| |||
|
Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. | |||
|
Break Junction, aneb jak změřit vodivost organické molekuly
Vladimír Přibyl
Celosvětově stále dochází k vývoji výpočetní techniky. Hlavní trend ve vývoji integrovaných obvodů vede k jejich zmenšování, což umožňuje natěsnat velké množství součástek na stále menší plochu. V uplynulých čtyřiceti letech se jejich počet vměstnaných na čip dařilo zdvojnásobit každé dva roky. Zmenšení velikosti čipu způsobuje snížení příkonu. Tempo miniaturizace ale začíná narážet na rozměrové limity klasické metody CMOSCMOS – Complementary Metal Oxid Semiconductor, technologie, která využívá tranzistorů MOSFET obou typů vodivosti (NMOS a PMOS). CMOS technologií se v současnosti vyrábí většina elektronických integrovaných obvodů včetně procesorů, pamětí a v posledních letech také obrazové senzory digitálních fotoaparátů (alternativa k CCD). CMOS součástky vynikají nízkou spotřebou a vysokou hustotou integrace. Technologie samotná je poměrně laciná a dobře technologicky zvládnutá., založené na nanášení kovové elektrody na křemíkKřemík – polokovový prvek, hojně se vyskytující v zemské kůře. Slouží jako základní materiál pro výrobu polovodičových součástek nebo položek pro pěstování nanostruktur. Oxid křemičitý je základní surovina pro výrobu skla a významná součást keramických a stavebních materiálů. Objev křemíku je připisován švédskému chemikovi J. Jacobu Berzeliovi (1824). a její izolaci. K významným omezením přispívá nedořešené chlazení těchto systémů. Funkčnost tranzistorů by další miniaturizací mohla utrpět, což by vedlo k jejich nespolehlivosti. Z těchto a jiných důvodů věda uvažuje o možných nových technologiích. Jedna z cest se zaměřila na studium elektrického chování organických molekul. Tyto molekuly se dají navrhnout na počítači, ale pouze měření může prokázat, zda je zvolený matematický model správný. Proto je potřeba takovou molekulu nejen vyrobit, to je věc, kterou chemie celkem běžně zvládá, ale i nakontaktovat na elektrický obvod a namodelované elektrické vlastnosti změřit.
Obrázek znázorňuje historické a snad budoucí rozměry polovodičových přechodů.
|
Organická sloučenina – chemicky čistá látka, jejíž molekuly obsahují vždy jeden nebo více atomů uhlíku. Obsahuje i další atomy, především vodík, kyslík, dusík, síru. Mezi organické sloučeniny se nepočítají jednoduché oxidy uhlíku. Oxid – dříve označovaný jako kysličník, je sloučenina kyslíku s méně elektronegativními prvky. Oxidy vznikají oxidací (hořením) za přítomnosti kyslíku ze vzduchu nebo jiných přítomných chemických látek. Elektronegativita – vlastnost prvku, která vyjadřuje jeho schopnost přitahovat elektrony (většinou souvisí se snahou prvku dosáhnout konfigurace vzácného plynu). Tuto vlastnost zavedl americký chemik Linus Pauling jako bezrozměrnou relativní veličinu. |
Metoda
K nakontaktování organické molekuly se používá vysoce tenký zlatýZlato – aurum, chemicky odolný, velmi dobře tepelně i elektricky vodivý, ale poměrně měkký drahý kov žluté barvy. Již od dávnověku byl používán pro výrobu dekorativních předmětů, šperků a jako měnová záruka při emisích bankovek. V současné době je navíc důležitým materiálem v elektronice, kde je ceněna jeho vynikající elektrická vodivost a odolnost proti korozi. V přírodě se vyskytuje zejména ryzí. můstek o rozměrech zhruba 50×50×120 nm. Ten je pomocí přesné mechaniky postupně natažen a přetržen, až vzniknou ostré hroty. K přetržení můstku musí dojít pomalu, aby měl dostatek času vytvořit jednoatomární hrot. Zlato je zvoleno pro své vhodné mechanicko-elektrické vlastnosti. Neoxiduje, proto se používá v elektrotechnice na ochranu kontaktů, a je tažné. Postupným natahováním můstku se atomy začnou přeskupovat, až je můstek v jediném místě tvořen skupinou dvou atomů. Vodivost takového jednoatomárního zlatého řetízku je rovna G0 = (12 906 Ω)–1.
Postupné formování jednoatomárního můstku a jeho přetržení. Zdroj: PCCP.
Bezprostředně po přetržení můstku prochází mezi nejbližšími atomy tzv. tunelovací proud. Rozevíráním můstku tento proud neustále klesá. Jakmile dosáhne vodivosti kolem 10−9 siemensů, je můstek zcela přetržen. Nyní stačí můstek opět postupně zavírat a při dostatečně přesné mechanice a stabilitě můstku dojde k jeho opětovnému spojení. Přidáním testovací organické molekuly v roztoku dochází v okamžiku přetržení můstku k jeho přemostění organickou molekulou. Molekuly jsou upraveny tak, aby na svých koncích obsahovaly síruSíra – Sulphur, je nekovový chemický prvek žluté barvy, hojně zastoupený v přírodě. Tvoří přibližně 0,05 % zemské kůry. Patří do skupiny tzv. chalkogenů. Síra byla známa již v dávnověku, ve starověké Číně sloužila jako jedna ze složek střelného prachu. V chemickém průmyslu se síra používá především pro vulkanizaci kaučuku. Dále je elementární síra základní surovinou pro výrobu kyseliny sírové. Síra je významnou složkou různých prostředků působících proti růstu hub a plísní. Síření sklepů i sudů pro uchovávání vína či piva efektivně brání množení nežádoucích plísní a mikroorganizmů., která má vaznost na atomy zlata. Ne vždy dojde k úspěšnému uchycení molekuly, a proto se můstek trhá a spojuje mnohokrát a výsledky měření se zpracovávají statisticky.
Na obrázku a) je vidět mechanické provedení můstku. Schematické znázornění uchycení destičky je na obrázku b). Obrázek c) znázorňuje graf několika měření bez přítomnosti molekuly. Obrázek d) ukazuje, jak se křivka změní v případě, že dojde k úspěšnému navázání molekuly. V pravé části je zobrazena četnost měřené vodivosti z mnoha měření. Zdroj: SPS.
Graf a) zobrazuje hodnoty vodivosti těsně před přetržením můstku. „Schody“ na hodnotách 1–3 ukazují, jak se odpojují jednotlivé atomy zlata. Křivka b) je „zvětšeným“ pokračováním křivky a), jde o oblast, kde začíná intenzivně probíhat tunelový jev. Zdroj: R. Huber.
Na předchozích obrázcích je svislá osa poměrem naměřené vodivosti, ku vodivosti jednoatomárního můstku (G/G0). Tento poměr je roven jedné právě v tom okamžiku, kdy jsou spojeny poslední dva atomy zlata.
Měření
K proměření vodivosti je třeba:
|
K proměření vodivosti potřebujeme poměrně jednoduchý elektrický obvod. Zdroj stejnosměrného stabilizovaného napětí hodnoty kolem 100–200 mV. To zvládne při dobré stabilitě a přesnosti běžný laboratorní zdroj. Pro změření vodivosti si již s běžným laboratorním přístrojem nevystačíme. Hodnoty měřeného proudu se pohybují až do řádu pikoampérů. Na trhu lze pořídit takový přístroj například od firmy Keithley.
Elektrický obvod. Zdroj napětí U, měření
proudu I a organická
molekula uchycená mezi atomy zlata.
Při měření se periodicky můstek trhá a spojuje. Za spojený můstek lze považovat můstek spojený čtyřmi až deseti atomy. Z několikanásobného měření se sestavují histogramy četnosti naměřené vodivosti. Jejich tvary jsou mírou přesnosti měření a z polohy vrcholu se odvozuje výsledná vodivost.
Výroba nejmenšího kontaktu
Pro uchycení základu zlatého můstku se používá fosfor-bronzový plech. Tento materiál se používá pro své vhodné mechanické vlastnosti, zejména pružnost. Protože je elektricky vodivý, je na něm nanesena tenká (100–200 nm) izolační vrstva umělé hmoty (polyimid). Na ni se metodou podobnou, jako se dělají běžné desky plošných spojů, vytvoří základní makroskopický motiv kontaktních ploch a přívodních vodičů. Ty jsou na polyimid naneseny termickým napařením zlata v napařovací komoře, za tlaku zhruba 10–6 torru (10–4 Pa).
Vlastní motiv můstku se doplní pomocí elektronové litografieLitografie – metoda tisku na hladké povrchy, současně metoda úpravy povrchu polovodičů. Speciálním případem je imersní litografie, jejímž základem je odpuzování oleje a vody. Část povrchu média má za pomocí leptání kyselinami implementován do své struktury olej. Při tisku je povrch pokryt vodou, barva rozpustná v oleji přilne jen k leptaným částem. Obdobnou metodou je elektronová litografie, jejíž podstatou je bodový zápis difrakční mikrostruktury (pomocí skenovacího elektronového paprsku). Záznam se provádí do fotorezistu, kde vzniká po expozici a chemickém odleptání reliéfní profil.. K tomuto procesu se dají použít speciálně upravené elektronové mikroskopy. Pomocí svazku elektronů širokého několik nanometrů se osvětlí nanesená fotocitlivá vrstva. Obraz vzniká postupně, řádek po řádku. Osvětlená vrstva se rozpustí ve vývojce a opět se celá destička nechá pokovit 50 nm tlustou vrstvou zlata. Zbývá poslední operace – odstranění přebytečného zlata, které se provede rozpuštěním neosvětlené fotocitlivé vrstvy překryté zlatem.
Jednotlivé fáze přípravy můstku: 1. Fosfor-bronzový plech (žlutá) pokrytý nevodivým polyimidem (zelená), separační vrstvou (růžová) a fotocitlivou vrstvou – fotorezistem (červená). 2. Aplikace elektronové (e-beam) litografie. V praxi se makroskopická část motivu provede optickou litografií pomocí masky. 3. Červený fotorezist se rozpustí ve vývojce a v jiné vývojce se rozpustí separační růžová vrstva. 4. Napaření zlata (fialová). Pouze ta část, která je napařená přímo na polyimidu (zelená), je budoucí můstek. 5. Rozpuštění separační vrstvy odnese i přebytečnou část zlata. 6. Po plazmovém leptání je můstek hotov.
Aby bylo místo, ve kterém chceme můstek přetrhnout, přesně definované, je třeba pod samotným můstkem, a pouze pod ním, odstranit vrstvy izolačního polyimidu. V tzv. plazmatickém leptacím zařízení se za přítomnosti vysokého napětí, kyslíku a dalších plynů odleptá teď již nechráněný polyimid. Protože odleptání postupuje nejen shora dolů, ale částečně i do boků, dojde k podleptání zlatého motivu nejdříve v jeho nejužším místě, tedy právě pod vlastním můstkem.
Hotový můstek při pohledu v elektronovém mikroskopu. Zvětšeno 25000×.
Mechanika
K natažení a následnému přetržení můstku dojde prohnutím destičky. Mechanika musí být dostatečně tuhá a jemná, aby se při prohýbání nepřičítala vlastní pružnost mechanického uchycení. Samostatnou kapitolou je elektrické nakontaktování, aby během celého měření, kdy se mění pozice a úhel kontaktů, nedošlo ke změně elektrických parametrů měřeného obvodu. Nad kontakty je umístěna miniaturní cela, do které je přivedena měřená molekula. K prohnutí destičky dochází postupným vysouváním mikrometrického šroubu, který je poháněn vhodným motorem.
Mechanika s detailem nakontaktované destičky. Zdroj: Basilejská univerzita.
Kompletní zapojení měřicí aparatury, včetně chemické cely.
Zdroj:
Basilejská univerzita.
Popsaná metoda je stále v oblasti základního výzkumu, ale vše nasvědčuje tomu, že tu máme technologii, která by si mohla najít své místo v miniaturizaci elektroniky.
Odkazy
- University of Basel:: Department of Technology
- University of Basel: Nanoelectronics
- Robert Turanský et al.: High quality research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry; Phys. Chem. Chem. Phys. 42 (2010) 13922-13932
- J. Kröger et al.: Single-atom contacts with a scanning tunnelling microscope; New J. Phys. 11 (2009) 125006
- University of Maryland: Department of Physics
