این مقاله شامل سرفصل‌های زیر است:
1- مقدمه
2- اتصالات مولکولی
3- انواع اتصالات مولکولی
1-3- اتصالات چند مولکولی بر پایه قطره مذاب به عنوان الکترود
2-3- اتصالات شکسته مکانیکی (Mechanical break junctions)
3-3- اتصالات شکسته الکتروشیمیایی (Electrochemical break junctions)
4-3- اتصالات تک مولکولیبر پایه میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)
نتیجه‌گیری
1- مقدمه
2- اتصالات ملکولی
لازم به ذکر است که اتصالات ملکولی اصولاً با هدف اندازه‌گیری رسانایی الکتریکی واحدهای ملکولی توسعه یافته‌اند، ولی امروزه به عنوان جزء اصلی برخی از تجهیزات نانوالکترونیکی مانند نانوترانزیستورها، دیودهای نانومتری و مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار میگیرند. شکل 1 شمایی از اتصالات ملکولی آلی را نشان میدهد که با قرارگیری یک یا آرایهای از ملکول‌های آلی بین دو الکترود فلزی ساخته شدهاند.
با توجه به نوع اتصال ملکولی و ساختار ملکول آلی به کار رفته، انتقال الکترون در واحدهای مولکولی با مکانیزم‌های متفاوتی انجام میشود. از متداول‌ترین مکانیزم‌های انتقال بار در اتصالات ملکولی می‌توان به تونل‌زنی مستقیم (Direct tunneling)، تونل‌زنی فوولرنوردهیم (Fowler-Nordhein tunneling)، نشر یونی دمایی (Thermionic emission) و جهش الکترونی (Hopping conduction) اشاره کرد که با توجه به شرایط مختلف، امکان وقوع هرکدام از آنها وجود دارد.
در حالت کلی، بسیاری از پارامترهای هندسی اتصالات ملکولی آلی به دلیل ابعاد بسیار کوچک و آرایش تصادفی واحدهای ملکولی، نامشخص بوده و عدم قطعیت زیادی در تعیین تعداد ملکول‌های آلی به کار رفته و نحوه چینش آنها وجود دارد. لذا به نظر می‌رسد استفاده از محاسبات شیمی کوانتوم و اندازه‌گیری ماکروسکوپی رسانایی الکتریکی اتصالات می‌تواند در تعیین قابلیت رسانایی اتصالات ملکولی بسیار کمک‌کننده باشد. با این حال می‌توان اتصالات ملکولی را براساس نوع ساختار واحد ملکولی به کار رفته و ترتیب قرارگیری ملکول‌های آلی و الکترودها به چندین دسته کلی زیر تقسیم‌بندی نمود. شمایی کلی از انواع این اتصالات ملکولی، نمودار انرژي ترازهای الکترونی و نمونه‌ای از نوع مولکول مورد استفاده در هر اتصال در شکل 2 آورده شده است.
- اتصالات ملکولی که شامل دو الکترود فلزی هستند و در آنها، یکی از الكترودها به عنوان دهندۀ الكترون (Donor) و ديگری به عنوان پذيرندۀ الكترون (Acceptor) عمل مي‌كند (شکل 2-الف). مولکولهای آلی به کار رفته در این اتصالات غالبا مولکولهای آلکان با زنجيره‌ي خطي هستند. براساس روابط نظری انتقال الکترون مانند رابطه هاردن‌مکونل (Harden McConnel) در ولتاژهاي اعمالي بسيار كوچك و براي طول زنجیره مشخصي از مولکول آلكان، جريان عبوري از اتصال به صورت نمايي با افزايش طول زنجيره كاهش مي يابد و مولکول آلكان به صورت مؤثري در نقش یک مانع انرژیتیکی عمل مي‌كند.
- اتصالات ملکولی آلی که شامل گروه عاملی دهنده الکترون-پل ارتباطی-گروه عاملی گیرنده الکترون (DBA) هستند (شکل 2-ب). در این نوع از اتصالات مولكولي، امکان مشاهده مكانيزم‌هاي مختلف انتقال بار وجود دارد و تنوع مكانيزم‌هاي رسانايي، قابلیت تغيير خواص الكتريكي اتصالات ملکولی را از طريق تنظیم این خواص حين فرآیندهای سنتز فراهم مي‌كند. برای نمونه، می‌توان با تغییر شرایط سنتز و طراحی اتصالات ملکولی، سطح ترازهای انرژی واحدهای ملکولی و جریان بار الکتریکی جابجا شونده بين مكان‌هاي گيرنده و دهنده الكترون را کنترل نمود. از ساختار DBA مي‌توان به عنوان مدلی مناسب در بررسی مواردی مانند نحوه عملکرد مكانيزم‌هاي انتقال الکترون در سیستم‌های محلولی و مطالعة رسانايي الكتريكي اتصالات مولكولي نیمه هادی استفاده نمود.
- اتصالات ملکولی با پایه نقاط کوانتومی ملکولی (Molecular quantum dots) (شکل 2-ج). این نوع از اتصالات جزء ساده‌ترین اتصالات ملکولی به شمار می‌روند چرا که ترازهای ملکولی آن نسبت به سایر انواع اتصالات (از جمله اتصالات DBA) دارای توزیع انرژی کمتری بوده و به همین دلیل برای مدل‌سازی اتصالات ملکولی بسیار مناسب هستند. برای نمونه، می‌توان از اتصالات با پایه نقاط کوانتومی در بررسی اندرکنش‌های الکترود-ملکول و مطالعه اثرات کوانتومی در انتقال بار الکتریکی از طریق اتصالات ملکولی بهره برد. ملکول‌هایی که برای ساخت این نوع اتصالات مورد استفاده قرار میگیرند دارای گروه‌های عاملی (Functional groups) خاصی هستند. این گروه‌های عاملی، اتصال ملکول به الکترود را تسهیل کرده و ارتباط بین دو الکترود را ممکن می‌سازند. یادآوری میشود که در شیمی آلی، گروه‌های عاملی به گروه‌های خاصی از اتم‌ها یا پیوندها گفته می‌شوند که در یک واحد ملکولی، مسئول انجام واکنش‌های شیمیایی خاصی با ملکول‌های دیگر هستند.
- اتصالات ملکولی که در آنها، پل بين دو الكترود شامل مولكول بزرگي است که از چند گروه عاملي مختلف تشکیل شده است (شکل 2-د). امروزه این اتصالات ملکولی همانند اتصالات ملکولی DBA بسیار مورد توجه قرار گرفته‌اند. از مهم‌ترین مولکولهای مورد استفاده در ساخت این گروه از اتصالات می‌توان به مولکولهای پروتئینی، اولیگومرها، مولکول روتاکسان و DNA اشاره نمود.
-
اتصالات چند ملکولی (Ensemble junctions)
در این نوع اتصالات، از واحدهای ملکولی با آرایش فضایی مشخص استفاده میشود. بارزترین نمونه این اتصالات، هنگام روبش نوک پروب میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) بر روی تک‌لایه‌ای از ملکول‌های خودآرا (Self-assembled monolayers یا SAMs) تشکیل میشود. روش دیگر برای ایجاد اتصالات چند ملکولی، استفاده از قطره مذاب به عنوان الکترود است.
-
اتصالات تک ملکولی (Single-molecule junctions)
ساختار این نوع از اتصالات شامل یک ملکول منفرد می‌باشد که بین دو الکترود فلزی قرار گرفته است. متداول‌ترین روش ساخت اتصالات تک‌ملکولی، استفاده از روش اتصال شکسته (break junction) است. از متداول‌ترین اتصالات تک‌ملکولی می‌توان به اتصالات شکسته مکانیکی و اتصالات شکسته الکتروشیمیایی (Electrochemical break junctions) اشاره نمود.
در ادامه به معرفی انواع اتصالات ملکولی براساس نوع فرآیند ساخت و تعداد واحدهای ملکولی بکار رفته در آنها (تک‌ملکولی یا چندملکولی) پرداخته میشود.
3- انواع اتصالات ملکولی
1-3- اتصالات چند ملکولی بر پایه قطره مذاب به عنوان الکترود
این نوع اتصالات با استفاده از قطره‌های مذاب و اغلب به منظور بررسی خاصیت خودآرایی ملکول‌ها و یا اندازه‌گیری خواص رسانایی الکتریکی اتصالات ملکولی ساخته می‌شوند. شکل 3 نحوه تشکیل یک اتصال چندملکولی را نشان میدهد. همان‌طورکه مشاهده میشود، قطره مذاب این امکان را پیدا می‌کند که تا آستانه جدا شدن از ستون اصلی مذاب پیشروی کند. در این حالت، قطر محل اتصال قطره به ستون مذاب به قدری کوچک خواهد بود که تنها چندین ملکول مذاب امکان قرار گرفتن در این ناحیه به صورت خودآرا را به دست می‌آورند.
2-3- اتصالات شکسته مکانیکی (Mechanical break junctions)
روش ساخت اتصال شکسته کنترل‌شونده با بار مکانیکی، نشاندن فیلم نازک شیارداری از فلز طلا بر روی زیرلایه پلیمری انعطاف‌پذیر و نرم است. شیار موجود بر روی فیلم طلا در اثر اعمال بار پیزوالکتریکی، به شکاف بسیار کوچکی (در محدوده چند آنگسترم) تبدیل میشود. این موضوع در شکل 4 نشان داده شده است. زمانی که سیستم یاد شده در داخل محلول حاوی عوامل تیول (Thiol groups) قرار گیرد، ملکول‌های متعددی می‌توانند به طور همزمان از شکاف به وجود آمده عبور کنند. لذا می‌توان با کنترل بار پیزوالکتریکی، ابعاد شکاف را طوری تنظیم نمود که تنها یک ملکول منفرد بتواند در فضای بین شکاف قرار گیرد. بدین ترتیب، اتصال MCBJ به وجود می‌آید.
3-3- اتصالات شکسته الکتروشیمیایی (Electrochemical break junctions)
اتصال شکسته الکتروشیمیایی نیز مشابه با اتصال کنترل‌شونده با بار مکانیکی است با این تفاوت که این اتصال برخلاف اتصال مکانیکی که غالبا در محیط خلاء مورد استفاده قرار می‌گیرد، در داخل محلول‌های شیمیایی به کار می‌رود و این ملکول‌های محلول هستند که شانس قرار گرفتن در منطقه شکاف را به دست می‌آورند.
4-3- اتصالات تک‌ملکولی بر پایه میکروسکوپ تونلی روبشی (STM)
به این نوع از اتصالات، اتصالات درجا یا STM گفته میشود. این نوع اتصال با قرار دادن نوک پروب میکروسکوپ روبشی تونلی در مجاورت تک‌لایه‌ای از ملکول‌های خودآرا به وجود می‌آید (شکل 5). مطابق با شکل 5، با بررسی تغییرات شدت جریان عبوری از اتصال با فاصله راس پروب از تک‌لایه‌ی خودآرا می‌توان تشکیل صحیح این اتصال را تشخیص داد. روش کار بدین صورت است که رسانایی الکتریکی برای حالتی که تنها یک ملکول بین راس پروب و زیرلایه به دام افتاده باشد برابر G0=2e2/h است. حال اگر بتوان نمودار تغییرات فاصله راس پروب از زیرلایه را برحسب شدت جریان ایجاد شده رسم نمود، پله‌ها و جهش‌های ناگهانی زیادی در آن مشاهده خواهد شد. اگر راس پروب فاصله زیادی از زیرلایه داشته باشد، شدت جریان عبوری افت خواهد کرد و در شرایطی که چندین ملکول در این فاصله قرار گرفته باشند رسانایی مقدار قابل ملاحظه‌ای نخواهد داشت. همچنین با نزدیک شدن بیش از حد راس به زیرلایه و حذف کلیه واحدهای ملکولی، اتصال کوتاه در مدار به وجود آمده و شدت جریان بسیار بزرگی ثبت خواهد شد.
لازم به ذکر است که اتصالات ملکولی در حوزه‌های مختلف الکترونیکی به عنوان اجزای تشکیل‌دهنده مدارها و ادوات ملکولی مورد استفاده قرار میگیرند. اتصالات ملکولی دارای ویژگی‌های هندسی و الکترواستاتیکی منحصر به فردی هستند که مختص موادی با ابعاد نانومتری است و همین خواص، آنها را از اتصالات الکتریکی مرسوم متمایز می‌کند. در اتصالات ملکولی، کنترل حرکت حاملهای بار موضوع بسیار مهمی به شمار می‌رود و تحقیقات گسترده‌ای در این زمینه انجام شده است. با مهندسی اتصالات الکتریکی می‌توان کنترل دقیقی بر حرکت حاملهای بار داشت و تغییرات منحصر به فردی در خواص الکتریکی، نوری، حرارتی و مکانیکی مواد مرسوم ایجاد نمود. شکل 6 برخی از مهم‌ترین ادوات ملکولی را که در ساخت آنها از اتصالات ملکولی استفاده شده است نشان میدهد. این ادوات بر اساس حرکت بارهای الکتریکی در اتصالات ملکولی طراحی شدهاند. شکل 6-الف ادوات فوتوولتاییک شامل اتصالات ملکولی متشکل از آرایهای از نانوسیم‌های نیمه‌رسانا (قرمز رنگ) در تماس با الکترود شفاف و رسانا را نشان میدهد. شکل 6-ب نیز نوعی ترانزیستور اثر میدان را نشان میدهد که در آن از اتصالات ملکولی شامل نانولوله کربنی استفاده شده است. در ترانزیستورهای اثر میدان، جریان الکتریکی ایجاد شده بین الکترود منبع (الکترود بالا) و تخلیه (الکترود پایین) توسط الکترود گیت کنترل میشود. شکل 6-ج نوعی حسگر زیستی-شیمیایی را نشان میدهد که دارای اتصالات ملکولی شامل نانوسیم عامل‌دار شده با آنتی‌بادی‌ها است. آنتی‌بادی‌ها می‌توانند به مولکولهای پروتئین مشخصی متصل شوند و بدین ترتیب، رسانایی بین دو الکترود فلزی را تحت تاثیر قرار دهند. شکل 6-د نوعی باتری یونی-لیتیومی (Li-ion battery) را نشان میدهد که در ساخت آنها از اتصالات ملکولی شامل آرایهای از نانوسیم‌های آندی (قهوه‌ای رنگ) پوشش داده شده با الکترولیت جامد طلا استفاده شده است. این آرایه‌های نانوسیمی توسط زمینه کاتدی (صورتی رنگ) احاطه شدهاند. شکل 6- ه شمایی از ادوات الکترونیکی ملکولی را نشان میدهد که بر اساس پدیده ترموالکتریک طراحی شدهاند. در این نوع ادوات می‌توان با ایجاد گرادیان‌های حرارتی در طول آرایهای از نانوسیم‌ها، نیروی محرکه الکتریکی قابل ملاحظه‌ای در نانوسیم‌ها به وجود آورد تا همین نیروی محرکه، امکان سیلان حاملهای بار الکتریکی در امتداد نانوسیم‌ها را فراهم کند و بدین ترتیب، جریان الکتریکی معینی در سیستم به وجود آید. در مقابل، با القای بار الکتریکی در اتصال ملکولی می‌توان گرادیان دمایی ایجاد نمود. شکل 6-و شمایی از سیستم الکترومکانیکی با پایه گرافن را نشان میدهد. در این سیستم، لایه گرافن با اعمال ولتاژ نوسانی توسط الکترود گیت شروع به ارتعاش می‌کند. میزان ارتعاش و جابجایی غشای گرافنی می‌تواند با اندازه‌گیری جریان ایجاد شده در آن تعیین شود. شکل 6-ز ادوات الکترونی نشرکننده نوری با پایه نانولوله کربنی را نشان میدهد. در این اتصال، دو الکترود توسط نانولوله کربنی از یکدیگر جدا شدهاند. پدیده نشر نور به دلیل برخورد و بازترکیب الکترون‌ها و حفرات خروجی از دو الکترود متفاوت به وقوع می‌پیوندد. همچنین می‌توان از یک الکترود گیت برای تنظیم شدت نور منتشر شده استفاده نمود. شکل 6-ح ادوات اسپینترونیکی با پایه گرافن را نشان میدهد. این اتصال از دو الکترود فرومغناطیسی تشکیل شده است که توسط لایه گرافن به هم متصل شدهاند. در این اتصال، الکترود فلزی فرومغناطیسی، بارهایی با اسپین قطبیده را در شبکه گرافن تزریق می‌کند و در ادامه، با حرکت بارهای الکتریکی به سمت الکترود فرومغناطیسی دوم، الکترون‌ها با اسپین رندوم از اتصال خارج می‌شوند.
نتیجه‌گیری
اتصالات ملکولی در ساخت ادوات الکترونیکی از اهمیت ویژه‌ای برخوردار هستند؛ زیرا رفتار الکترون در این مناطق کاملا با ماده بالک متفاوت است. نشان داده است که می‌توان با کنترل عوامل مختلف ساخت، اتصالاتی با خواص الکترونیکی مورد نظر تولید کرد. از مهم‌ترین این عوامل می‌توان به جنس و نوع ملکول مورد استفاده، محیط کاری اتصال، دما، ساختار الکترونی ملکول‌های بکار رفته، و کانفورماسیون فضایی آنها اشاره کرد. همچنین روش‌های مرسوم برای ساخت اتصالات ملکولی مورد بحث و بررسی قرار گرفت. مشاهده شد که هر کدام از انواع این اتصالات، ویژگی‌های منحصر به فردی دارند و از آنها می‌توان در طراحی تجهیزات نانوالکترونیکی استفاده نمود.
منابـــع و مراجــــع
