Molekylær elektronik – elektronik i nanostørrelse Kristian S. Thygesen Center for Atomic-scale Materials Design (CAMD) Institut for Fysik Danmarks Tekniske Universitet (DTU)

Fra radiorør til mikrochips Transistor (1961) Det her foredrag handler om udsigterne for fremtidens elektronik – specielt om potentialet I at opbygge kredsløbskomponenter af eneklte molekyler for på den måde at fortsætte miniaturiseringen af elektronik helt ned til nanoskalaen. Først et historisk oprids. I 1958 var der een computer I DK. Fyldte et hus kunne mindre en lille lommeregner. Blev brugt ved folkeafstemning til valgprognoser. Elektronikken var styret af såkaldte radiorør som bestod af et lufttomt rum hvor elektroner kunne styres rundt af E felter. Få år efter fik DK den første computer baseret på transistoren (som var blevet opfundet I USA ti år forinden). Transistoren fungerede I princippet på samme måde som radiorøret men den bestod af halvleder materiale istedet for vakuum ->langt større potentiale. Siden har transistoren gået sin sejrsgang og idag er den grundpillen i stort set al form for elektronik. Princippet uændret fra 1948, men designet I konstant udvikling. Denne udvikling er den direkte årsag til den revolution vi har set indenfor informationsteknologien det seneste halve århundrede. Transistor (2009)

Felt effekt transistoren (FET) FET er baseret på halvleder materialet silicium (Si) Elektroner kan ikke bevæge sig frit omkring i en ren Si krystal Doping med B eller P atomer giver positive (p) eller negative (n) ladningsbærer En transistor er en npn “sandwich” Høj gate spænding: Lav resistans Lav gate spænding: Høj resistans Lad os se lidt nærmere på transistoren eller FET som er den mest udbredte type. Silicium lægger navn til silicon valley I San Fransisco hvor mange chip fabrikerende virksomheder startede op. FET består af tre områder. Si doppet med P eller S som giver neg. pos. ladningsbærer. Desuden er der tre elektroder. Afh. Af om der er høj/lav spænding på gate… Transistoren kan repræsentere en bit: Høj/lav resistans svarer til 1/0

Moore’s lov for mikrochips Hvis vi ser på udviklingen af transistoren over tid er det bemærkelsesværdigt at størrelsen er ca. halveret hvert andet år (LOG skala)– dvs. Antal pr chip er fordoblet. Dette kaldes Moore’s lov efter Gordon Moore, grundlægger af Intel, som forudsagde denne udvikling allerede i ’65. Idag er gate bredden på en transistor ca. 50 nanometer (150 atomer på række)! Tager man transistoren som helhed er den noget større, men man kan sige at silicium teknologi allerede nanoteknologi!

Fremtidige udfordringer for Si chips Inhomogen doping af Si Lækstrømme: Elektroner kvante-tunnelerer gennem gate isolerende materialer Energi kvantisering giver påvirker transistorens opførsel Varmeproduktion Komplekst design, høje omkostninger Nu er det jo oplagt at spørge om den eksponentielle udvikling indenfor chip produktion vil fortsætte sådan at vi stadig kan regne med at en computer om 1 år er dobbelt så effektiv som idag eller om vi skal indstille os på at teknologien har nået sit højdepunkt – det ville på en måde være rart for så behøvede man ikke kassere sin computer hvert andet år! En af drivkræfterne bag udviklingen har været økonomiske markedskræfter: Der har været en forventning om at udviklingen ville fortsætte og derfor har chip producenterne invisteret kraftigt I udvikling af teknologi. Selvopfyldende profeti. Samtidig er det klart at transistoren idag har nået en størrelse hvor udfordringerne er skiftet fra tekniske til fundamental karakter.

Doping af silicium Når transistoren bliver tilstrækkelig lille, bliver doping meget inhomogen Få doping atomer pr transistor -> stor variation i transistor egenskaber Silicium krystal med et dopant atom: Normale doping koncentrationer er af størrelsesorden 1 per million. For at få mere homogen doping kan man øge koncentartion, men det kan generere nye problemer.

Fremtidige udfordringer for Si chips Inhomogen doping af Si Lækstrømme: Elektroner kvante-tunnelerer gennem gate isolerende materialer Energi kvantisering giver påvirker transistorens opførsel Varmeproduktion Komplekst design, høje omkostninger Lækstrømme er betegnelsen for det fænomen at elektroner bevæger sig I områder hvor de er uønskede. Et eksempel er lækstrøm mellem gate og transistor.

Kvante tunnelering M Isolator (SiO2) Isolerende materiale separerer elektroner i gate elektroden fra elektroner i transistoren. Sålænge transistoren har en vis størrelse kan man bruge så tykt isolatorlag at man kan holde elektronerne separerede.

Kvante tunnelering M Når transistoren bliver mindre skal tykkelsen af det isolerende lag følge med. Når det isolerende materiale bliver tilstrækkeligt tyndt, kan elektronerne “tunnelere” gennem potential barrieren -> effekttab og forringet ydeevne. Måden elektronerne kommer gennem isolerende barriere på er kvanet tunnelering. Elektronerne har egentlig ikke energi nok til at kommer over men de kvante mekaniske bevægelses ligninger som styrer elektronens opførsel tillader det. Svarer til at kaste en golfbold bold igennem en beton væg.

Fremtidige udfordringer for Si chips Inhomogen doping af Si Lækstrømme: Elektroner kvante-tunnelerer gennem gate isolerende materialer Energi kvantisering giver påvirker transistorens opførsel Varmeproduktion Komplekst design, høje omkostninger

Energi kvantisering - - + Elektroner bevæger sig I faste (diskrete) baner med bestemte energier. - - + Et andet fænomen som er karaktersistisk for kvante systemer er kvantisering. Det kendes fra atom fysik og elektron baner. For store ting som vi normalt omgiver os med betyder kvantemekanikken ingenting. Men på nano-skala er det anderledes…

Energi kvantisering Elektronerne hopper fra source elektroden ind i transistoren og ud i drain elektroden. Elektronen bevare sin energi når den hopper mellem forskellige områder. Når transistoren bliver der større afstand mellem energi niveauerne (jvf. elektronbaner i atomer). Energibevarelse gør det svært for elektroner at hoppe gennem transistoren.

Fremtidige udfordringer for Si chips Inhomogen doping af Si Lækstrømme: Elektroner kvante-tunnelerer gennem gate isolerende materialer Energi kvantisering giver påvirker transistorens opførsel Varmeproduktion Komplekst design, høje omkostninger Varmeproduktion: Højere tæthed af transistorer giver højere lokal varmeudvikling. Dette giver langsommere operationstider og kortere levetider.

”Plenty of room at the bottom” What I want to talk about is the problem of manipulating and controlling things on a small scale[…] Would it be possible to write the entire 24 volumes of the Encyclopedia Brittanica on the head of a pin? … and there is no question that there is enough room on the head of a pin to put all of the Encyclopaedia Brittanica. Richard Feynman, 1959 Inden jeg fortsætter vil jeg gerne citere en af 20 århundredes største fysikere – Richard Feynman her I en tale til det Amerikanske Fysiske Selskab I 1959. Udover at være fantastisk visionær, så demonstrerer Feynman med dette eksempel hvor små atomer egentlig er I forhold til de ting vi normalt forholder os til. Nu kunne man I 1959 ikke skrive/læse skrift med atomar opløsning. Newton’s mekanilk: Kvante mekanik:

Scanning Tunnel Mikroskop (STM) Elektroner tunnellerer fra nål til overflade: STM afbilder elektron tætheden på overfladen Oversættes fra elektronstruktur til atomstruktur Simuleret STM billede af Si overflade: I 1981 opfandt Binnig and Rohrer (at IBM Zürich), STM mikroskopet som de delte Nobel prisen I Fysik for I 1986. Med STM bliver Feynmans tanke-eksperiment til en realitet – ihvertfald I princippet. STM giver nemlig mulighed for at se enkelete atomer på en overflade og faktisk også manipulere dem – skubbe dem rundt og f.eks. Skrive IBM med atomer. Exponentiel afhængighed af tunneleringsstrøm er nøglen! Opløsningen er bedre end 0.1 nm hvilket er 1/3 af et metal atoms diameter!! Animation af Jane H. Nielsen

Molekylær elektronik Ide: Anvende enkelte molekyler som byggeklodser til produktion af elektroniske komponenter (transistor, resistor, switch, ledere, dioder, sensorer…) . Fordele: Billige materialer, lavt strømforbrug Nano-størrelse Stor flexibilitet i design og funktionalitet Kvante effekter indbygget i funktionen Når det er sagt vil jeg – med fare for at skuffe seerne – pointere at molekylær elektronik på nuværende tidspunkt betegner et forskningsfelt (interdisciplinært kemi,biologi,fysik) og ikke en egentlig teknologi. Man er på stadiet hvor man kan lave og studere enkelte devices I laboratoriet eller på computeren for at kortlægge hvordan molekyære nano devices opfører sig, men man er ikke begyndt at sætte devices sammen hvilket selvfølgelig er nødvendigt hvis man vil udfører egentlige operationer med dem. Det er næste skridt. Jeg vil I det følgende give en ide om hvor feltet står vha nogle eksempler hentet fra vores egen forskning.

Molekylær elektronik på computeren Indtil nu har jeg talt om hvordan nanoteknologi kan bruges til at lave hurtigere computere. Men pilen vender også den anden vej: De hurtige computere kan skabe nanoteknologi. Det at simulere et fysisk system på en computer er ofte både hurtigere og billigere end at lave eksperimenter – det kan selvfølgelig ikke erstatte eksperimenterne men det er et uundværligt supplement på den atomare skala både til at guide, fortolke eksperimenter. Nanoteknologi Hurtigere computere

Fra nanokontakt til nanokæde Den ultimativt mindste elektriske leder Meget stærke kemiske bindinger Elektrisk ledningsevne oscillerer som funktion af kædens længde (Ohms lov holder ikke på nano-skalaen!) Hvis man skal bygge en molekylær elektronisk komponent skal man kontakte et molekyle med metal kontakter så man kan drive en strøm igennem det. Den simpleste måde at lave et nano-gap på er at bryde en kontakt indtil den går over. Så får man den første overraskelse… Konduktans oscillationer: Manifestation af det der I kvant kaldes partikel-bølge dualiteten: Elektron bevæger sig som en bølge men når man måler på den opfører den sig som en partikel. Interferens på kæden. Computer simuleringer af Sune Bahn

Kemi på nano-skala Metaller er mere kemisk aktive på nano-skala Færre nabo atomer -> flere aktive kemiske bindinger Ikke bare mekaniske og elektriske egenskaber er anderledes på nanoskalaen. Også de kemiske egenskaber. Dette er vigtigt da en nanostruktur vekselvirker med gas molekyler i luften omkring dem. Det viser sig at nanostruktureret metal – f.eks. Atomare kæder eller klynger med <1000 atomer, er langt mere kemisk aktive end vi kender det fra makroskopiske verden. F.eks. Guld som bekendt nobelt og binder ikke molekyler på overfladen, men I nanostruktur er det ekstremt reaktivt og kan benyttes som katalysator til at splitte O2 til O.

Foto-aktiv molekylær transistor Visse molekylet kan “switches” mellem to stabile tilstande ved absorption af lys (foton) h Molekylet ændrer geometri Energi Energi Energi Molekylet ændrer elektrisk ledningsevne når det ændrer form FORDI elektron baner / energi niveauer ændres. Hvir disse kvante effekter giver problemer for konventionel Si chip design så udnyttes disse i molekylære elektronik. Det er helt nødvendigt at tage udgangspunkt I kvantemekanikken når man konstruerer devices på nanometer skala. Samme for STM hvor tunnelering udnyttes. Grundtilstand 1 Exciteret tilstand Grundtilstand 2

Spændings-aktiv molekylær transistor Molekyle mellem to metal kontakter Molekylet kan “switches” mellem høj og lav modstand vha source-drain spændingspuls Vi har set at elektronik idag allerede er nanoteknologi, men at der stadig er muligheder for yderligere miniaturisering. Der er fundamentelle udfordringer forbundet med at reducere størrelsen af den konventionelle Si transistor yderligere og vi har set at molekylær elektronik udgør et alternativ. Lige nu er der lovende resultater for enkelte individuelle komponenter, men der er stadig lang vej før disse kan sammensættes til egentlige kredsløb.

Nano-skala gas sensor Fordele ved nano-sensorer Høj sensitivitet (overflade/bulk) Billige materialer Kompakt Kulstof nanorør: Vi har set nogle eksempler på molekylære transistorer som måske ikke virker særligt interessante medmindre de kan sammenkobles til et egentligt logisk kredsløb. Men der er andre anvendelser indenfor nano-elektronik der kan kan anvdendes direkte. Et eksempel er til detektion af gas arter fx. giftige eller forurenende gasser. A. R. Rocha et al, Phys. Rev. Lett. 100, 176803 (2008) J. Kong et al, Science 287, 622 (2000)

Nano-skala gas sensor V Gas molekyler i luft “Target molekyle” C B T A C A B “Target molekyle” B C A Aktive sites Antal molekyler på CNT Koncentration af “target” Elektrisk modtand af CNT

Metal doping af carbon nanotube Computational design. CNTs er kemisk inaktive -> doping.

Screening Beregnet ændring i elektrisk modstand: Beregnet bindingsenergi: Skal ikke binde for hårdt og ikke for svagt. Skal have en størst mulig effekt på elektrisk ledningsevne.

Ni doping af kulstofnanorør