Eletrônica molecular: diferenças entre revisões

Os dispositivos eletrônicos tradicionais enfrentam dificuldades no caminho em direção à miniaturização. Com a diminuição das dimensões dos dispositivos, o número de átomos para a dopagem diminui tanto que se este número se torna algo da ordem de alguns átomos e a distribuição estatística dos átomos traz variações bruscas de voltagens entre diferentes regiões do dispositivo. Também são enfrentados problemas com efeitos quânticos (Efeito Avalanche ou Avalanche ''Breakdown'', Tunelamento, entre outros <ref name="primeira">Xiao-Hong Zhang, Benoit Domercq, Bernard Kippelen – High-performance and electrically stable C60 organic field-effect transistors – Applied Physics Letters – Vol.: 91, 092114</ref>) e com a dissipação de calor. <ref name="segunda">Organic and Inorganic Nanoestructures – Alexei Nabok – Artech House MEMS series – Artech House,INC.</ref>. Um caminho para vencer essas limitações é começar a usar a chamada tecnologia ''bottom-up'', do pequeno para o grande, usando moléculas como dispositivos eletrônicos. As moléculas usadas na Eletrônica Molecular têm dimensões menores que o limite da Eletrônica Tradicional.

Os chamados '''[[nanofios]]''' também podem desempenhar papéis interessantes na Eletrônica Molecular. Nanofios são estruturas unidimensionais: cristais de grande relação comprimento/diâmetro de maneira que seu diâmetro seja aproximadamente até 200&nbsp;nm. Sua estabilidade térmica diminui com a diminuição do raio. Podem ser usados como interruptores optoeletrônicos, por exemplo, um nano fio de ZnO é isolante na ausência de luz. Porém, com a exposição à luz ultravioleta (<math>\lambda < 400 nm</math>), a resistividade diminui de 4 a 6 ordens de grandeza, podendo ser usado como um sensor liga/desliga com base no par condutor/isolante.<ref name="terceira">Semiconductor Nanowires: Functional Building Blocks for Nanotechnology – Haoquan Yan and Peidong Yang – Em The Chemistry of Nanostructured Materials – Editor: Peidong Yong – Publicado por: World Scientific Publishing Co. Pte. Ltd.</ref> Também podem ser usados com a função dos fios tradicionais, na condução de corrente. Outras possibilidades também são exploradas para o uso de moléculas com a função de elementos da eletrônica, como [[Nanotubos de Carbono]] com função de Transistores de Efeito de Campo ([[FET]]), Diodos e Inversores (portal NOT). <ref>Yu Huang,Xiangfeng Duan,Yi Cui, Lincoln J. Lauhon, Kyoung-Ha Kim, Charles M. Lieber - Logic Gates and Computation from Assembled Nanowire Building Blocks - Science 294, 1313 (2001)</ref> Os '''''quantum dots''''' ou '''[[pontos quânticos]]''', também são importantes e têm relação com os nanofios. Em relação à dimensão, os pontos quânticos são nanofios limitados nas três direções. Pontos quânticos também são conhecidos por Nanocristais, por suas dimensões reduzidas, menores que o [[comprimento de onda]] associado a um elétron desse cristal, levando a efeitos quânticos no confinamento do elétron às dimensões do cristal. Seus [[níveis de energia]] são análogos aos níveis discretos de um átomo e por isso, são conhecidos como Átomos Artificiais e não apresentam bandas, como os sólidos, em geral.

O uso de biomoléculas é outro caminho que vem sendo seguido. Moléculas biologicamente ativas podem ser usadas em dispositivos eletrônicos como portais lógicos <ref>Wataru Yoshida and Yohei Yokobayashi – Photonic boolean logic gates based on DNA aptamers – Chem. Commun., 2007, 195–197 – DOI: 10.1039/b613201d</ref>, além de serem auxiliares no diagnóstico de doenças e na manipulação de outras biomoléculas, sendo usadas, por exemplo, na ponta de um Microscópio de força atômica,[[Microscópio de força atômica | MFA]], interagindo fortemente com outras biomoléculas. A construção de “biochips” traz avanço na miniaturização dos dispositivos e na análise de amostras biológicas, sendo um ponto de encontro da Bioquímica e da Eletrônica. <ref>Héctor A. Becerril, Adam T. Woolley Small – DNA Shadow Nanolithography – 20 Aug 2007 – Vol.: 3, Issue 9 , Pages 1534 – 1538 – DOI: 10.1002/smll.200700240 , referência de www.inovacaotecnologica.com.br/noticias/noticia.php?artigo=010165070914</ref>

Para esses grupos de moléculas, existe um tipo de isomeria, a [[Isomeria Topológica]] ([[topoisômeros]]). Os Catenanos são Topoisômeros de seus ciclos não conectados porque não há como formar as unidades separadas sem ter que quebrar uma ligação. Já os Rotaxanos não formam par de isômeros com as unidades separadas já que, abstratamente, as rolhas podem ser deslocadas infinitamente e o sistema se confundir com as unidades separadas. <ref>http://www.s119716185.websitehome.co.uk/home/rotcatintro.html</ref> Para a preparação desses grupos de moléculas, necessitamos do '''[[Reconhecimento Molecular]]'''. O reconhecimento molecular acontece graças às interações intermoleculares, as “interações não-ligadas”. Existem vários tipos de [[interações intermoleculares]], algumas mais fortes: Carga-Carga e Carga-Dipolo, Dipolo-Dipolo, Ligações de Hidrogênio, Interações de London, Interação <math>pi-pi</math>, Transferência de Carga. Graças a essas interações, algumas posições na livre rotação de uma ligação simples são favorecidas possibilitando a síntese de espécies como Catenanos e Rotaxanos.

Outra classe de moléculas muito presente nos trabalhos com Nanotecnologia em geral e com [[Química Supramolecularsupramolecular]], em particular, são os '''[[Fullerenos]]''', ''clusters'' aproximadamente esféricos de Carbono. O mais famoso deles é o C₆₀, com estrutura assemelhada a de uma bola de futebol, mas existem outros aglomerados com mais átomos, como o C₇₀. Já foram usados como FET. <ref name="primeira"/> Outra espécie de Fullereno são os '''[[Nanotubos de Carbono]]'''. Além do Carbono, também existem outros átomos com nanotubos: Boro, Silício, Bismuto, entre outros inorgânicos. São usados de diversas maneiras, como pinças de [[Microscópio de força atômica | MFA]], sensores para telas sensíveis a toque, transporte de eletricidade (nanofios) e como alternativas para elementos da eletrônica. Um Nanotubo de Carbono, que consiste em uma folha de grafita (a folha de grafita é chamada de [[grafeno]]) enrolada formam um tubo, pode ter várias camadas ou apenas uma folha de grafita, dependendo do método de preparação. Num Nanotubo de múltiplas camadas, existem vários tubos dentro de um outro maior e são conhecidos pela sigla MWCN (''Multi-Wall Carbon Nanotubes''). Já os Nanotubos de camada simples são os SWCN (''Single Wall Carbon Nanotubes'').

</ref>), 2- SWCN, 3- Grafeno]]

Todos os Nanotubos que se enrolarem como um (n,n) serão condutores. Quando forem (n,0), podem ser semimetálicos (semicondutores com forte tendência metálica) se n for múltiplo de 3 e semicondutores se não for múltiplo de 3. <ref name="funcionalizacao"/> Outras grandes vantagens dos Nanotubos de Carbono são sua flexibilidade e sua resistência (um SWCN pode possuir [[Módulo de Young]] cinco vezes maior que o aço. <ref> Impacto sobre a Nanociência, I20.2: Nanofios – Peter Atkins e Julio de Paula – Físico-Química, volume 2 – LTC Editora – Oitava Edição – Página 158</ref>)

Os Fullerenos são preparados, principalmente, por aquecimento de Grafita <ref>W. Krätschmer, L. D. Lamb, K. Fostiropoulos, D. R. Huffman, Nature 347, 354 (1990).</ref> e lavagem do eletrodo com Tolueno. A solução é composta por mais de um tipo de Fullereno (composta de 75% de C₆₀, 23% de C₇₀ e 2% de outros compostos <ref>http://www.lubes.com.br/revista/ed04n05.html acessado em 15/11/2008</ref>), sendo preciso uma separação dos componentes. A separação pode ser feita por HPLC (High Performance Liquid Chromatography, isto é, Cromatografia Líquida de Alta Eficiência).

Numa coluna de [[cromatografia]], C₆₀ se eleva primeiro com cor roxa e depois, C₇₀ com cor vermelho-amarronzado. <ref>Purification and Modification of Fullerene C60 in the Undergraduate Laboratory – Tracey Spencer, Barney Yoo e Kent Kirshenbaum – Journal of Chemical Education, 1218 Vol. 83 No. 8, Agosto de 2006</ref> Além do método com descarga elétrica, também foi feita preparação de [[Fullereno]] usando Síntese Orgânica, a partir de um Hidrocarboneto Aromático grande. <ref name="rational" /> Fullerenos também foram preparados contendo algum componente em seu interior, os chamados [[w:en:Endohedral Fullerenes|Endohedral Fullerenes]], Fullereno “Endoédrico”. O primeiro deles foi o La@C₆₀, onde o @ significa at, Lantânio em C₆₀, <ref>J. R. Heath, S. C. O’Brien, Q. Zhang, Y. Liu, R. F. Curl, F. K. Tittel, R. E. Smalley, J. Am. Chem. Soc. 1985, 107, 7779.</ref> mas outros metais também foram incluídos, <ref>http://homepage.mac.com/jschrier/endofullerenes_table.html - conjunto de referências de Endohedral Fullerenes</ref> assim como moléculas. Estes complexos são importantes pela variação nas propriedades do Fullereno, tendo uso potencial, além da Eletrônica, na administração de medicamentos.

[[Nanotubos de Carbono]] podem ser preparados por Descarga Elétrica com Arco Voltaico, Impacto (Ablação) com laser, [[pirólise]], PECVD e métodos [[eletroquímicos]]. O método por vaporização da grafita com laser permitiu a preparação ordenada de Nanotubos de Parede Simples <ref name="vinte">A. Thess, R. Lee, P. Nikolaev, H. Dai, P. Petit, J. Robert, C. Xu, Y.H. Lee, S.G. Kim, A.G. Rinzler, D.T. Colbert, G.E. Scuseria, D. Tomanek, J.E. Fischer, and R.E. Smalley, Science 273,483 (1996).</ref>. No Arco Elétrico, os Nanotubos se formam no eletrodo negativo, alcançando bom rendimento <ref>T.W. Ebbesen and P.M. Ajayan, Nature 358, 220 (1992).</ref>. A adição de nanopartículas de metais catalisa o crescimento de Nanotubos. <ref name="vinte" /> Um importante método é a CVD, Chemical Vapor Deposition, isto é, Deposição Química por Vapor. Esse método, que, além dos Nanotubos, também são usados para a preparação de outros Nanofios, consiste na deposição de uma nanopartícula de um metal num substrato, um metal que catalisa a deposição de vapores contendo Carbono, como [[Hidrocarboneto]]s e sua decomposição para formar Nanotubos. Para este processo, existem máquinas já preparadas, chamadas de Aparelho de CVD.

Para o crescimento de Nanotubos, são necessárias nanopartículas de metais (Ni, Co, Fe, Y, La) saturadas com Carbono que ficam alocadas na superfície de Sílica. Então, são liberados vapores de alguma substância contendo Carbono (Hidrocarbonetos, Álcoois, Monóxido de Carbono) e um gás inerte (Argônio). Os átomos de Carbono vão sendo depositados na “semente” e vão se agrupando, formando o Nanotubo de Camada Simples(“crescimento pela raiz”). O diâmetro, a taxa de crescimento e a quantidade de Nanotubos de Carbono verticalmente alinhados são dependentes do tamanho do catalisador. <ref>Y.C. Choi, Y.M. Shin, Y.H. Lee, B.S. Lee, G.S. Park, W.B. Choi, N.S. Lee, and J.M. Kim, Appl. Phys. Lett. 76, 2367 (2000).</ref> Tem a vantagem de transcorrer a uma temperatura menor, sendo o método mais usado para produção em massa, na indústria.

Na Microscopia de Transmissão, é usado um feixe de elétrons que interage com a amostra e a intensidade do feixe, após ultrapassar a amostra, é analisada. A análise de faz com o auxílio de uma série de lentes que amplificam a imagem. O contraste é feito pelo computador. Esta técnica permite saber a [[quiralidade]], o diâmetro e o número de tubos no caso de um MWCN. Utilizando a MET, foi possível determinar que os Nanotubos produzidos por descarga elétrica não têm a forma de cilindros perfeitos <ref>S. Q. Feng, D. P. Yu,X. F. Zang e Z. Zhang – The HREM observation of cross-section sctructure of carbon nanotubes – J. Phys. Chem. Solids, 58, 11, 1887-1892, 1997.</ref> e que Nanotubos formados pela CVD possuem qualidade menor para serem usados como ponta de MFA por possuírem sua ponta mais irregular. <ref>Thiên-Nga, L., Bornard, J.M., Gáal, R., Forró, L. – Comparison of catalytically grown and arc-discharge carbon nanotubes tips – Appli. Phys. Lett, 80, 5, 850-852, 2002.</ref>

A técnica de SEM é outra técnica de microscopia com elétrons que usa um feixe de alta energia para buscar características sobre o relevo da superfície, sua composição e condutividade. Os sinais analisados na SEM são elétrons emitidos, raios-X característicos, luz, corrente e elétrons transmitidos.

Um método de preparação tradicional de Pontos Quânticos como Nanopartículas Esféricas é a coprecipitação, formando um colóide, levando em consideração a temperatura e produtos de solubilidade. O tamanho pode ser definido pelo poro de [[Zeólito|zeólitas]]. <ref>Hilinski E. F., Lucas P. A. and Wang Y., J. Chem. Phys.89 (1988) pp. 3435</ref>

O crescimento heteroepitaxial de um semimetal sobre um filme de outro semimetal com discrepância de [[Rede_de_BravaisRede de Bravais#Par.C3.A2metros_caracterizadores_das_redesA2metros caracterizadores das redes|parâmetro de rede]] razoável (materiais descasados) produz uma tensão na rede, levando à formação de “ilhas” nanométricas, formando Pontos Quânticos. Pontos Quânticos podem, ainda, serem criados a partir de [[Semicondutor#Po.C3.A7os.2C_fios_e_pontos_qu2C fios e pontos qu.C3.A2nticos|Poços Quânticos]] (“sanduíches” de dois materiais descasados) e limitação lateral por fotolitografia e/ou ataque químico com mascaramento, restando apenas os Pontos Quânticos e o substrato, como na construção de um circuito integrado tradicional.

Nessa evolução, ainda são necessárias a construção de plataformas mais ousadas e a entrada no mundo comercial. Atualmente, a moletrônica já está sendo usada em conjunto com a microeletrônica. Ainda existem dificuldades a superar. Além disso, é preciso acompanhar os impactos no ambiente e na saúde, e solucionar esses impactos, num trabalho preventivo, evitando que se tenha que remediar – ou conviver com um problema – no futuro.