Молекулярная проволока - Molecular wire

Часть серии статей о
Наноэлектроника
Одномолекулярная электроника
Твердотельная наноэлектроника
Связанные подходы
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Nuvola apps ksim.png Электронный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

Молекулярные провода (или иногда их называют молекулярными нанопроводами) представляют собой молекулярные цепи, которые проводят электрический ток. Это предлагаемые строительные блоки для молекулярных электронных устройств. Их типичный диаметр составляет менее трех нанометров, а длина может быть макроскопической, достигая сантиметров и более.

Примеры

Большинство типов молекулярных проводов происходят из органических молекул. Одна встречающаяся в природе молекулярная проволока - это ДНК. Известные неорганические примеры включают полимерные материалы, такие как Li2Пн6Se6[1] и Мо6S9-хяИкс,[2][3][4] [Pd4(CO)4(OAc)4Pd (acac)2],[5] и одиночная молекула протяженные цепочки атомов металлов (EMAC), которые состоят из строк переходный металл атомы напрямую связаны друг с другом.[6] Молекулярные нити, содержащие парамагнитные неорганические фрагменты, могут проявлять Кондо пики.

Строение Мо6S9-хяИкс молекулярная проволока. Атомы Mo - синие, атомы йода - красные, а атомы серы - желтые.

Проводимость электронов

Молекулярные провода проводят электричество. Обычно они имеют нелинейные вольт-амперные характеристики и не ведут себя как простые омические проводники. Проводимость следует типичному поведению по степенному закону в зависимости от температуры или электрического поля, в зависимости от того, что больше, что обусловлено их сильным одномерным характером. Многочисленные теоретические идеи были использованы в попытке понять проводимость одномерных систем, где сильные взаимодействия между электронами приводят к отклонениям от нормальных металлических (Ферми жидкость ) поведение. Важными понятиями являются концепции, введенные Томонага, Латтинджер и Вигнер. Эффекты, вызванные классическим кулоновским отталкиванием (называемым Кулоновская блокада ), взаимодействия с колебательными степенями свободы (называемые фононы ) и Квантовая декогеренция [7] также было обнаружено, что они важны для определения свойств молекулярных проволок.

Синтез

Разработаны методы синтеза различных типов молекулярные провода (например, органические молекулярные провода и неорганические молекулярные провода).[8] Основной принцип - собрать повторяющиеся модули. Органические молекулярные нити обычно синтезируются с помощью переходный металл реакции кросс-сочетания.

Органические молекулярные провода

Органические молекулярные проволоки обычно состоят из ароматические кольца связаны этиленовой группой или ацетилен группы. Опосредованные переходными металлами реакции кросс-сочетания используются для соединения простых строительных блоков вместе конвергентным образом для создания органических молекулярных проводов. Например, простая молекулярная проволока олиго (фениленэтилнилена) типа (B) была синтезирована, исходя из легкодоступного 1-бром-4-иодбензола (A).[9] Конечный продукт был получен в несколько этапов Муфта Соногашира реакции.

Синтез простой органической молекулярной проволоки.

Другие органические молекулярные проволоки включают углеродные нанотрубки и ДНК. Углеродные нанотрубки можно синтезировать с помощью различных нанотехнологических подходов. ДНК можно получить либо поэтапно Синтез ДНК на твердофазной или катализируемой ДНК-полимеразой репликации внутри клеток.

Неорганические молекулярные провода

Один класс неорганических молекулярных проводов состоит из субъединиц, относящихся к Шеврелевые кластеры. Синтез Мо6S9-хяИкс проводился в запаянном и вакуумированном кварцевом ампула в 1343 К. Ин Мо6S9-хяИкс, повторяющиеся единицы - Mo6S9-хяИкс кластеры, которые соединены гибкими серными или йодными мостиками. [10]

Цепи можно также производить из металлоорганических прекурсоров.[11]

Иллюстративный координационная химия подход к молекулярным проводам протяженные цепочки атомов металлов, например этот Ni9 сложный.[12]

Нанопроволоки в молекулярная электроника

Чтобы использовать для соединения молекул, МВ должны самостоятельно собираться по четко определенным маршрутам и формировать между собой надежные электрические контакты. Воспроизводимо самостоятельно собрать сложную схему на основе отдельных молекул. В идеале они должны соединяться с различными материалами, такими как металлические поверхности золота (для связи с внешним миром), биомолекулы (для наносенсоров, наноэлектродов, молекулярных переключателей) и, что наиболее важно, они должны допускать разветвление. Также должны быть доступны соединители заранее определенного диаметра и длины. Они также должны иметь ковалентное связывание для обеспечения воспроизводимых транспортных и контактных свойств.

ДНК-подобные молекулы обладают специфическим распознаванием на молекулярном уровне и могут быть использованы в производстве молекулярных каркасов. Были продемонстрированы сложные формы, но, к сожалению, электрически проводящая ДНК с металлическим покрытием слишком толстая для соединения с отдельными молекулами. ДНК с более тонким покрытием не имеет электронных соединений и не подходит для соединения компонентов молекулярной электроники.

Некоторые разновидности углеродные нанотрубки (CNT) являются проводящими, и связь на их концах может быть достигнута путем присоединения соединительных групп. К сожалению, производство УНТ с заранее заданными свойствами в настоящее время невозможно, а функционализированные концы обычно не проводят, что ограничивает их полезность в качестве молекулярных соединителей. Отдельные УНТ можно паять в электронном микроскопе, но контакт не является ковалентным и не может собираться самостоятельно.

Возможные пути построения более крупных функциональных схем с использованием Mo6S9-хяИкс ММ были продемонстрированы либо с помощью наночастиц золота в качестве линкеров, либо путем прямого соединения с тиолированными молекулами. Эти два подхода могут привести к различным возможным приложениям. Использование GNP предлагает возможность разветвления и построения более крупных цепей.

Другие исследования

Молекулярные провода могут быть включены в полимеры, улучшая их механические и / или проводящие свойства. Улучшение этих свойств зависит от равномерной дисперсии проволок в полимере-носителе. Провода MoSI изготавливаются из таких композитов, исходя из их превосходной растворимости в полимерной основе по сравнению с другими нанопроводами или нанотрубками. Связки проводов могут использоваться для улучшения трибологических свойств полимеров, а также в исполнительных механизмах и потенциометрах. Недавно было предложено, что скрученные нанопроволоки могут работать как электромеханические наноустройства (или кручение нановесы ) для измерения сил и моментов в наномасштабе с большой точностью.[13]

Рекомендации

  1. ^ Tarascon, J.M .; Халл, G.W .; Дисальво, Ф.Дж. (1984). «Простой синтез псевдоодномерных тройных халькогенидов молибдена M2Mo6X6 (X = Se, Te; M = Li, Na..Cs)». Mater. Res. Бык. 19 (7): 915–924. Дои:10.1016/0025-5408(84)90054-0.
  2. ^ Врбани, Даниэль; Рем Кар, Майя; Йесих, Адольф; Mrzel, Эль; Умек, Полона; Пониквар, Майя; Ян Ар, Бо Тянь; Меден, Антон; Новосел, Барбара; Пейовник, Стане; Вентурини, Питер; Коулман, Дж. С; Михайлови, Драган (2004). «Воздухостойкий монодисперсный Мо6S3я6 нанопроволоки ». Нанотехнологии. 15 (5): 635–638. Bibcode:2004Нанот..15..635В. Дои:10.1088/0957-4484/15/5/039.
  3. ^ Перрин, К. и Сержент, М. (1983). «Новое семейство одномерных соединений с октаэдрическими кластерами молибдена: Mo6X8Y2». J. Chem. Res. 5: 38–39. ISSN  1747-5198.
  4. ^ Д. Михайлович (2009). «Неорганические молекулярные провода: физические и функциональные свойства халькогалогенидных полимеров переходных металлов». Прогресс в материаловедении. 54 (3): 309–350. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2008.09.001.
  5. ^ Инь, Си; Уоррен, Стивен А .; Пан, Юнг-Тин; Цао, Кай-Чие; Gray, Danielle L .; Бертке, Джеффри; Ян, Хун (2014). "Мотив для бесконечных металлических атомных проводов". Angewandte Chemie International Edition. 53 (51): 14087–14091. Дои:10.1002 / anie.201408461. PMID  25319757.
  6. ^ Коттон, Ф. Альберт; Мурильо, Карлос А. и Уолтон, Ричард А. (2005). Множественные связи между атомами металла (3-е изд.). Springer. стр.669 –706. ISBN  0-387-25829-9.
  7. ^ Cattena, C.J .; Бустос-Марун, Р. А .; Паставски, Х. М. (2010). «Решающая роль декогеренции для электронного транспорта в молекулярных проводах: полианилин в качестве примера». Физический обзор B. 82 (14): 144201. arXiv:1004.5552. Bibcode:2010PhRvB..82n4201C. Дои:10.1103 / PhysRevB.82.144201.
  8. ^ Джеймс, Д. К .; Тур, Дж. М. (2005). «Молекулярные провода». Молекулярные провода и электроника. Темы современной химии. 257. Берлин: Springer. п. 33–62. Дои:10.1007 / b136066.
  9. ^ Tour, J.M .; и другие. (2001). «Синтез и предварительные испытания молекулярных проводов и устройств». Chem. Евро. J. 7 (23): 5118–5134. Дои:10.1002 / 1521-3765 (20011203) 7:23 <5118 :: aid-chem5118> 3.0.co; 2-1. PMID  11775685.
  10. ^ Михайлович, Д. (2009). «Неорганические молекулярные провода: физические и функциональные свойства халькогалогенидных полимеров переходных металлов». Прогресс в материаловедении. 54 (3): 309–350. Дои:10.1016 / j.pmatsci.2008.09.001.
  11. ^ Ф. Альберт Коттон, Карлос А. Мурильо и Ричард А. Уолтон (ред.), Множественные связи между атомами металла, 3-е издание, Springer (2005).
  12. ^ Хуа, Шао-Ань; Лю, Исайя Бо-Чун; Гасанов, Хасан; Хуанг, Гин-Чен; Исмаилов Райят Гусейн; Чиу, Чиен-Лан; Ага, Чен-Ю; Ли, Джин-Сян; Пэн, Ши-Мин (2010). «Исследование электронной связи линейных гептаникелевых и неаникелевых цепных комплексов с использованием двух окислительно-восстановительных групп [Ni2 (napy) 4] 3+». Dalton Transactions. 39 (16): 3890–6. Дои:10.1039 / b923125k. PMID  20372713.
  13. ^ Garcia, J.C .; Хусто, Дж. Ф. (2014). "Скрученные ультратонкие кремниевые нанопроволоки: возможное торсионное электромеханическое наноустройство". Europhys. Латыш. 108 (3): 36006. arXiv:1411.0375. Bibcode:2014EL .... 10836006G. Дои:10.1209/0295-5075/108/36006.

внешняя ссылка