分子エレクトロニクス

分子エレクトロニクスは、電子部品の製造のための分子構成要素の研究と応用です。これは物理学、化学、材料科学にまたがる学際的な分野です。統一的な特徴は、電子部品の製造に分子構成要素を使用することです。分子レベルの特性制御によって電子機器のサイズを縮小できる可能性があるため、分子エレクトロニクスは大きな注目を集めています。これは、従来の小規模シリコン集積回路の予測限界を超えてムーアの法則を拡張する潜在的な手段を提供します。^[1]

分子スケールエレクトロニクスは、単一分子エレクトロニクスとも呼ばれ、単一分子、または単一分子のナノスケールの集合を電子部品として使用するナノテクノロジーの分野です。単一分子は可能な限り最小の安定した構造を構成するため、この小型化は電気回路を縮小するための究極の目標です。

従来の電子デバイスは、伝統的にバルク材料から作られている。バルク法には固有の限界があり、要求が厳しくなり、コストも高くなってきている。そこで、バルク材料から部品を削り出す（トップダウン）のではなく、化学実験室で原子ごとに部品を組み立てる（ボトムアップ）というアイデアが生まれた。単分子エレクトロニクスでは、バルク材料が単一分子に置き換えられる。つまり、パターンの足場の後に材料を除去または適用して構造を作成するのではなく、化学実験室で原子が組み立てられる。使用される分子は、ワイヤ、トランジスタ、整流器などの従来の電子部品に似た特性を持つ。分子を従来の電子部品として使用するというこの概念は、1974年にアビラムとラトナーによって初めて提示され、彼らは互いに絶縁されたドナーサイトとアクセプターサイトで構成される理論的な分子整流器を提案した。^[2]

単分子エレクトロニクスは新興分野であり、分子サイズの化合物のみで構成された電子回路全体が実現するのはまだ遠い先の話です。しかし、コンピューティング能力の向上に対する継続的な要求と、現在のリソグラフィー方法に固有の限界を考えると、この移行は避けられないものと思われます。現在、焦点は興味深い特性を持つ分子を発見することと、分子成分と電極のバルク材料との間で信頼性が高く再現可能な接触を得る方法を見つけることに置かれています。

分子エレクトロニクスは、100 ナノメートル未満の距離で動作します。単一分子まで小型化することで、量子力学の効果が重要になる領域までスケールが縮小されます。従来の電子部品の場合とは対照的に、電子は電荷の連続的な流れのように充填または引き出されますが、単一電子の移動はシステムを大幅に変更します。充電による大量のエネルギーは、セットアップの電子特性を計算する際に考慮する必要があり、近くの導電性表面までの距離に非常に敏感です。

単一分子を測定する際の最大の問題の一つは、電極をショートカットすることなく、たった一つの分子と再現性のある電気的接触を確立することです。現在のフォトリソグラフィー技術では、試験する分子の両端に接触するのに十分なほど小さい電極ギャップ（ナノメートルのオーダー）を作ることができないため、代替戦略が用いられます。これには、ブレークジャンクションと呼ばれる分子サイズのギャップが含まれます。ブレークジャンクションでは、薄い電極が破断するまで引き伸ばされます。ギャップサイズの問題を克服する方法の一つは、分子機能化ナノ粒子を捕捉し（ナノ粒子間の間隔は分子のサイズに合わせることができます）、その後、位置交換反応によって分子を標的とすることです。^[3]

別の方法としては、走査トンネル顕微鏡（STM）の先端を使用して、もう一方の端に付着した分子を金属基板に接触させる方法があります。^{[4]分子を電極に固定する別の一般的な方法は、}硫黄の金に対する高い化学親和性を利用することです。便利ではありますが、固定は非特異的であるため、分子はすべての金表面にランダムに固定され、接触抵抗は固定部位の周囲の正確な原子形状に大きく依存するため、接続の再現性が本質的に損なわれます。後者の問題を回避するために、硫黄の代わりにフラーレンを使用するのが良い候補となることが実験で示されています。これは、大きな共役πシステムがあり、硫黄原子1個よりも多くの原子に一度に電気的に接触できるためです。^[5]

金属電極から半導体電極への移行により、よりカスタマイズされた特性が可能になり、より興味深い用途が可能になります。半導体のみの電極を使用して有機分子を接触させる概念がいくつかあります。たとえば、分子によって橋渡しされる電子バリアとして使用される、より広いバンドギャップ材料であるリン化インジウムの埋め込みセグメントを備えたヒ化インジウム ナノワイヤを使用します。 ^[6]

単一分子エレクトロニクスを商業的に活用する上で最大の障害の 1 つは、分子サイズの回路をバルク電極に接続して再現性のある結果を得る手段がないことです。また、単一分子の測定の一部は絶対零度に近い極低温で行われるため、非常に多くのエネルギーを消費するという問題もあります。

分子エレクトロニクスが歴史上初めて言及されたのは1956年、ドイツの物理学者アーサー・フォン・ヒッペル^[7]によるもので、彼は既成の材料を使うのではなく、原子や分子からエレクトロニクスを開発するというボトムアップの手順を提案し、このアイデアを分子工学と名付けました。しかし、この分野における最初のブレークスルーは、1974年のアビラムとラトナーの論文であると多くの人は考えています。^[2]この「分子整流器」と名付けられた論文で、彼らは、基本的に半導体ダイオードのように、一方向のみの輸送を可能にするドナーアクセプター基を持つ改変された電荷移動分子を通る輸送の理論計算を発表しました。これは分子エレクトロニクスの分野での長年の研究に影響を与えたブレークスルーでした。

導電性ポリマーの最大の利点は、主に分散による加工性です。導電性ポリマーはプラスチックではなく、熱成形できませんが、（絶縁）ポリマーと同様に有機ポリマーです。導電性ポリマーは高い電気伝導性を提供しますが、他の市販のポリマーとは異なる機械的特性を持っています。電気特性は、有機合成法^{[8]と高度な分散法[9]}を使用して微調整できます。

ポリアセチレン、ポリピロール、ポリアニリンなどの直鎖ポリマーは導電性ポリマーの主なクラスです。ポリ（3-アルキルチオフェン）は太陽電池やトランジスタの典型的な材料です。^[8]

導電性ポリマーは、連続した sp ²混成炭素中心の骨格を持っています。各中心の 1 つの価電子は、他の 3 つのシグマ結合と直交する ap _z軌道にあります。これらの非局在化軌道の電子は、材料が酸化によってドープされると、高い移動度を持ちます。酸化により、これらの非局在化電子の一部が除去されます。したがって、共役p 軌道は 1 次元の電子バンドを形成し、このバンドが部分的に空になると、このバンド内の電子は移動可能になります。徹底的な研究にもかかわらず、形態、鎖構造、および導電性の関係はまだ十分に理解されていません。^[10]

導電性ポリマーは加工性が悪いため、大規模な用途はほとんどありません。帯電防止材料としての用途が期待されており^[8]、市販のディスプレイやバッテリーに組み込まれていますが、製造コスト、材料の不一致、毒性、溶媒への溶解性の低さ、直接溶融処理ができないなどの理由で限界があります。しかし、導電性ポリマーは、より優れた電気的および物理的特性と低コストで加工可能な材料が増えていることから、新しい用途で急速に注目を集めています。安定した再現性のある分散液が利用できるようになったことで、ポリ (3,4-エチレンジオキシチオフェン) (PEDOT) とポリアニリンは大規模な用途を獲得しました。PEDOT は主に帯電防止用途で使用され、PEDOT とポリスチレンスルホン酸(PSS、混合形式: PEDOT:PSS) 分散液の形で透明導電層として使用されますが、ポリアニリンはプリント回路基板の製造の最終仕上げで銅を腐食から保護し、はんだ付け性を防ぐために広く使用されています。^[9]より新しいナノ構造の導電性ポリマーは、より高い表面積と優れた分散性を備えており、この分野に新たな刺激を与えています。

最近、超分子化学がこの分野に導入され、次世代の分子エレクトロニクスを開発する新たな機会が生まれました。^{[11] [12]}例えば、柱状[5]アレーンの空洞にカチオン分子を挿入することで、2桁の電流強度の向上が達成されました。^[13]

• Heath, James R. (2009 年 8 月 1 日). 「分子エレクトロニクス」. Annual Review of Materials Research . 39 (1): 1–23. Bibcode :2009AnRMS..39....1H. doi :10.1146/annurev-matsci-082908-145401.

• ウィキメディア・コモンズの分子エレクトロニクス関連メディア