الإلكترونيات الجزيئية

الإلكترونيات الجزيئية هي دراسة وتطبيق الوحدات البنائية الجزيئية لتصنيع المكونات الإلكترونية. وهي مجال متعدد التخصصات يمتد ليشمل الفيزياء والكيمياء وعلوم المواد . وتوفر وسيلة محتملة لتوسيع نطاق قانون مور إلى ما يتجاوز الحدود المتوقعة للدوائر المتكاملة التقليدية المصنوعة من السيليكون على نطاق صغير . ^{[ 1 ]}

الإلكترونيات على المستوى الجزيئي ، أو ما يُسمى أيضًا إلكترونيات الجزيء الواحد، هي فرع من تكنولوجيا النانو يستخدم جزيئات مفردة، أو مجموعات نانوية من جزيئات مفردة، كمكونات إلكترونية . ولأن الجزيئات المفردة تُشكل أصغر البنى المستقرة الممكنة، فإن هذا التصغير هو الهدف النهائي لتقليص الدوائر الكهربائية .

تُصنع الأجهزة الإلكترونية التقليدية عادةً من مواد صلبة. وتُعاني طرق التصنيع الصلبة من قيودٍ جوهرية، كما أنها تزداد صعوبةً وتكلفةً. ومن هنا، نشأت فكرة بناء المكونات ذرةً ذرةً في مختبر الكيمياء (من الأسفل إلى الأعلى) بدلاً من نحتها من المواد الصلبة (من الأعلى إلى الأسفل). في إلكترونيات الجزيئات المفردة، تُستبدل المواد الصلبة بجزيئات مفردة. وتتمتع هذه الجزيئات بخصائص تُشبه خصائص المكونات الإلكترونية التقليدية ، مثل الأسلاك والترانزستورات والمقومات . ^{[ 2 ]}

تُعدّ الإلكترونيات أحادية الجزيء مجالًا ناشئًا، ولا تزال الدوائر الإلكترونية الكاملة المكونة حصريًا من مركبات بحجم الجزيئات بعيدة المنال. وينصبّ التركيز حاليًا على اكتشاف جزيئات ذات خصائص مثيرة للاهتمام، وعلى إيجاد طرق للحصول على وصلات موثوقة وقابلة للتكرار بين المكونات الجزيئية والمادة الأساسية للأقطاب الكهربائية. ^{[ 3 ]}

تعمل الإلكترونيات الجزيئية على مسافات تقل عن 100 نانومتر. ويؤدي تصغيرها إلى جزيئات منفردة إلى تقليص حجمها إلى نطاق تصبح فيه تأثيرات ميكانيكا الكم ذات أهمية بالغة. وعلى عكس المكونات الإلكترونية التقليدية، حيث يمكن ملء الفراغات الإلكترونية أو سحب الإلكترونات بشكل شبه مستمر كتدفق مستمر للشحنة الكهربائية ، فإن انتقال إلكترون واحد يُغير النظام بشكل ملحوظ. ويجب أخذ كمية الطاقة الكبيرة الناتجة عن الشحن في الحسبان عند إجراء حسابات الخصائص الإلكترونية للجهاز، وهي حساسة للغاية للمسافات من الأسطح الموصلة المجاورة.

إحدى أكبر المشكلات في قياس الجزيئات المفردة هي تحقيق اتصال كهربائي قابل للتكرار مع جزيء واحد فقط، ودون حدوث تماس كهربائي بين الأقطاب. ولأن تقنية الطباعة الضوئية الحالية غير قادرة على إنتاج فجوات بين الأقطاب صغيرة بما يكفي لتوصيل طرفي الجزيئات المختبرة (في حدود النانومترات)، تُستخدم استراتيجيات بديلة. تشمل هذه الاستراتيجيات فجوات بحجم الجزيئات تُسمى وصلات الكسر، حيث يُمدد قطب كهربائي رقيق حتى ينكسر. ومن طرق التغلب على مشكلة حجم الفجوة حصر الجسيمات النانوية المُعدّلة وظيفيًا (حيث تتناسب المسافة بين الجسيمات النانوية مع حجم الجزيئات)، ثم استهداف الجزيء لاحقًا عن طريق تفاعل تبادل المواقع. ^{[ 4 ]}

تتمثل إحدى الطرق الأخرى في استخدام طرف مجهر المسح النفقي (STM) لتوصيل الجزيئات الملتصقة من الطرف الآخر بركيزة معدنية. ^{[ 5 ]} ومن الطرق الشائعة الأخرى لتثبيت الجزيئات على الأقطاب الكهربائية الاستفادة من الألفة الكيميائية العالية للكبريت مع الذهب ؛ ورغم فائدة هذه الطريقة، إلا أن التثبيت غير انتقائي، وبالتالي يتم تثبيت الجزيئات عشوائيًا على جميع أسطح الذهب، وتعتمد مقاومة التلامس بشكل كبير على الهندسة الذرية الدقيقة حول موقع التثبيت، مما يؤثر سلبًا على إمكانية تكرار الاتصال. ولتجاوز هذه المشكلة الأخيرة، أظهرت التجارب أن الفوليرين قد يكون بديلاً جيدًا للكبريت نظرًا لنظام π المترافق الكبير الذي يمكنه توصيل عدد أكبر بكثير من الذرات في وقت واحد مقارنةً بذرة كبريت واحدة. ^{[ 6 ]}

يُتيح التحوّل من الأقطاب المعدنية إلى الأقطاب شبه الموصلة خصائص أكثر دقة، وبالتالي تطبيقات أكثر إثارة للاهتمام. توجد بعض المفاهيم لتوصيل الجزيئات العضوية باستخدام أقطاب شبه موصلة فقط، على سبيل المثال باستخدام أسلاك نانوية من زرنيخيد الإنديوم مع جزء مُدمج من مادة فوسفيد الإنديوم ذات فجوة النطاق الأوسع، والتي تُستخدم كحاجز إلكتروني لتوصيل الجزيئات. ^{[ 7 ]}

يُعدّ عدم وجود وسائل لربط دائرة بحجم جزيئي بأقطاب كهربائية ضخمة بطريقة تُتيح الحصول على نتائج قابلة للتكرار من أكبر العوائق التي تحول دون استغلال الإلكترونيات أحادية الجزيء تجاريًا. كما تُشكّل بعض القياسات على الجزيئات المفردة التي تُجرى في درجات حرارة منخفضة للغاية ، تقترب من الصفر المطلق، مشكلةً أخرى، إذ تستهلك هذه العملية كميات هائلة من الطاقة.

ذُكرت الإلكترونيات الجزيئية لأول مرة عام 1956 على يد الفيزيائي الألماني آرثر فون هيبل . ^{[ 8 ]} اقترح فون هيبل منهجيةً تصاعديةً لتطوير الإلكترونيات انطلاقًا من الذرات والجزيئات بدلًا من استخدام مواد مُصنّعة مسبقًا، وهي فكرة أطلق عليها اسم الهندسة الجزيئية. وفي عام 1974، وصف أفيرام وراتنر "المقوّمات الجزيئية"، وهي جزيئات نظرية مُعدّلة لنقل الشحنة تحتوي على مجموعات مانحة ومستقبلة تسمح بالنقل في اتجاه واحد فقط، تمامًا مثل ثنائي أشباه الموصلات. ^{[ 2 ]}

تتمثل الميزة الأكبر للبوليمرات الموصلة في سهولة معالجتها، وخاصةً عن طريق التشتيت . لا تُصنف البوليمرات الموصلة ضمن البلاستيك ، أي أنها لا تُشكل حراريًا، ومع ذلك فهي بوليمرات عضوية، مثل البوليمرات العازلة. تتميز هذه البوليمرات بموصلية كهربائية عالية، ولكنها تمتلك خصائص ميكانيكية مختلفة عن البوليمرات الأخرى المستخدمة تجاريًا. ويمكن ضبط خصائصها الكهربائية بدقة باستخدام طرق التخليق العضوي ^{[ 9 ]} وتقنيات التشتيت المتقدمة ^{[ 10 ] .}

تُعدّ البوليمرات ذات السلسلة الخطية، مثل البولي أسيتيلين والبولي بيرول والبولي أنيلين ، من أهم فئات البوليمرات الموصلة. وتُعتبر بولي (3-ألكيل ثيوفين) من المواد النموذجية للخلايا الشمسية والترانزستورات. ^{[ 9 ]}

تتكون البوليمرات الموصلة من سلاسل رئيسية من مراكز كربون متجاورة مهجنة من نوع sp² ^. يوجد إلكترون تكافؤ واحد على كل مركز في مدار ap _z ، وهو مدار متعامد مع روابط سيجما الثلاثة الأخرى. تتمتع الإلكترونات في هذه المدارات غير المتمركزة بحركية عالية عند تطعيم المادة بالأكسدة، مما يؤدي إلى إزالة بعض هذه الإلكترونات غير المتمركزة. وبالتالي، تشكل مدارات p المترافقة نطاقًا إلكترونيًا أحادي البعد ، وتصبح الإلكترونات داخل هذا النطاق متحركة عند تفريغه جزئيًا. على الرغم من الأبحاث المكثفة، لا تزال العلاقة بين الشكل المورفولوجي وبنية السلسلة والتوصيلية غير مفهومة بشكل كافٍ. ^{[ 11 ]}

نظراً لصعوبة معالجتها، فإنّ تطبيقات البوليمرات الموصلة على نطاق واسع محدودة. ورغم وجود بعض الإمكانيات الواعدة في مجال المواد المضادة للكهرباء الساكنة ^{[ 9 ]} ، فقد تمّ دمجها في شاشات العرض والبطاريات التجارية، إلا أنّ استخدامها يواجه بعض القيود بسبب تكاليف الإنتاج، وعدم تجانس المواد، وسميتها، وضعف ذوبانها في المذيبات، وعدم إمكانية صهرها مباشرةً. مع ذلك، تكتسب البوليمرات الموصلة اهتماماً متزايداً في استخدامات جديدة، مع تزايد سهولة معالجة المواد ذات الخصائص الكهربائية والفيزيائية الأفضل والتكاليف الأقل. ومع توافر معلقات مستقرة وقابلة للتكرار، اكتسب كلٌّ من بولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) (PEDOT) والبولي أنيلين بعض التطبيقات واسعة النطاق. يُستخدم PEDOT بشكل أساسي في التطبيقات المضادة للكهرباء الساكنة وكطبقة موصلة شفافة على شكل معلقات PEDOT وحمض البوليسترين سلفونيك (PSS، الشكل المختلط: PEDOT:PSS)، بينما يُستخدم البولي أنيلين على نطاق واسع في صناعة لوحات الدوائر المطبوعة، في الطبقة النهائية، لحماية النحاس من التآكل ومنع لحامه. ^{[ 10 ]} توفر الأشكال النانوية الأحدث من البوليمرات الموصلة زخمًا جديدًا لهذا المجال، نظرًا لمساحة سطحها الأعلى وقابليتها الأفضل للتشتت.

• هيث، جيمس ر. (1 أغسطس 2009). "الإلكترونيات الجزيئية" . المراجعة السنوية لبحوث المواد . 39 (1): 1-23 . Bibcode : 2009AnRMS..39....1H . doi : 10.1146/annurev-matsci-082908-145401 .

• الوسائط المتعلقة بالإلكترونيات الجزيئية على ويكيميديا ​​كومنز