आणविक पैमाने पर इलेक्ट्रॉनिक्स: Difference between revisions

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क्षेत्र को अधिकांशतः [[आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स]] के रूप में कहा जाता है किन्तु इस शब्द का उपयोग प्रवाहकीय पॉलिमर और [[कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स]] के दूर से संबंधित क्षेत्र को संदर्भित करने के लिए भी किया जाता है जो पदार्थ के थोक गुणों को प्रभावित करने के लिए अणुओं के गुणों का उपयोग करता है। एक नामकरण भेद का सुझाव दिया गया है जिससे ''इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आणविक'' पदार्थ थोक अनुप्रयोगों के इस बाद के क्षेत्र को संदर्भित करता है जबकि आण्विक मापदंड के इलेक्ट्रॉनिक्स यहां इलाज किए गए नैनोस्केल एकल-अणु अनुप्रयोगों को संदर्भित करता है।<ref>{{Cite book|last=Petty |first=M.C. |author2=Bryce, M.R. |author3=Bloor, D. |name-list-style=amp |title=आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स का परिचय|publisher=Oxford University Press |date=1995 |location=New York |pages=1–25 |isbn=978-0-19-521156-6}}</ref><ref>{{Cite journal|last=Tour |first=James M. |author-link=James Tour |title=आणविक पैमाने के इलेक्ट्रॉनिक्स में हालिया प्रगति|journal=[[Annals of the New York Academy of Sciences]] |volume=852 |issue=1 |pages=197–204 |date=1998 |doi=10.1111/j.1749-6632.1998.tb09873.x |bibcode=1998NYASA.852..197T |display-authors=etal|citeseerx=10.1.1.506.4411 |s2cid=18011089 }}</ref>
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'''करने के लिए भी किया जाता है जो पदार्थ के थोक गुणों को प्रभावित करने के लिए अणुओं के गुणों का उपयोग करता है। एक नामकरण भेद का सुझाव दिया गया है जिससे ''इलेक्ट्रॉनिक्स के''''' 
== मौलिक अवधारणाएँ ==
== मौलिक अवधारणाएँ ==
परंपरागत इलेक्ट्रॉनिक्स पारंपरिक रूप से थोक पदार्थ से बनाए गए हैं। 1958 में उनके आविष्कार के बाद से [[एकीकृत परिपथ]] के प्रदर्शन और जटिलता में [[घातीय वृद्धि]] हुई है मूर के नियम नामक एक प्रवृत्ति क्योंकि एम्बेडेड घटकों के फीचर आकार इसलिए सिकुड़ गए हैं। जैसे-जैसे संरचनाएं सिकुड़ती हैं विचलन के प्रति संवेदनशीलता बढ़ती जाती है। कुछ प्रौद्योगिकी पीढ़ियों में उपकरणों की संरचना को कुछ परमाणुओं की स्पष्टता के लिए नियंत्रित किया जाना चाहिए<ref name=concepts>{{cite book |last=Waser |first=Rainer |author2=Lüssem, B. |author3=Bjørnholm, T. |name-list-style=amp |title=Nanotechnology. Volume 4: Information Technology II|chapter=Chapter 8: Concepts in Single-Molecule Electronics|publisher=Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA|date=2008|location=Weinheim |pages=175–212 |isbn=978-3-527-31737-0}}</ref>
परंपरागत इलेक्ट्रॉनिक्स पारंपरिक रूप से थोक पदार्थ से बनाए गए हैं। 1958 में उनके आविष्कार के बाद से [[एकीकृत परिपथ]] के प्रदर्शन और जटिलता में [[घातीय वृद्धि]] हुई है मूर के नियम नामक एक प्रवृत्ति क्योंकि एम्बेडेड घटकों के फीचर आकार इसलिए सिकुड़ गए हैं। जैसे-जैसे संरचनाएं सिकुड़ती हैं विचलन के प्रति संवेदनशीलता बढ़ती जाती है। कुछ प्रौद्योगिकी पीढ़ियों में उपकरणों की संरचना को कुछ परमाणुओं की स्पष्टता के लिए नियंत्रित किया जाना चाहिए<ref name=concepts>{{cite book |last=Waser |first=Rainer |author2=Lüssem, B. |author3=Bjørnholm, T. |name-list-style=amp |title=Nanotechnology. Volume 4: Information Technology II|chapter=Chapter 8: Concepts in Single-Molecule Electronics|publisher=Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA|date=2008|location=Weinheim |pages=175–212 |isbn=978-3-527-31737-0}}</ref>

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आणविक मापदंड पर इलेक्ट्रॉनिक्स जिसे एकल-अणु इलेक्ट्रॉनिक्स भी कहा जाता है, नैनो विधि की एक शाखा है जो इलेक्ट्रॉनिक घटक के रूप में एकल अणुओं या एकल अणुओं के नैनोस्कोपिक स्केल संग्रह का उपयोग करती है। क्योंकि एकल अणु कल्पना करने योग्य सबसे छोटी स्थिर संरचनाओं का निर्माण करते हैं यह लघुकरण विद्युत परिपथों को सिकोड़ने का अंतिम लक्ष्य है।

क्षेत्र को अधिकांशतः आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के रूप में कहा जाता है किन्तु इस शब्द का उपयोग प्रवाहकीय पॉलिमर और कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स के दूर से संबंधित क्षेत्र को संदर्भित करने के लिए भी किया जाता है जो पदार्थ के थोक गुणों को प्रभावित करने के लिए अणुओं के गुणों का उपयोग करता है। एक नामकरण भेद का सुझाव दिया गया है जिससे इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए आणविक पदार्थ थोक अनुप्रयोगों के इस बाद के क्षेत्र को संदर्भित करता है जबकि आण्विक मापदंड के इलेक्ट्रॉनिक्स यहां इलाज किए गए नैनोस्केल एकल-अणु अनुप्रयोगों को संदर्भित करता है।[1][2]

करने के लिए भी किया जाता है जो पदार्थ के थोक गुणों को प्रभावित करने के लिए अणुओं के गुणों का उपयोग करता है। एक नामकरण भेद का सुझाव दिया गया है जिससे इलेक्ट्रॉनिक्स के

मौलिक अवधारणाएँ

परंपरागत इलेक्ट्रॉनिक्स पारंपरिक रूप से थोक पदार्थ से बनाए गए हैं। 1958 में उनके आविष्कार के बाद से एकीकृत परिपथ के प्रदर्शन और जटिलता में घातीय वृद्धि हुई है मूर के नियम नामक एक प्रवृत्ति क्योंकि एम्बेडेड घटकों के फीचर आकार इसलिए सिकुड़ गए हैं। जैसे-जैसे संरचनाएं सिकुड़ती हैं विचलन के प्रति संवेदनशीलता बढ़ती जाती है। कुछ प्रौद्योगिकी पीढ़ियों में उपकरणों की संरचना को कुछ परमाणुओं की स्पष्टता के लिए नियंत्रित किया जाना चाहिए[3]

उपकरणों के काम करने के लिए। बल्क विधियाँ तेजी से मांग और मूल्यवान हो रही हैं क्योंकि वे अंतर्निहित सीमाओं के पास हैं यह विचार उत्पन्न हुआ था कि घटकों को एक रसायन विज्ञान प्रयोगशाला में परमाणु द्वारा बनाया जा सकता है (नीचे ऊपर) बनाम उन्हें बल्क पदार्थ (ऊपर-नीचे और नीचे) से तराश कर बनाया जा सकता है। -अप डिजाइन)। यह आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के पीछे का विचार है जिसमें परम लघुकरण एकल अणुओं में निहित घटक हैं।

एकल-अणु इलेक्ट्रॉनिक्स में, बल्क पदार्थ को एकल अणुओं द्वारा प्रतिस्थापित किया जाता है। एक प्रतिरूप मचान के बाद पदार्थ को हटाने या लगाने से संरचना बनाने के अतिरिक्त परमाणुओं को रसायन विज्ञान प्रयोगशाला में एक साथ रखा जाता है। इस तरह, अरबों-खरबों प्रतियां एक साथ बनाई जाती हैं (सामान्यतः 1020 से अधिक अणु एक साथ बनते हैं) जबकि अणुओं की संरचना को अंतिम परमाणु तक नियंत्रित किया जाता है। उपयोग किए गए अणुओं में ऐसे गुण होते हैं जो पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटकों जैसे वायर ट्रांजिस्टर या रेक्टीफायर के समान होते हैं।

एकल-अणु इलेक्ट्रॉनिक्स एक उभरता हुआ क्षेत्र है और विशेष रूप से आणविक आकार के यौगिकों से युक्त संपूर्ण इलेक्ट्रॉनिक परिपथ अभी भी साकार होने से बहुत दूर हैं। चूँकि लिथोग्राफिक विधियों की अंतर्निहित सीमाओं के साथ-साथ अधिक कंप्यूटिंग शक्ति की निरंतर मांग as of 2016, संक्रमण को अपरिहार्य बनाएं। वर्तमान में रौचक गुणों वाले अणुओं की खोज और आणविक घटकों और इलेक्ट्रोड की थोक पदार्थ के बीच विश्वसनीय और प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य संपर्क प्राप्त करने के विधि खोजने पर ध्यान केंद्रित किया जा रहा है।

सैद्धांतिक आधार

आणविक इलेक्ट्रानिक्स 100 नैनोमीटर से कम दूरी के क्वांटम सीमा में काम करता है। एकल अणुओं के लिए लघुकरण मापदंड को एक ऐसे व्यवस्था में लाता है जहां क्वांटम यांत्रिकी प्रभाव महत्वपूर्ण होते हैं। पारंपरिक इलेक्ट्रॉनिक घटकों में इलेक्ट्रॉनों को विद्युत आवेश के निरंतर प्रवाह की तरह कम या ज्यादा भरा या खींचा जा सकता है। इसके विपरीत आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स में एक इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण प्रणाली को महत्वपूर्ण रूप से बदल देता है। उदाहरण के लिए जब एक इलेक्ट्रॉन को एक स्रोत इलेक्ट्रोड से एक अणु में स्थानांतरित किया जाता है तो अणु चार्ज हो जाता है जिससे अगले इलेक्ट्रॉन को स्थानांतरित करना बहुत कठिन हो जाता है (कूलॉम्ब ब्लोकेड भी देखें)। सेटअप के इलेक्ट्रॉनिक गुणों के बारे में गणना करते समय चार्जिंग के कारण ऊर्जा की महत्वपूर्ण मात्रा को ध्यान में रखा जाना चाहिए और पास की सतहों के संचालन के लिए दूरी के प्रति अत्यधिक संवेदनशील है।

एकल-अणु उपकरणों का सिद्धांत विशेष रूप से रौचक है क्योंकि विचाराधीन प्रणाली गैर-संतुलन (वोल्टेज द्वारा संचालित) में एक विवर्त क्वांटम प्रणाली है। कम पूर्वाग्रह वोल्टेज शासन में आणविक जंक्शन की गैर-संतुलन प्रकृति को नजरअंदाज किया जा सकता है और उपकरण के वर्तमान-वोल्टेज लक्षणों की गणना प्रणाली के संतुलन इलेक्ट्रॉनिक संरचना का उपयोग करके की जा सकती है। चूँकि शक्तिशाली पूर्वाग्रह शासनों में एक अधिक परिष्कृत उपचार की आवश्यकता होती है क्योंकि अब कोई परिवर्तनशील सिद्धांत नहीं है। इलास्टिक टनलिंग स्थिति में (जहां गुजरने वाला इलेक्ट्रॉन प्रणाली के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान नहीं करता है) रॉल्फ लैंडौएर की औपचारिकता का उपयोग बायस वोल्टेज के कार्य के रूप में प्रणाली के माध्यम से संचरण की गणना के लिए किया जा सकता है, और इसलिए वर्तमान। बेलोचदार टनलिंग में, लियो कडनॉफ़ और गॉर्डन बेम के गैर-संतुलन ग्रीन के कार्यों पर आधारित और स्वतंत्र रूप से लियोनिद क्लेडीश द्वारा एक सुरुचिपूर्ण औपचारिकता को नेड विंग्रीन और यिगल मीर द्वारा उन्नत किया गया था। इस मेयर-विंगग्रीन सूत्रीकरण का उपयोग आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स समुदाय में अधिक कठिन और रौचक स्थिति की जांच करने के लिए बड़ी सफलता के लिए किया गया है जहां क्षणिक इलेक्ट्रॉन आणविक प्रणाली के साथ ऊर्जा का आदान-प्रदान करता है (उदाहरण के लिए इलेक्ट्रॉन-फोनन युग्मन या इलेक्ट्रॉनिक उत्तेजना के माध्यम से)।

इसके अतिरिक्त एकल अणुओं को बड़े मापदंड के परिपथ से शक्तिशाली से जोड़ना एक बड़ी चुनौती सिद्ध हुई है और व्यावसायीकरण के लिए एक महत्वपूर्ण बाधा है।

उदाहरण

आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स में उपयोग किए जाने वाले अणुओं के लिए सामान्य यह है कि संरचनाओं में कई वैकल्पिक डबल और सिंगल बॉन्ड होते हैं (संयुग्मित प्रणाली भी देखें)। ऐसा इसलिए किया जाता है क्योंकि इस तरह के प्रतिरूप आणविक कक्षाओं को स्पष्ट करते हैं जिससे संयुग्मित क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों को स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित करना संभव हो जाता है।

तार

घूमते हुए कार्बन नैनोट्यूब का यह एनीमेशन इसकी 3डी संरचना को दर्शाता है।

आणविक तार का एकमात्र उद्देश्य आणविक विद्युत परिपथ के विभिन्न भागों को विद्युत रूप से जोड़ना है। जैसा कि इनकी असेंबली और एक मैक्रोस्कोपिक परिपथ से उनके कनेक्शन में अभी भी महारत प्राप्त नहीं है एकल-अणु इलेक्ट्रॉनिक्स में अनुसंधान का ध्यान मुख्य रूप से क्रियाशील अणुओं पर है: आणविक तारों को कोई कार्यात्मक समूह नहीं होने की विशेषता है और इसलिए ये सादे दोहराव से बने होते हैं। एक संयुग्मित बिल्डिंग ब्लॉक इनमें से कार्बन नैनोट्यूब हैं जो अन्य सुझावों की तुलना में अधिक बड़े हैं किन्तु बहुत आशाजनक विद्युत गुण प्रदर्शित किए हैं।

आणविक तारों के साथ मुख्य समस्या इलेक्ट्रोड के साथ अच्छा विद्युत संपर्क प्राप्त करना है जिससे इलेक्ट्रॉन स्वतंत्र रूप से तार के अंदर और बाहर जा सकता है ।

ट्रांजिस्टर

एकल-अणु ट्रांजिस्टर मूल रूप से बल्क इलेक्ट्रॉनिक्स से ज्ञात लोगों से भिन्न होते हैं। एक पारंपरिक (क्षेत्र-प्रभाव) ट्रांजिस्टर में गेट उनके बीच आवेश वाहकों के घनत्व को नियंत्रित करके स्रोत और ड्रेन इलेक्ट्रोड के बीच चालन को निर्धारित करता है जबकि एकल-अणु ट्रांजिस्टर में गेट एकल इलेक्ट्रॉन के कूदने की संभावना को नियंत्रित करता है और आणविक कक्षा की ऊर्जा को संशोधित करके अणु को बंद करें। इस अंतर के प्रभावों में से एक यह है कि एकल-अणु ट्रांजिस्टर लगभग बाइनरी है: यह या तो चालू या बंद होता है। यह इसके बल्क समकक्षों का विरोध करता है जिनके पास गेट वोल्टेज के लिए द्विघात प्रतिक्रियाएँ हैं।

यह इलेक्ट्रॉनों में आवेश का परिमाणीकरण है जो बल्क इलेक्ट्रॉनिक्स की तुलना में स्पष्ट रूप से भिन्न व्यवहार के लिए उत्तरदाई है। एक एकल अणु के आकार के कारण एक एकल इलेक्ट्रॉन के कारण चार्जिंग महत्वपूर्ण है और एक ट्रांजिस्टर को चालू या बंद करने के साधन प्रदान करता है (कूलॉम्ब ब्लोकेड देखें)। इसके लिए काम करने के लिए ट्रांजिस्टर अणु पर इलेक्ट्रॉनिक ऑर्बिटल्स को इलेक्ट्रोड पर ऑर्बिटल्स के साथ बहुत अच्छी तरह से एकीकृत नहीं किया जा सकता है। यदि वे हैं तो एक इलेक्ट्रॉन को अणु या इलेक्ट्रोड पर स्थित नहीं कहा जा सकता है और अणु एक तार के रूप में कार्य करेगा।

अणुओं का एक लोकप्रिय समूह जो एक आणविक ट्रांजिस्टर में अर्ध-परिचालक चैनल पदार्थ के रूप में काम कर सकता है ऑलिगोपॉलीफेनिलीनविनाइलेन्स (ओपीवी) है जो कूलम्ब ब्लोकेड तंत्र द्वारा काम करता है जब स्रोत और नाली इलेक्ट्रोड के बीच एक उचित विधि से रखा जाता है।[4] फुलरीन एक ही तंत्र द्वारा काम करते हैं और सामान्यतः इसका उपयोग भी किया जाता है।

अर्धचालक कार्बन नैनोट्यूब को चैनल पदार्थ के रूप में काम करने के लिए भी प्रदर्शित किया गया है किन्तु चूँकि आणविक ये अणु लगभग बल्क अर्धचालक के रूप में व्यवहार करने के लिए पर्याप्त रूप से बड़े हैं।

अणुओं का आकार और किए जा रहे मापों का कम तापमान क्वांटम यांत्रिक अवस्थाओं को अच्छी तरह से परिभाषित करता है। इस प्रकार यह शोध किया जा रहा है कि क्या क्वांटम यांत्रिक गुणों का उपयोग सरल ट्रांजिस्टर (जैसे स्पिन ट्रोनिक्स) की तुलना में अधिक उन्नत उद्देश्यों के लिए किया जा सकता है।

एरिज़ोना विश्वविद्यालय के भौतिकविदों ने मैड्रिड के कॉम्प्लूटेंस विश्वविद्यालय के रसायनज्ञों के सहयोग से बेंजीन के समान एक वलय के आकार के अणु का उपयोग करके एकल-अणु ट्रांजिस्टर तैयार किया है। कनाडा के नैनो प्रौद्योगिकी के लिए राष्ट्रीय संस्थान के भौतिकविदों ने स्टाइरीन का उपयोग करके एकल-अणु ट्रांजिस्टर तैयार किया है। दोनों समूह उम्मीद करते हैं (डिजाइन प्रयोगात्मक रूप से असत्यापित थे as of June 2005) उनके संबंधित उपकरणों को कमरे के तापमान पर कार्य करने के लिए और एक इलेक्ट्रॉन द्वारा नियंत्रित किया जाना है।[5]

रेक्टिफायर (डायोड)

हाइड्रोजन को अलग-अलग टेट्राफेनिलपोर्फिरिन से हटाया जा सकता है (एच2TPP) अणु एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (STAM, a) की नोक पर अतिरिक्त वोल्टेज लगाकर; यह निष्कासन TPP अणुओं के करंट-वोल्टेज (IV) घटता को बदल देता है, जिसे समान एसटीएम टिप का उपयोग करके मापा जाता है, डायोड-जैसे (बी में लाल वक्र) से प्रतिरोधक-जैसे (हरा वक्र)। छवि (सी) टीपीपी, एच की एक पंक्ति दिखाती है2टीपीपी और टीपीपी अणु। छवि (डी) को स्कैन करते समय, एच पर अतिरिक्त वोल्टेज प्रयुक्त किया गया था2ब्लैक डॉट पर टीपीपी, जिसने तुरंत हाइड्रोजन को हटा दिया, जैसा कि (डी) के निचले भाग में और री-स्कैन इमेज (ई) में दिखाया गया है। इस तरह के जोड़तोड़ का उपयोग एकल-अणु इलेक्ट्रॉनिक्स में किया जा सकता है।[6]

आणविक रेक्टीफायर उनके थोक समकक्षों की नकल करते हैं और एक असममित निर्माण करते हैं जिससे अणु एक छोर पर इलेक्ट्रॉनों को स्वीकार कर सकें किन्तु दूसरे में नहीं। अणुओं के एक सिरे पर इलेक्ट्रॉन दाता (D) और दूसरे सिरे पर इलेक्ट्रॉन स्वीकर्ता (A) होता है। इस प्रकार, अस्थिर अवस्था D+ – A− की तुलना में अधिक आसानी से बन जाएगा−D− – A+. इसका परिणाम यह होता है कि यदि इलेक्ट्रॉनों को स्वीकर्ता सिरे के माध्यम से जोड़ा जाता है तो अणु के माध्यम से एक विद्युत धारा खींची जा सकती है,किन्तु कम आसानी से यदि विपरीत प्रयास किया जाता है।

विधि

एकल अणुओं पर मापने के साथ सबसे बड़ी समस्याओं में से एक केवल एक अणु के साथ पुनरुत्पादित विद्युत संपर्क स्थापित करना और इलेक्ट्रोड को शॉर्टकट किए बिना ऐसा करना है। क्योंकि वर्तमान फोटोलिथोग्राफिक विधि परीक्षण किए गए अणुओं (नैनोमीटर के क्रम में) के दोनों सिरों से संपर्क करने के लिए पर्याप्त छोटे इलेक्ट्रोड अंतराल का उत्पादन करने में असमर्थ है, वैकल्पिक रणनीतियों को प्रयुक्त किया जाता है।

आणविक अंतराल

उनके बीच एक आणविक आकार के अंतर के साथ इलेक्ट्रोड का उत्पादन करने का एक विधि ब्रेक जंक्शन है, जिसमें एक पतली इलेक्ट्रोड को तब तक खींचा जाता है जब तक कि वह टूट न जाए दूसरा इलेक्ट्रोमाइग्रेशन है। यहां एक पतली तार के माध्यम से एक धारा का नेतृत्व किया जाता है जब तक कि यह पिघल नहीं जाता है और परमाणु अंतर उत्पन्न करने के लिए पलायन करते हैं। इसके अतिरिक्त पारंपरिक फोटोलिथोग्राफी की पहुंच को रासायनिक रूप से नक़्क़ाशी या इलेक्ट्रोड पर धातु जमा करके बढ़ाया जा सकता है।

संभवतः कई अणुओं पर मापन करने का सबसे आसान विधि एक धातु सब्सट्रेट के दूसरे छोर पर लगे अणुओं से संपर्क करने के लिए एक स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) की नोक का उपयोग करना है।[7]

एंकरिंग

इलेक्ट्रोड के लिए अणुओं को लंगर डालने का एक लोकप्रिय विधि है सोने के लिए गंधक की उच्च रासायनिक आत्मीयता का उपयोग करना इन सेटअपों में अणु कार्बनिक संश्लेषण होते हैं जिससे अणुओं को सोने के इलेक्ट्रोड से जोड़ने वाले क्रोकोडाइल क्लिप के रूप में कार्य करने के लिए सल्फर परमाणुओं को रणनीतिक रूप से रखा जा सके चूँकि उपयोगी एंकरिंग गैर-विशिष्ट है और इस प्रकार सभी सोने की सतहों पर अणुओं को व्यवस्थित विधि से एंकर डालती है। इसके अतिरिक्त संपर्क प्रतिरोध एंकरिंग की साइट के आसपास स्पष्ट परमाणु ज्यामिति पर अत्यधिक निर्भर है और इस तरह स्वाभाविक रूप से कनेक्शन की पुनरुत्पादन क्षमता से समझौता करता है।

बाद के उद्देश्य को गतिरोध उत्पन्न करने के लिए प्रयोगों से पता चला है कि बड़े संयुग्मित π-प्रणाली के कारण फुलरीन सल्फर के अतिरिक्त उपयोग के लिए एक अच्छा उम्मीदवार हो सकता है जो सल्फर के एक से अधिक परमाणुओं से विद्युत रूप से संपर्क कर सकता है।[8]

फुलरीन नैनोइलेक्ट्रॉनिक

पॉलीमर में, मौलिक कार्बनिक अणु कार्बन और हाइड्रोजन दोनों (और कभी-कभी अतिरिक्त यौगिक जैसे नाइट्रोजन, क्लोरीन या सल्फर) से बने होते हैं। वे पेट्रोल से प्राप्त होते हैं और अधिकांशतः बड़ी मात्रा में संश्लेषित किए जा सकते हैं। इनमें से अधिकतर अणु इन्सुलेट कर रहे हैं जब उनकी लंबाई कुछ नैनोमीटर से अधिक हो जाती है। चूँकि स्वाभाविक रूप से होने वाली कार्बन का संचालन होता है, विशेष रूप से कोयले से पाया गया ग्रेफाइट या अन्यथा सामना करना पड़ता है। सैद्धांतिक दृष्टिकोण से, ग्रेफाइट एक अर्ध-धातु है, जो धातुओं और अर्ध-चालकों के बीच की श्रेणी है। इसकी एक स्तरित संरचना है, प्रत्येक शीट एक परमाणु मोटी होती है। प्रत्येक शीट के बीच, एक आसान मैनुअल क्लीवेज की अनुमति देने के लिए इंटरैक्शन अधिक अशक्त हैं।

अच्छी तरह से परिभाषित नैनोमीटर आकार की वस्तुओं को प्राप्त करने के लिए ग्रेफाइट शीट की सिलाई एक चुनौती बनी हुई है। चूँकि बीसवीं सदी के अंत तक रसायनशास्त्री अत्यंत छोटी ग्रेफाइटिक वस्तुओं के निर्माण के विधि की खोज कर रहे थे जिन्हें एकल अणु माना जा सकता था। इंटरस्टेलर परिस्थितियों का अध्ययन करने के बाद जिसके तहत कार्बन को क्लस्टर बनाने के लिए जाना जाता है रिचर्ड स्माले के समूह (राइस यूनिवर्सिटी, टेक्सास) ने एक प्रयोग किया जिसमें ग्रेफाइट को लेजर विकिरण के माध्यम से वाष्पीकृत किया गया। मास स्पेक्ट्रोमेट्री से पता चला कि परमाणुओं की विशिष्ट जादुई संख्या वाले क्लस्टर स्थिर थे विशेष रूप से 60 परमाणुओं के समूह। प्रयोग में सहायता करने वाले एक अंग्रेजी रसायनज्ञ हैरी क्रोटो ने इन समूहों के लिए एक संभावित ज्यामिति का सुझाव दिया - परमाणु एक सॉकर बॉल की स्पष्ट समरूपता के साथ सहसंयोजक रूप से बंधे हुए हैं। गढ़ा हुआ बुक्कमिनटटेरफुलरीन, बकीबॉल, या सी60, समूहों ने चालकता जैसे ग्रेफाइट के कुछ गुणों को बनाए रखा। आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए संभावित बिल्डिंग ब्लॉक्स के रूप में इन वस्तुओं की तेजी से कल्पना की गई थी।

समस्याएं

कलाकृतियाँ

अणुओं के इलेक्ट्रॉनिक गुणों को मापने की प्रयाश करते समय, कृत्रिम घटनाएं हो सकती हैं जो वास्तव में आणविक व्यवहार से अलग करना कठिन हो सकती हैं।[9] इससे पहले कि वे खोजे गए, इन कलाकृतियों को गलती से अणुओं से संबंधित सुविधाओं के रूप में प्रकाशित किया गया है।

नैनोमीटर आकार के जंक्शन पर वोल्ट के क्रम में वोल्टेज ड्रॉप लगाने से बहुत शक्तिशाली विद्युत क्षेत्र बनता है। क्षेत्र धातु के परमाणुओं को माइग्रेट करने का कारण बन सकता है और अंत में एक पतली फिलामेंट द्वारा अंतर को बंद कर सकता है, जो एक धारा ले जाने पर फिर से टूट सकता है। चालन के दो स्तर एक अणु के एक प्रवाहकीय और एक पृथक राज्य के बीच आणविक स्विचिंग की नकल करते हैं।

एक और सामना करना पड़ा आर्टिफैक्ट है जब अंतराल में उच्च क्षेत्र की ताकत के कारण इलेक्ट्रोड रासायनिक प्रतिक्रियाओं से गुजरते हैं। जब वोल्टेज पूर्वाग्रह को उलट दिया जाता है, तो प्रतिक्रिया माप में हिस्टैरिसीस का कारण बनेगी जिसे आणविक उत्पत्ति के रूप में व्याख्या किया जा सकता है।

इलेक्ट्रोड के बीच एक धात्विक कण ऊपर वर्णित तंत्र द्वारा एकल इलेक्ट्रॉन ट्रांजिस्टर के रूप में कार्य कर सकता है, इस प्रकार आणविक ट्रांजिस्टर के लक्षणों के समान होता है। इलेक्ट्रोमाइग्रेशन विधि द्वारा निर्मित नैनोगैप्स के साथ यह विरूपण साक्ष्य विशेष रूप से सामान्य है।

व्यावसायीकरण

वाणिज्यिक रूप से उपयोग किए जाने वाले एकल-अणु इलेक्ट्रॉनिक्स के लिए सबसे बड़ी बाधाओं में से एक आणविक आकार के परिपथ को बल्क इलेक्ट्रोड से जोड़ने के विधि की कमी है जो प्रतिलिपि प्रस्तुत करने योग्य परिणाम देता है। वर्तमान स्थिति में, एकल अणुओं को जोड़ने की कठिनाई किसी भी संभावित प्रदर्शन वृद्धि को बहुत अधिक बढ़ा देती है जो इस तरह के संकोचन से प्राप्त की जा सकती है। कठिनाइयाँ और भी खराब हो जाती हैं यदि अणुओं में एक निश्चित स्थानिक अभिविन्यास होता है और/या कनेक्ट करने के लिए कई ध्रुव होते हैं।

साथ ही समस्यात्मक यह है कि एकल अणुओं पर कुछ माप क्रायोजेनिक्स (पूर्ण शून्य के पास) में किए जाते हैं, जो बहुत ऊर्जा खपत करने वाला होता है। यह एकल अणुओं की अशक्त धाराओं को मापने के लिए पर्याप्त संकेत ध्वनि को कम करने के लिए किया जाता है।

इतिहास और वर्तमान की प्रगति

आणविक स्विच के रूप में उपयोगी एक rotaxanes का चित्रमय प्रतिनिधित्व

1940 के दशक में तथाकथित दाता-स्वीकर्ता परिसरों के अपने उपचार में, रॉबर्ट मुल्लिकेन और अल्बर्ट सजेंट-ग्योर्गी ने अणुओं में आवेश हस्तांतरण की अवधारणा को आगे बढ़ाया। बाद में उन्होंने अणुओं में चार्ज ट्रांसफर और एनर्जी ट्रांसफर दोनों के अध्ययन को और परिष्कृत किया। इसी तरह मार्क रैटनर और अरी अविराम के 1974 के एक पेपर ने एक सैद्धांतिक आणविक सुधारक का चित्रण किया।[10]

1988 में, अविराम ने एक सैद्धांतिक एकल-अणु क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर का विस्तार से वर्णन किया। नौसेना अनुसंधान प्रयोगशाला के फ़ॉरेस्ट कार्टर द्वारा आगे की अवधारणाएं प्रस्तावित की गईं, जिनमें एकल-अणु तर्क द्वार सम्मिलित हैं। 1988 में आणविक इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के एक सम्मेलन में उनके तत्वावधान में विचारों की एक विस्तृत श्रृंखला प्रस्तुत की गई थी।[11] ये सैद्धांतिक निर्माण थे न कि ठोस उपकरण अलग-अलग अणुओं के इलेक्ट्रॉनिक गुणों का प्रत्यक्ष माप आणविक-मापदंड पर विद्युत संपर्क बनाने के विधि के विकास की प्रतीक्षा कर रहा था। यह कोई आसान काम नहीं था। इस प्रकार एकल अणु के चालन को प्रत्यक्ष रूप से मापने वाला पहला प्रयोग केवल 1995 में एकल C60 पर सूची किया गया था। सी. जोआचिम और जे.के. गिम्ज़वेस्की द्वारा अपने सेमिनल फिजिकल रिव्यू लेटर पेपर में अणु और बाद में 1997 में मार्क रीड और सहकर्मियों द्वारा कुछ सौ अणुओं पर तब से क्षेत्र की यह शाखा तेजी से आगे बढ़ी है। इसी तरह, चूंकि इस तरह के गुणों को सीधे मापना संभव हो गया है, प्रारंभिक श्रमिकों की सैद्धांतिक भविष्यवाणियों की अधिक सीमा तक पुष्टि की गई है।

आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स की अवधारणा 1974 में प्रकाशित हुई थी जब अविराम और रैटनर ने एक कार्बनिक अणु का सुझाव दिया था जो एक दिष्टकारी के रूप में काम कर सकता था।[12] विशाल वाणिज्यिक और मौलिक हित दोनों होने के कारण, इसकी व्यवहार्यता को सिद्ध करने में बहुत प्रयास किया गया था, और 16 साल बाद 1990 में, अणुओं की एक पतली फिल्म के लिए एशवेल और सहकर्मियों द्वारा एक आंतरिक आणविक सुधारक का पहला प्रदर्शन अनुभव किया गया था।

एकल अणु के संचालन का पहला माप 1994 में सी. जोआचिम और जे.के. गिम्ज़वेस्की द्वारा अनुभव किया गया था और 1995 में प्रकाशित किया गया था (इसी फिजिक्स। रेव। लेट। पेपर देखें)। यह आईबीएम टीजे वॉटसन में प्रारंभ किए गए 10 वर्षों के शोध का निष्कर्ष था, जिसमें 1980 के दशक के अंत में ए. अविराम, सी. जोआचिम और एम. पोमेरेन्त्ज़ द्वारा पहले से खोजे गए एकल अणु को स्विच करने के लिए स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप टिप एपेक्स का उपयोग किया गया था (देखें) इस अवधि के समय उनके मौलिक रसायन भौतिक। लेट। पेपर) टिप एपेक्स को एकल के शीर्ष को धीरे से छूने की अनुमति देने के लिए एक UHV स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप का उपयोग करने के लिए चाल थी C
60 अणु एक Au (110) सतह पर सोख लिया गया। कम वोल्टेज रैखिक I-V के साथ 55 MOhms का प्रतिरोध दर्ज किया गया था। संपर्क को I-z वर्तमान दूरी संपत्ति रिकॉर्ड करके प्रमाणित किया गया था, जो विरूपण के माप की अनुमति देता है C
60 संपर्क के तहत पिंजरा। इस पहले प्रयोग के बाद 1997 में मार्क रीड (भौतिक विज्ञानी) और जेम्स टूर द्वारा दो सोने के इलेक्ट्रोड को एक सल्फर-टर्मिनेटेड आणविक तार से जोड़ने के लिए एक यांत्रिक ब्रेक जंक्शन विधि का उपयोग करके सूची किए गए परिणाम के बाद किया गया था।[13]

नैनोटेक्नोलॉजी और नैनोसाइंस में वर्तमान प्रगति ने आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स के प्रायोगिक और सैद्धांतिक अध्ययन दोनों को सुगम बनाया है। स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोप (एसटीएम) और बाद में परमाणु बल माइक्रोस्कोप (एएफएम) के विकास ने एकल-अणु इलेक्ट्रॉनिक्स में हेरफेर करने में बहुत सहायता की है। इसके अतिरिक्त आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स में सैद्धांतिक प्रगति ने इलेक्ट्रोड-इलेक्ट्रोलाइट इंटरफेस पर गैर-एडियाबेटिक चार्ज ट्रांसफर इवेंट्स की और समझ में सहायता की है।[14][15]

एक एकल-अणु प्रवर्धक सी. जोआचिम और जे.के. द्वारा कार्यान्वित किया गया था। आईबीएम ज्यूरिख में गिम्ज़ेव्स्की। यह प्रयोग जिसमें एक सम्मिलित है C
60 अणु, ने प्रदर्शित किया कि ऐसा एक अणु अकेले इंट्रामोल्युलर क्वांटम हस्तक्षेप प्रभाव के माध्यम से एक परिपथ में लाभ प्रदान कर सकता है।

हेवलेट पैकर्ड (एचपी) और कैलिफोर्निया विश्वविद्यालय, लॉस एंजिल्स (यूसीएलए) के शोधकर्ताओं के सहयोग से, जेम्स हीथ, फ्रेजर स्टोडार्ट आर. स्टेनली विलियम्स और फिलिप कुएकेस के नेतृत्व में, रोटाक्सेन और चेन पर आधारित आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स विकसित किया है।

क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर के रूप में एकल-दीवार कार्बन नैनोट्यूब के उपयोग पर भी कार्य हो रहा है। इनमें से ज्यादातर काम इंटरनेशनल बिजनेस मशीन (आईबीएम) कर रहे हैं।

स्कॉन स्कैंडल के भाग के रूप में 2002 में आणविक स्व-इकट्ठे मोनोलयर्स पर आधारित एक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर की कुछ विशिष्ट सूची को धोखाधड़ी के रूप में दिखाया गया था।[16]

अभी वर्तमान तक पूरी तरह से सैद्धांतिक तक अविराम-रटनर मॉडल की एक अनिमोलेक्युलर रेक्टीफायर के लिए बेंगोर विश्वविद्यालय यूके में जेफ्री जे. एशवेल के नेतृत्व में एक समूह द्वारा प्रयोगों में स्पष्ट रूप से पुष्टि की गई है।[17][18][19] अब तक कई सुधारक अणुओं की पहचान की जा चुकी है और इन प्रणालियों की संख्या और दक्षता तेजी से बढ़ रही है।

सुपरमॉलेक्यूलर इलेक्ट्रॉनिक्स एक नया क्षेत्र है जिसमें सुपरमॉलेक्यूलर रसायन विज्ञान स्तर पर इलेक्ट्रॉनिक्स सम्मिलित है।

आणविक इलेक्ट्रॉनिक्स में एक महत्वपूर्ण उद्देश्य एकल अणु (सैद्धांतिक और प्रायोगिक दोनों) के प्रतिरोध का निर्धारण है। उदाहरण के लिए, बम, एट अल एसटीएम का उपयोग स्व-इकट्ठे मोनोलेयर में एकल आणविक स्विच का विश्लेषण करने के लिए किया जाता है जिससे यह निर्धारित किया जा सके कि ऐसा अणु कितना प्रवाहकीय हो सकता है।[20] इस क्षेत्र द्वारा सामना की जाने वाली एक और समस्या प्रत्यक्ष लक्षण वर्णन करने में कठिनाई है क्योंकि कई प्रयोगात्मक उपकरणों में आणविक मापदंड पर इमेजिंग अधिकांशतः कठिन होती है।

यह भी देखें

संदर्भ

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