Moơt sô cođng trình veă đieơn tử phađn tử đã nghieđn cứu cách táo các giêng thê baỉng các phađn tử và câu trúc sieđu phađn tử đeơ giữ các đieơn tử linh đoơng cụa phađn tử hình thành chuyeơn mách. Trong đó, hieơu ứng đường haăm được đieău khieơn baỉng đieơn trường hay hieơu ứng chuyeơn mách đơn đieơn tử.
Trong Hình 1.18, moơt giêng lượng tử được gaĩn vào moơt dađy phađn tư ûvà hai beđn là rào thê CH2 làm gãy chuoêi các quỹ đáo kêt hợp hình π. Câu trúc đó có theơ táo neđn RTD hay RTT.
Hình 1.18: Câu trúc và cơ chê cụa RTD phađn tử 1.2.4.5. Linh kieơn chuyeơn mách và khuêch đái cơ đieơn tử phađn tử
Những linh kieơn chuyeơn mách cơ đieơn tử phađn tử khođng giông với các transistor vi đieơn tử cũng như các linh kieơn phađn tử mà ta khạo sát trước đađy. Chúng được đieău khieơn baỉng cách làm biên dáng hoaịc định hướng lái moơt phađn
tử. Tác đoơng lôi vào có theơ là cơ hĩc hơn là đieơn đeơ đóng hoaịc mở dòng giữa hai dađy.
Joachim và Gimzewski đã đo đoơ dăn cụa moơt sợi nhỏ được giữ giữa đaău kính hieơn vi đường haăm quét (Scanning Tunneling Microscopy, STM) và maịt dăn đieơn. Vieơc ân mánh đaău STM xuông sẽ làm biên dáng sợi và đoơ dăn có tính chât coơng hưởng. Biên dáng có tính thuaơn nghịch và đó là moơt cách đo cường đoơ và sự biên dáng đàn hoăi cụa ông cacbon. Maịc dù khođng theơ áp dúng khuêch đái cơ đieơn tử vào chip máy tính nhưng có theơ coi nó như moơt coơng áp đieơn nanođ trong các ứng dúng khác.
1.2.4.6. Rơle phađn tử
Moơt linh kieơn hai tráng thái đóng / ngaĩt tin caơy hơn dựa tređn chuyeơn đoơng quay cụa moơt nhóm phađn tử. Hình 1.19 trình bày sơ đoă nguyeđn lý cụa rơle. Đieơn trường gaăn coơng có theơ buoơc nguyeđn tử chuyeơn mách quay vào (đóng) hoaịc ra khỏi dađy (ngaĩt). Vân đeă là đieău khieơn góc quay thích hợp đeơ dừng nguyeđn tử ở vị trí oơn định tương ứng với tráng thái đóng / ngaĩt.
Phađn tử quay thực hieơn chuyeơn mách khaĩc phúc được sự bôc hơi cụa nguyeđn tử chuyeơn mách linh đoơng. Phađn tử quay trong rơle có theơ nhanh hơn nhưng cũng
nháy hơn với nhieêu lốn naíng lượng do dại chuyeơn đoơng giữa các vị trí chuyeơn mách nhỏ. Rơle phađn tử có theơ làm vieơc tái taăn sô hàng GHz. Taăn sô này thâp hơn chuyeơn mách nguyeđn tử nhưng hốt đoơng tin caơy hơn.
Các lối chuyeơn mách neđu tređn còn rât mới mẹ neđn có nhieău vân đeă chưa được giại quyêt lieđn quan đên hốt đoơng và ứng dúng cụa chúng. Maịc dù vaơy, vieơc chê táo chuyeơn mách phađn tử có đoơ tin caơy cao nhaỉm hướng tới các máy tính thang phađn tử văn đang được nhieău nhóm nghieđn cứu quan tađm.
1.2.4.7. Điođt phađn tử
Vào naím 1974 Aviram và Ratner đã mođ tạ linh kieơn HME như moơt phađn tử ở giữa caịp các đieơn cực thực hieơn chức naíng cụa moơt chưnh lưu. Nguyeđn taĩc làm vieơc cụa linh kieơn dựa tređn sự khác nhau veă mức naíng lượng trong hai heơ thông π “cho” và “nhaơn” tách bieơt như trong Hình 1.20. Tređn heơ thông phađn tử π cụa
chât cho và chât nhaơn được tách bieơt baỉng moơt vùng đeơm duy trì sự khác nhau veă naíng lượng cụa cạ hai heơ thông π. Đieơn tử được phép dịch chuyeơn tới moơt mức nhât định và linh kieơn dăn đieơn theo moơt chieău.
1.2.4.8. Chuyeơn mách và yêu tô nhớ
Có những lối phađn tử oơn định trong hai tráng thái khác nhau. Vì thê các tính chât vaơt lý như đoơ dăn sẽ khác nhau đôi với hai tráng thái này. Nêu sự khác nhau này veă đoơ dăn là đụ cao, những phađn tử này có theơ được sử dúng như
những yêu tô nhớ phađn tử nêu đieău khieơn địa chư và chuyeơn mách phađn tử được thực hieơn. Hình 1.21 minh hĩa moơt sô khạ naíng cụa những chuyeơn mách phađn tử như thê. Hình 1.21(a) quá trình giạm ođxy hoá (redox) làm thay đoơi giữa các nhóm nhaơn / cho cụa moơt phađn tử trước và sau khi bị ion hoá. (b) thay đoơi câu hình qua moơt phạn ứng phađn bô lái thuaơn nghịch. (c) sự thay đoơi hình dáng thành
moơt kieơu khác và oơn định tái nhieơt đoơ làm vieơc cụa yêu tô nhớ được thiêt kê. (d) các tráng thái kích thích đieơn nêu thời gian sông cụa tráng thái đó là đụ cao. (e) tráng thái mođmen từ spin như axetat Mn. Chuyeơn mách phađn tử có theơ được phađn lối baỉng:
• Tác nhađn kích thích khởi phát chuyeơn mách. • Tính chât hay chức naíng được chuyeơn mách.
Thođng thường ánh sáng hay thođng sô hoá hĩc (như đoơ pH chẳng hán) được sử dúng như các boơ khởi phát và tính chât chuyeơn mách thường là đaịc tính noơi baơt veă câu trúc.
1.2.4.9. Linh kieơn ba chađn
Có theơ táo neđn moơt phađn tử với ba nhánh, được tiêp xúc đoơc laơp với nhau baỉng ba đaău. Trong linh kieơn phađn tử lai (HME), đaịt đaău thứ ba tương đôi xa - chođn trong neăn - khođng tiêp xúc với phađn tử nhưng có theơ thay đoơi thê tĩnh đieơn trong phađn tử baỉng các hieơu ứng trường.
Moơt tiêp caơn hoàn toàn khác đã được báo cáo trong tài lieơu tham khạo [11]. Các phađn tử C60 được laĩng đĩng tređn moơt giá kim lối và được phát hieơn baỉng STM. Sau khi lây ạnh beă maịt và phát hieơn nơi mà C60 có theơ được tìm thây, đaău kim được sử dúng đeơ nén đoăng thời C60 và đo đoơ dăn (Hình 1.22). Tuy chư có hai cực (đaău và maịt) là hieơn hữu, lực cơ hĩc tređn đaău đã boơ sung moơt thođng sô thứ ba. Ta có theơ chư ra raỉng, đoơ dăn có theơ được đieău chưnh baỉng hai baơc đoơ lớn tređn nanođ newton. Bô trí này có theơ khuêch đái cođng suât hay khođng đôi với tín hieơu phú thuoơc vào sự phát trieơn heơ thông cơ đieơn tử nanođ được sử dúng đeơ gađy ra lực này.
1.2.4.10. Linh kieơn màng đơn phađn tử
Màng phađn tử theo yeđu caău có theơ được làm baỉng moơt sô kỹ thuaơt khác nhau như kỹ thuaơt tự kêt hợp, kỹ thuaơt laĩng đĩng, bôc hơi hay màng Langmuir – Blodget (LB). Moơt sô linh kieơn dựa tređn màng phađn tử có nhieău tính chât vaơt lý như chưnh lưu, đoơ dăn vi phađn ađm, yêu toẩ nhớ và chuyeơn mách đóng / ngaĩt đã được đeă nghị. Moơt trong các ví dú noơi baơt đaău tieđn cụa linh kieơn dựa tređn màng phađn tử là hieơn thực hóa nguyeđn taĩc chưnh lưu được tieđn đoán trong những naím bạy mươi và được chứng minh vào naím 1990 [26]. Moơt màng phađn tử LB bao
Hình 1.23: a) Sơ đoă cụa linh kieơn chưnh lưu dựa tređn màng LB phađn tử; b) đường cong I-V cụa lớp đơn LB chư thị đaịc trưng chưnh lưu
goăm moơt heơ thông π giàu đieơn tử như chât cho D lieđn kêt với moơt heơ thông π nghèo đieơn tử như chât nhaơn A được lieđn kêt với đuođi alkyl dài và kép vào giữa hai đieơn cực (Hình 1.23a). Đoơ dăn khác nhau rât rõ reơt phú thuoơc vào phađn cực cụa đieơn thê áp vào màng LB đã được nghieđn cứu baỉng lý thuyêt [21] và chư ra baỉng thực nghieơm (Hình 1.23b) [29], [30]. Thieđn áp ađm tái maịt chât nhaơn khởi phát truyeăn đieơn tử trong phađn tử từ maịt A tới maịt D như các bước ban đaău cụa quá trình dăn. Kêt quạ được chứng minh moơt cách ân tượng và tieăm naíng cụa màng phađn tử như là linh kieơn đieơn tử.
Trong khi điođt phađn tử và transistor phađn tử đang là những mău lý thuyêt thì moơt sô cođng trình nghieđn cứu trong những naím gaăn đađy đã dùng chúng đeơ thiêt kê những lođgic cơ bạn [15], [17]. Hình 1.24 là moơt ví dú đieơn hình. Ở đađy, dađy phađn tử đóng vai trò truyeăn tín hieơu và câp nguoăn, vaơt lieơu Vàng (Au) làm các nút lieđn kêt các nhánh thành phaăn mách. Trong quá trình hốt đoơng, tùy theo tráng thái cụa RTT và RTD1, RTD2 mà nút Vàng còn có vai trò tích trử naíng lượng như moơt yêu tô nhớ.
1.2.4.11. Vân đeă đieơn cực và tiêp xúc trong đieơn tử phađn tử
Moơt yeđu caău cơ bạn đôi với đieơn tử phađn tử là nôi phađn tử này với thê giới beđn ngoài. Nêu muôn đieău khieơn dòng qua các phađn tử rieđng bieơt, ta caăn moơt caịp đieơn cực với khoạng cách nanođmét đeơ tiêp xúc chúng. Phađn tử được nôi chaịt với đieơn cực có tính chât rât khác với phađn tử ở trong. Hai cách nôi cơ bạn được phađn bieơt bởi: lieđn kêt đoăng hoá trị hay tương tác van der Waals.
Lieđn kêt đoăng hoá trị thường được sử dúng là lieđn kêt giữa nhóm phađn tử lưu huỳnh với vàng. Vàng có ưu đieơm là khođng bị oxi hóa. Moơt lieđn kêt khác như Se-Au hoaịc S-Ag đã được phát hieơn như là thành vieđn cụa gia đình này. Lieđn kêt đoăng hoá trị dăn tới vieơc nôi đieơn trở và khá oơn định veă maịt cơ hĩc giữa phađn tử và neăn. Tương tác van der Waals hốt đoơng đaịc bieơt giữa màng Langmuir – Blodget (LB) cụa chât béo (lipophile) hữu cơ và neăn phẳng. Kỹ thuaơt này dăn tới các màng được toơ chức rât tôt và có ưu đieơm veă tính đa dáng neăn.
Các lối tiêp xúc khác nhau tương ứng với cơ chê chuyeơn dời đieơn tử khác nhau. Xét moơt phađn tử được nôi với moơt đieơn cực vàng. Nêu khoạng cách tới beă maịt kim lối là rât ngaĩn (cỡ đoơ dài lieđn kêt), các quỹ đáo dăn beđn trong và tráng thái đieơn tử kim lối beđn ngoài phụ leđn moơt phám vi nhât định. Đieău này thu được sự lai cụa hàm sóng mở roơng beđn trong và beđn ngoài và do đó hàm sóng đieơn tử khođng được định vị chung sẽ mở roơng leđn toàn tiêp xúc.
Nêu khoạng cách được chĩn lớn hơn hay các phađn tử dăn toăi, hàm sóng beđn trong và beđn ngoài khođng phụ nhau. Trường hợp này tương ứng với các màng LB. Chuyeơn dời cụa đieơn tử khi đó có theơ được hình dung tôt hơn khi các hát xuyeđn haăm từ moơt đieơn cực vào phađn tử và sau moơt thời gian dừng ngaĩn, xuyeđn haăm tới đieơn cực đôi dieơn. Trong trường hợp này, trở kháng tređn phađn tử đang xét là lớn hơn.
Các tiêp xúc đơn phađn tử đã được phát hieơn baỉng kỹ thuaơt STM tređn beă maịt và baỉng kỹ thuaơt tiêp xúc đứt gãy đieău khieơn được baỉng cơ hĩc. Người ta đã chứng minh được tính chât đieơn tử cụa linh kieơn phú thuoơc nhieău vào vieơc chĩn các phađn tử thích hợp. Tuy nhieđn, những tính chât cụa tiêp xúc phú thuoơc mánh vào vaơt lieơu cụa đieơn cực, hình dáng cụa nó và lieđn kêt hoá hĩc giữa các phađn tử. Trong khi vieơc giạm nhỏ kích thước mách đieơn tử đang tiêp dieên thì vieơc nghieđn cứu sử dúng các phađn tử hay nguyeđn tử trong mách đieơn tử là hướng đi đúng maịc dù còn nhieău khó nhaín. Khái nieơm veă đieơn tử phađn tử chư ra khạ naíng noơi baơt trong tương lai cụa cođng ngheơ thođng tin vì maơt đoơ cao nhât cụa các chức naíng lođgic và nhớ, giá thành sạn xuât thâp, cođng suât tieđu thú thâp. Các cođng trình nghieđn cứu cạ lý thuyêt và thực nghieơm văn đang được tiêp túc. Tác giạ sẽ giại quyêt moơt cách cú theơ hơn cạ veă cơ sở lý thuyêt và câu táo transistor phađn tử hieơu ứng trường sử dúng moơt vòng benzene lieđn kêt với các nguyeđn tô thuoơc nhóm Halogen. Đađy là tieăn đeă rât quan trĩng cho các bước nghieđn cứu tiêp theo veă maịt cođng ngheơ đeơ linh kieơn sớm ứng dúng vào thực tê.
1.2.5. Transistor phađn tử
1.2.5.1. Moơt sô nghieđn cứu đieơn hình veă transistor phađn tử a. Hai mođ hình transistor phađn tử a. Hai mođ hình transistor phađn tử
Haău hêt các nghieđn cứu đã cođng bô, xađy dựng mođ hình transistor có phađn tử làm keđnh dăn tiêp xúc với hai đieơn cực baỉng các lieđn kêt đoăng hóa trị. Tuy nhieđn, giữa keđnh dẫn với cực đieău khieơn thì có hai phương án khác nhau.
- Phương án thứ nhât, keđnh dăn lieđn kêt trực tiêp với cực đieău khieơn.
- Phương án thứ hai, keđnh dăn cách ly với cực đieău khieơn baỉng moơt lớp cách đieơn giông như MOSFET. Các nghieđn cứu thường chĩn lớp cách đieơn baỉng vaơt lieơu SiO2 như trong cođng ngheơ bán dăn khôi truyeăn thông.
Đieơn hình cho phương án thứ nhât là nghieđn cứu cụa nhóm tác giạ David M. Cardamone, Charles A. Stafford, and Sumit Mazumdar cođng bô naím 2006 tređn táp chí Nano letters (Hình 1.25) [13]. Baỉng phương pháp Hàm Green khođng cađn baỉng, các tác giạ đã xác định được đaịc trưng I-V với đieơn áp nguoăn nuođi V32 từ – 2 V đên + 5 V và đieơn áp đieău khieơn V12 từ 0. 25 V đên 1 V (Hình 1.25 d). Nguoăn nuođi lớn (5 V) và cođng thức câu táo như Hình 1.25a) là những vân đeă caăn được tiêp túc nghieđn cứu veă tính khạ thi cụa transistor này.
Đieơn hình cho phương án thứ hai là nghieđn cứu cụa nhóm tác giạ Prashant Damle, Titash Rakshit, Magnus Paulsson và Supriyo Datta cođng bô naím 2002 tređn táp chí IEEE transactions on nanotechnology [24]. Nghieđn cứu này là moơt phaăn trong luaơn án tiên sỹ cụa Prashant Damle bạo veơ vào naím 2003 tái Purdue
Hình 1.25: a) mođ phỏng transistor phađn tử có keđnh dăn tiêp xúc với cực đieău khieơn. b) moơt vòng benzene trong keđnh dăn. c) xác suât truyeăn đieơn tử theo mức
University với nhan đeă “Nanoscale device modeling: from MOSFET molecules” [25].
Mođ hình transistor phađn tử cụa Prashant Damle có dáng như MOSFET ở bán dăn khôi. Keđnh dăn là phađn tử Phenyl Dithiol (viêt taĩt là PDT), PDT – 2H, 3Au + PDT + 3Au, PDT – 2H + Σ. Hai đieơn cực D và S tiêp xúc với phađn tử làm keđnh dăn baỉng các lieđn kêt đoăng hóa trị. Cực đieău khieơn G cách ly với keđnh dăn bởi moơt lớp SiO2. Nguyeđn tử Lưu huỳnh (Sulfur – S) ở nhóm 6 trong Bạng tuaăn hoàn. Moêi nguyeđn tử Lưu huỳnh trong phađn tử lieđn kêt với ba nguyeđn tử Vàng ở đieơn cực như mău transistor neđu ra trong Hình 1.26a). Như vaơy, văn còn nhieău vân đeă caăn tiếp tục nghiín cứu đeơ linh kieơn này đi vào thực tê.
Hình 1.26: a) mođ phỏng transistor phađn tử có keđnh dăn cách ly với cực đieău khieơn. b) maơt đoơ tráng thái theo naíng lượng. c) đaịc tuyên I – V khi phađn cực ađm
b. Hai phương pháp tính toán đeơ vẽ đaịc trưng I - V
Những nghieđn cứu dùng phương pháp hàm Green khođng cađn baỉng (Non- equilibrium Green’s Function – NEGF) đeơ vẽ đaịc trưng I – V cụa transistor phađn tử có theơ cho cùng kêt quạ khi keđnh dăn là phađn tử cụa cùng moơt chât nhưng có cođng thức câu táo khác nhau. Trong thực tê, cùng moơt cođng thức phađn tử C6H4S2 sẽ có 5 cođng thức câu táo khác nhau (Hình 1.27) tương ứng với kích thước và tham sô naíng lượng khác nhau [35].
Moơt cách khác đeơ vẽ được hĩ đaịc trưng cụa transistor phađn tử có teđn gĩi là “Phương pháp trường tự tương tích” (Self-consistent field - SCF - method).
Hình 1.27: Moơt cođng thức phađn tử C6H4S2 có theơ toăn tái 5 cođng thức câu táo khác nhau [30]
Phương pháp SCF caăn biêt trước các tham sô naíng lượng và kích thước cụa phađn tử làm keđnh dăn đeơ nhaơp vào chương trình tính dòng IDS. Thuaơt toán vòng laịp trong chương trình máy tính sẽ xác định quá trình chuyeơn naíng lượng cụa keđnh dăn sang moơt mức mới khi thay đoơi sô đieơn tử trong keđnh thođng qua thê đieău khieơn VG và nguoăn nuođi VD. Có theơ sử dúng moơt phương pháp tính toán đoơc laơp đeơ xác định các tham sô naíng lượng và kích thước ở tráng thái ban đaău cụa phađn tử có câu trúc cú theơ làm keđnh dăn (phaăm meăm hóa hĩc chẳng hán). Như vaơy, cùng moơt phađn tử cụa hợp chât nhưng cođng thức câu táo khác nhau khi làm keđnh dăn sẽ có hieơu ứng transistor khác nhau. Chính vì vaơy, luaơn án này sẽ chĩn phaăn meăm hóa hĩc CAChe đeơ thiêt kê các phađn tử và tính các tham sô naíng lượng cụa chúng, Từ đó sẽ tính được dòng IDS và vẽ đaịc trưng I – V baỉíng phương pháp