Raphael Fernandes Vilela – IQ/UFRJ Rio de Janeiro, RJ, Brasil Eletrônica Molecular Raphael Fernandes Vilela – IQ/UFRJ Rio de Janeiro, RJ, Brasil

Histórico 1940 – Válvulas 1947 – Primeiro Transistor 1960 – Chips 2000 – 109 Transistores por processador

Limites da Microeletrônica Dissipação de Calor Efeitos Quânticos Top-Down “do grande para o pequeno”

Moléculas Nano naturalmente Bottom-Up A partir do pequeno, montar o grande Conductance of a Molecular Junction - M. A. Reed, et al. Science 278, 252 (1997) - DOI: 10.1126/science.278.5336.252

http://www.sciam.com/2000/0600issue/0600reed.html

“Fio Quântico” eV E Molécula Eletrodo http://omnis.if.ufrj.br/~tclp/SemanaFIS.html (Nanotubos de Carbono, Rodrigo Capaz)

Portais Lógicos Tradicional (transistores): 1 = presença de corrente 0 = ausência Eletrônica Molecular: entrada: adição de reagente saída: espectroscopia

Exemplo: Portal AND Adição de X (X=1) sem Y (Y=0): 1*0=0

Exemplo: Portal AND Adição de X (X=1) seguida de Y (Y=1): 1*1=1 Conclusão: 1 se X E Y, simultaneamente

Nanofios e Pontos Quânticos Poço Quântico Nanofio Ponto Quântico (Ga,Al)-As Ga-As 3D 2D 1D 0D 10

photodetectors and optical switches, Adv. Mater. 14(2002) pp.158-160. Nanofios Grande relação comprimento/diâmetro Interruptores optoeletrônicos Condução de eletricidade Portais lógicos Transistores de Efeito de Campo (FET) Nanofio de ZnO, em ultravioleta, diminui de 4 a 6 ordens de grandezas na resistividade ref.: Kind H., Yan H., Messer B., Law M. and Yang P., Nanowire ultraviolet photodetectors and optical switches, Adv. Mater. 14(2002) pp.158-160.

Pontos Quânticos Pontos Quânticos, quantum dots, Nanocristais: níveis discretos x bandas dos sólidos – Átomos artificiais Dimensões menores que o comprimento de onda de um elétron do cristal Espectroscopia: Emissão em um comprimento de onda característico; função do tamanho

Algumas moléculas interessantes... Rotaxanos Catenanos Síntese: Reconhecimento Molecular Interações Intermoleculares

Bit com Rotaxano Jonathan E. Green et.al. – A 160-kilobit molecular electronic memory patterned at 1011 bits per square centimetre – Nature – 25 Jan 2007 – Vol.: Vol. 445, 414 – 417 Voltagem – mudança da posição do macrociclo Diferentes pontos de Interação Intermolecular http://www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010110070207

Algumas moléculas interessantes... Fullerenos Nanotubos formas alotrópicas do Carbono

Fullerenos Clusters de Carbono C60 – esférico C70,C118C540, etc Nanotubos H.W. Kroto, J.R. Heath, S.C. O’Brien, R.F. Curl e R. E. Smalley, Nature 318, 162 (1985). MWCN SWCN

Nanotubos de Carbono Folha enrolada de átomos de Carbono sp² (grafeno) www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf

Condutividade de Nanotubos q = 0°  zigzag (n,0) q = 30°  armchair (n,n) 0º<q<30°  misto (n,m)

Condutividade de Nanotubos (n,n)  condutores (n,0), n múltiplo de 3  semicondutores (n,0)  semimetálicos (n,m)  depende de (n-m) ser múltiplo de 3

Aplicações C60 em FET - Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – High-performance and electrically stable C60 organic field-effect transistors – Applied Physics Letters – Vol.: 91, 092114 Nanotubos como pontas de AFM Nanotubos: nanofios Nanotubos: flexibilidade e resistência mecânica Fármacos

Preparo e Caracterização

Nanofios e Pontos Quânticos Crescimento Epitaxial – depositar de maneira ordenada LPE (Epitaxia em fase líquida), VPE (Epitaxia em fase vapor), MEB (Epitaxia por Feixe Molecular), MOCVD (Deposição Química de Vapor Metalorgânica). Imagem de epitaxia

Alta taxa de crescimento Segura Baixa manutenção Baixa produtividade Vantagem Desvantagem LPE Simples Barata Alta taxa de crescimento Segura Baixa manutenção Baixa produtividade Baixa pureza Não pode crescer poços quânticos Filme não uniforme Interfaces não abruptas MBE Uniforme Excelente morfologia Interface abrupta Controle in-situ Alta pureza Alto custo (vácuo) Alta manutenção Defeitos ovais MOCVD Flexível Usado industrialmente Segurança (Arsina) Fontes caras Crescimento complicado http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm

Crescimento heteroepitaxial (a) Volmer-Weber (b) Frank – van der Merwe (c) crescimento misto http://www.chm.bris.ac.uk/pt/diamond/fredthesis/chapter1.htm Material descasado  tensão Formação de ilhas  Pontos Quânticos

http://omnis.if.ufrj.br/~pires/Crescimento.htm

Fullerenos C60  Descarga elétrica em Grafita e solubilização em Tolueno Separação com Cromatografia Líquida de alta Eficiência (HPLC) Síntese Orgânica: A Rational Chemical Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science 295, 1500 (2002)

Fullerenos Caracterização por Espectrometria de Massas A Rational Chemical Synthesis of C60 – Lawrence T. Scott, et al. – Science 295, 1500 (2002)

Nanotubos de Carbono Descarga por Arco Voltaico Ablação por Laser -Dois eletrodos de grafita -Pequena distância  Corrente -Nanotubos no Ânodo JOURNET, C., BERNIER, P. – Production of Carbon Nanotubos – Appl. Phys. A, 67, pp. 1 a 9, 1998 http://lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia_lqes/vivencia_lqes_monografias.html -Aquecimento de Grafita com Laser (ex, Nd:YAG) -SWCN  nanopartículas de metais de tansição -Mais puros que no Arco* * Odair Pastor Ferreira – Nanotubos de Carbono: preparo e caracterização – Monografia – LQES http:// lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia_lqes/vivencia_lqes_monografias.html

Nanotubos de Carbono CVD (Deposição Química por vapor) Nanofios e Nanotubos Nanopartícula de metal num substrato Deposição de gases contendo Carbono Hidrocarbonetos, Álcoois, CO Temperatura menor  Indústria

Nanotubos de Carbono Caracterização TEM Microscopia Eletrônica de Transmissão www.sbf1.sbfisica.org.br/eventos/ebee/x/trab_conv/solange_fagan.pdf http://www.cbpf.br/~emecbpf/HRTEM_Fichtner_A.pdf

Nanotubos de Carbono Caracterização SEM Microscopia Eletrônica de Varredura SEM x TEM TEM – átomos individuais (E(e-) maior, l menor) SEM – superfícies maiores www.ccs.unicamp.br/namitec/files/AtivB4_2_PUC-RIO.pdf

Nanotubos de Carbono Caracterização Espectroscopia RAMAN Vibração Respiração  determinar diâmetro http://www.doitpoms.ac.uk/tlplib/raman/raman_scattering.php http://resources.renishaw.com/en/details/download(11223)

Nanotubos de Carbono Caracterização Difração de Raio-X http://www.metalmat.ufrj.br/escolanano/Caract_catalisadores_Carlos_AndrePerez.pdf

Catenanos e Rotaxanos Síntese dos blocos Montagem com Reconhecimento Molecular

O que vem por aí... Transistor: Transfer Resistor Hoje: Silício Amanhã: ?

O que já existe Filmes Finos FET de C60 - Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – High-performance and electrically stable C60 organic field-effect transistors – Applied Physics Letters – Vol.: 91, 092114 Tióis - Jan Hendrik Schön, Hong Meng & Zhenan Bao - Self-assembledmonolayer organic field-effect transistors - NATURE - VOL 413 - 18 OCTOBER 2001

O que já existe Memórias baseadas em Rotaxanos - Jonathan E. Green et. all – A 160-kilobit molecular electronic memory patterned at 1011 bits per square centimetre – Nature – 25 Jan 2007 – Vol.: Vol. 445, 414 – 417 “Biochips” - Héctor A. Becerril, Adam T. Woolley Small – DNA Shadow Nanolithography – 20 Aug 2007 – Vol.: 3, Issue 9 , Pages 1534 – 1538

Perspectivas Desenvolver dispositivos independentes da Eletrônica do Silício Comercialização Controle da qualidade dos Nanotubos (Quiralidade, Imperfeições, Tamanho) Meio-ambiente

Agradecendo a sua audiência e a sua paciência Fim