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

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

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

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

4 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: /science

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6 “Fio Quântico” eV E Molécula Eletrodo
(Nanotubos de Carbono, Rodrigo Capaz)

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

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

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

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

11 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

12 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

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

15 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

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

17 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

18 Nanotubos de Carbono Folha enrolada de átomos de Carbono sp² (grafeno)

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

20 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

21 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, Nanotubos como pontas de AFM Nanotubos: nanofios Nanotubos: flexibilidade e resistência mecânica Fármacos

22 Preparo e Caracterização

23 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

24 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

25 Crescimento heteroepitaxial
(a) Volmer-Weber (b) Frank – van der Merwe (c) crescimento misto Material descasado  tensão Formação de ilhas  Pontos Quânticos

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27 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)

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

29 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, -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 lqes.iqm.unicamp.br/canal_cientifico/vivencia_lqes/vivencia_lqes_monografias.html

30 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

31 Nanotubos de Carbono Caracterização
TEM Microscopia Eletrônica de Transmissão

32 Nanotubos de Carbono Caracterização
SEM Microscopia Eletrônica de Varredura SEM x TEM TEM – átomos individuais (E(e-) maior, l menor) SEM – superfícies maiores

33 Nanotubos de Carbono Caracterização
Espectroscopia RAMAN Vibração Respiração  determinar diâmetro

34 Nanotubos de Carbono Caracterização
Difração de Raio-X

35 Catenanos e Rotaxanos Síntese dos blocos
Montagem com Reconhecimento Molecular

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

37 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, Tióis - Jan Hendrik Schön, Hong Meng & Zhenan Bao - Self-assembledmonolayer organic field-effect transistors - NATURE - VOL OCTOBER 2001

38 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

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

40 Agradecendo a sua audiência e a sua paciência
Fim