Tecnología de transistores moleculares. Incidencia en la ingeniería mecatrónica

Abstract

Tecnología de Transistores Moleculares. Incidencia en la Ingeniería Mecatrónica. La invención del microscopio electrónico de barrido (STM) nos introdujo en una nueva era tecnológica, en la que no sólo somos capaces de observar directamente los átomos que conforman los materiales, sino también manipular y construir nanomaquinaria átomo por átomo. Con el desarrolló exponencial de la nanotecnología, vemos que ideas y conceptos como nano-maquinaria o nano-robots, que alguna vez pertenecieron exclusivamente al terreno de la ciencia ficción, se vuelven una realidad cada vez más cercana. Lo que últimamente dictaminará el grado de complejidad de los dispositivos electrónicos y maquinarias (de tamaño molecular) que se fabrique, será nuestra capacidad de poder ejercer control automático en el reino molecular, de la misma manera que hemos sido capaces de hacerlo en el mundo macroscópico. La primera etapa en querer controlar una planta es comprender y resolver las ecuaciones fundamentales que rigen su dinámica, lo cual que constituye el objetivo del presente trabajo. El reino molecular, el movimiento mecánico de los electrones dictamina las características de los dispositivos electrónicos, a su vez la distribución electrónica genera las fuerzas que dictan el movimiento mecánico de la nano-maquinaria; las definiciones clásicas de electrónica o mecánica se diluyen. Es decir, no existe diferencia entre el funcionamiento de un dispositivo electrónico (por ejemplo, transistor molecular) o de una maquinaria mecánica (por ejemplo, nano-robots); ambos constituyen el mismo problema, regidos por la misma ecuación fundamental. En la actualidad, los dispositivos electrónicos, tanto circuitos lógicos como circuitos de almacenamiento son construidos en base a unidades biestables mínimas capaces de almacenar información binaria. La electrónica molecular propone el uso de moléculas individuales—con dos estados de conductancia eléctrica bien diferenciados—como unidades biestables en base a la cual se puedan implementar dispositivos electrónicos más complejos. La conductancia eléctrica de una molécula aislada varía sensiblemente con el tipo y forma de los contactos que se conectan a la molécula para realizar la medición eléctrica. El objetivo del presente trabajo es determinar las características eléctricas de varias uniones moleculares, las cuales han sido propuestas recientemente en la comunidad científica como solución alternativa al problema de la miniaturización del transistor. Se ha pronosticado que el fin de dicha era ocurrirá dentro de la siguiente década. Una unión molecular está conformada por la molécula y los contactos. Específicamente, el interés está puesto en determinar si información binaria (“0” o “1”) puede ser codificada en los estados de baja y alta conductancia, respectivamente, de las uniones moleculares. Primero se determina estructura electrónica de la molécula individual usando los principios de la mecánica quántica. Luego, los estados electrónicos continuos de los contactos, originados debido a su naturaleza semi-infinita, son obtenidos resolviendo la ecuación de Schrödinger con condiciones de frontera periódicas. El transporte de electrones a través de la unión se calcula basado en una interpretación atomística del formalismo de Landauer para el transporte coherente de electrones; en este paso se utiliza la información obtenida de la molécula y de los contactos semi-infinitos. Uniones del tipo metal-molécula-metal y metal-molécula-semiconductor son estudiadas. La molécula utilizada es un oligo(phenylene ethynylene), la cual es compuesta por tres anillos bencénicos interconectados en serie con un grupo NO2 dentro del anillo intermedio; esta molécula será referida en adelante como la molécula “nitroOPE”. El oro y nano tubos de carbono (CNT) metálicos son evaluados como contactos. Los resultados demuestran que los dos estados con conductancia bien diferenciada que buscamos (“ON” y “OFF”) pueden ser obtenidos realizando cambios en la conformación geométrica de las uniones moleculares. Alternativamente, cambios en la carga eléctrica de la unión también producen cambios entre estados biestables de conductancia. El estado de alta conductancia corresponde a la conformación donde todos los anillos bencénicos del nitroOPE están coplanares. Rotando el anillo bencénico intermedio, perpendicular a los otros dos, se llega al estado de baja conductancia. Similarmente, las ensambladuras negativamente cargados (anión, dianión) exhiben mucha menor conductancia que sus contrapartes neutrales. En el Capítulo 2 se calcula las propiedades electrónicas de sistemas moleculares genéricos. Específicamente, nos enfocamos en dos tipos de sistemas moleculares: finitos e infinitos. El estudio de sistemas finitos nos permite calcular las propiedades de la molécula nitroOPE, que está compuesta por un número finito de átomos. Los contactos que conforman la unión molecular se modelan como materiales cristalinos (infinitos) cuya distribución continua de estados electrónicos se obtiene mediante cálculos mecánico-cuánticos con condiciones de frontera periódicas. Más adelante en este capítulo se describe el formalismo matemático necesario para incorporar el efecto que producen los contactos semi-infinitos en los estados electrónicos discretos de la molécula, asentando así la teoría necesaria para describir las uniones contacto-molécula-contacto. En el Capítulo 3 explicamos nuestra implementación atomística del “formalismo de Landauer para el transporte coherente de electrones” para calcular la corriente a través de dispositivos moleculares contacto-molécula-contacto. Luego, en el Capítulo 4 se hace uso de dicha implantación genérica para el estudio específico de la conducción eléctrica a través de uniones moleculares del tipo metal-moléculametal. Los cambios en la conductancia de la molécula de nitroOPE debido a cambios en la conformación y carga eléctrica se analizan. Oro y el CNT (4,4) se somete a prueba como posibles contactos metálicos. En el Capítulo 5 discutimos el transporte de electrón en uniones del tipo metalmolécula- semiconductor. El silicio es utilizado como contacto semiconductor y oro o el CNT (4,4) como contacto metálico. Estudiamos la viabilidad de obtener estados de alta y baja conductancia de estas uniones produciendo los cambios en la geometría y la carga eléctrica. Los cambios en la conductancia se explican analizando los orbitales moleculares y la distribución espacial del potencial electro-estático. El Capítulo 6 es una presentación descriptiva de cómo la tecnología descrita en los capítulos anteriores es aplicable a la ingeniería mecatrónica, explícitamente, al control de nano-robots y nano-maquinaria. Debido a las dimensiones atomísticas, intrínsicas al presente trabajo, se optó por el uso de unidades más apropiadas como kilocalorías (1 kcal/mol = 6.947698 x 10-21 J) y electrón-Voltions (1 eV = 1.602177 x 10-18 J) para energías y Angstroms (1 Å = 10- 10 m) para longitudes. Quiero agradecer al Ing. Freedy Sotelo Valer, mi asesor principal, por todo el tiempo y dedicación en la revisión del presente trabajo. Agradezco sus pautas, sugerencias y apoyo a través de todo mi proceso de titulación profesional. Agradezco al Dr. Jorge M. Seminario y a la Dra. Hai-Ping Cheng, por su supervisión y los recursos brindados dentro de sus respectivos grupos de investigación en la Texas A&M University y la University of Florida. Elementos indispensables que permitieron la realización del presente trabajo. También quiero dar gracias a los miembros del grupo de investigación del Dr. Seminario, los cuales contribuyeron a mi entendimiento de los fenómenos nanoscópicos a través de fructíferas discusiones y de sus innumerables enseñanzas, tanto en el aspecto teórico (Dr. Liuming Yan, Dr. Pedro Derosa, Dr. Juan Sotelo, y Dr. Agustín Zúñiga) como en el experimental (Dr. Francisco Zuno y Dr. Gloria Sánchez). Quiero agradecer a todos los miembros de mi familia por su apoyo durante todos mis años de escuela.