نواری واحدهای ملکولی شده و فرآیند تون‌لزنی الکترون‌ها را تسهیل می‌کنند.
(ج) تشکیل پیوند بین یون‌های فلزی و واحدهای ملکولی منجر به تغییر آرایش فضایی ملکو‌لها (Molecular conformation) و به دنبال آن، تغییر رسانایی اتصالات می‌شود. همان‌طورکه قبلا نیز گفته شد، ساختار فضایی ملکو‌لها می‌تواند رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی را تحت تاثیر قرار دهد.

3-4-3 وجود شرایط دوپ کردن

در برخی از موارد، اسیدی یا بازی بودن محیط اتصال می‌تواند باعث تغییر شرایط دوپ در واحدهای ملکولی شود. برای نمونه، در پژوهش‌هایی، رسانایی اتصال ملکولی اولیگومر هپتا آنیلین با الکترودهای طلا، در دو محیط تولوئن و الکترولیت اسیدی اندازه‌گیری شده‌اند. براساس نتایج به دست آمده، نمودار جریان-ولتاژ این اتصال در محلول تولوئن به صورت اهمی خطی و در محلول اسیدی به صورت اهمی معکوس با شیب منفی است. روند نزولی نمودار I-V برای محلو‌لهای اسیدی حاکی از آن است که قرارگیری این ملکول در محیط‌های اسیدی و وقوع پدیده اکسیداسیون الکتروشیمیایی منجر به افزایش رسانایی الکتریکی اتصالات اولیگومر هپتا آنیلین می‌شود. در واقع، محیط اسیدی در اثر اکسیداسیون الکتروشیمیایی ملکول، نقش عامل دوپ کننده در مواد پلیمری را ایفا می‌کند.

4-4-3 گرم شدن موضعی اتصال در اثر جریان عبوری

حرارت موضعی به وجود آمده در اتصالات ملکولی، یکی از پارامترهای مهم در طراحی ادوات نانوالکترونیکی به شمار می‌رود. به عبارت دیگر، ادوات الکترونیکی می‌بایست به گونه‌ای طراحی و ساخته شوند که حرارت ناشی از عبور جریان الکتریکی در اتصالات ملکولی باعث تخریب فیزیکی یا ایجاد اختلال در عملکرد سیستم نشود. براساس یک قاعده کلی، در اتصالات نانومتری، طول پویش آزاد میانگین الکترون (Electron mean free path) در مقایسه با ابعاد فیزیکی اتصال، نسبتاً بزرگ است و همین موضوع باعث می‌شود کسر بسیار کوچکی از انرژی الکترون‌ها در حین عبور از اتصال به صورت فونون (حرارت موضعی) تلف شود. لذا حرارت به وجود آمده در اتصالات ملکولی ناشی از دانسیته جریان بسیار بالا است.
در چندین سال اخیر، تحقیقات گسترده‌‌ای برای تخمین کمی حرارت موضعی در اتصالات ملکولی انجام شده است. بر اساس نتایج به دست آمده، می‌توان دمای واقعی اتصال ملکولی (Teff) را برحسب تابعی از ولتاژ بایاس (Vbias) به صورت رابطه زیر بیان کرد:
(معادله 3)                                                  T4eff=T4o4V2bias
در این رابطه، T0 دمای اتاق و γ پارامتر ثابتی است که سهم ولتاژ بایاس در تولید حرارت موضعی را بیان می‌کند. به عنوان مثال، ثابت شده است که برای حلقه‌های بنزنی با n اتم کربن، γ=375exp(-0.19n)K/V1/2 و برای ملکو‌لهای اکتان‌دی‌تیول γ=82K/V1/2 است. بر اساس روابط فوق، دمای اتصالات ملکولی اکتان‌دی‌تیول به ازای ولتاژ بایاس 1V (معادل جریان الکتریکی 20nA)، در حدود 25 کلوین بالاتر از دمای اتاق خواهد بود.

نتیجه‌گیری

در این مقاله، رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی و ماهیت پدیده‌های مربوطه مورد بحث و بررسی قرار گرفت. گفته شد که عوامل متعددی بر روی میزان رسانایی الکتریکی این اتصالات تاثیر می‌گذارند. از مهم‌ترین این عوامل می‌توان به شکل هندسی اتصال فلز/ ملکول، ساختار نواری اتصال الکترود/ملکول، اعمال نیروهای خارجی، pH محیط مورد مطالعه و حضور یون‌های فلزی در آن، دوپ کردن، و گرمایش موضعی اتصالات در اثر عبور چگالی جریان بالا اشاره کرد.  تاکید شد که می‌توان با اعمال ولتاژ بایاس، سطح انرژی فرمی الکترودهای فلزی و با اعمال ولتاژ گیت، انرژی سطوح HOMO و LUMO را به نحو دلخواه تغییر داد و از این طریق، میزان رسانندگی اتصالات ملکولی را کنترل نمود. آنچه در خصوص انتقال الکترون در اتصالات مهم است، ساختار نواری واحدهای ملکولی و الکترودها نسبت به یکدیگر می‌باشد و هر عاملی که باعث ایجاد تغییراتی در آن شود، می‌تواند میزان رسانایی اتصالات را تحت تاثیر قرار دهد.

منابـــع و مراجــــع


۱ – Chen, Fang, Joshua Hihath, Zhifeng Huang, Xiulan Li,N. J. Tao. “Measurement of single-molecule conductance.” Annu. Rev. Phys. Chem. 58 (2007): 535-564.
۲ – Reed, Mark A., C. Zhou, C. J. Muller, T. P. Burgin,J. M. Tour. “Conductance of a molecular junction.” Science 278, no. 5336 (1997): 252-254.
۳ – Metzger, Robert M., ed. UnimolecularSupramolecular Electronics I: ChemistryPhysics Meet at Metal-Molecule Interfaces. Vol. 1. Springer, 2012.
۴ – Heath, James R.,Mark A. Ratner. “Molecular electronics.” (2003).
۵ – Manabu Kiguchia, Kei Murakoshi, Highly conductive single molecular junctions by direct binding of π-conjugated molecule to metal electrodes, Thin Solid Films 518 (2009) 466–469.
۶ – Léonard, François,A. Alec Talin. “Electrical contacts to one-and two-dimensional nanomaterials.” Nature nanotechnology 6, no. 12 (2011): 773-783.
۷ – Zimbovskaya, Natalya A. Transport Properties of Molecular Junctions. Springer, 2013.
۸ – Wu, S.W., et al., Control of Relative Tunneling Rates in Single Molecule Bipolar Electron Transport. Physical Review Letters, 2004. 93(23): p. 236-802.
۹ – Petrov, E.G., Tunneling through localized states of a single molecule. Mol. Cryst. Liq. Cryst, 2005. 426(1): p. 49-58.
۱۰ – Bourgoin, Jean-Philippe. “Molecular Electronics: A Review of Metal-Molecule-Metal Junctions.” In Interacting electrons in nanostructures, pp. 105-124. Springer Berlin Heidelberg, 2001.

نوشته های مشابه

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

دکمه بازگشت به بالا