nauki ścisłe
dodano: 2016-01-27
Nanostruktury molekularne, elektronika i ogniwa słoneczne

„Nanostruktury molekularne, elektronika i ogniwa słoneczne”

Jakub S. Prauzner-Bechcicki


Zaczniemy od zadania pytania: „Czy badanie układów molekularnych może się do czegoś przydać?” Parafrazując wypowiedź Richarda Feynmana, amerykańskiego laureata Nagrody Nobla z roku 1965, uważanego za jednego z inicjatorów-wizjonerów nanotechnologii, można udzielić następującej odpowiedzi na powyższe pytanie: „Układy molekularne mogą lub nie być przydatne, lecz z pewnością ich tworzenie i badanie jest intrygujące”. W pewnym sensie na pierwsze miejsce wysuwa się ciekawość, potrzeba zrozumienia reguł rządzących układami, których charakterystyczne rozmiary są w skali molekularnej, atomowej. To stanowi sedno nanotechnologii. Nie jest to jednak pełny obraz. Dziś już potrafimy zastosować tę wiedzę o nanoukładach w celu pozyskania nowych materiałów, innowacyjnych rozwiązań technologicznych sięgających różnorodnych dziedzin, od elektroniki, poprzez odnawialne źródła energii, do biologii i medycyny włącznie.

Niekwestionowanymi beneficjentami nanotechnologii są przemysł elektroniczny oraz badania nad ogniwami słonecznymi. Spora część z nas korzysta już z komputerów wyposażonych w procesory wykonane w technologii 32, 22 lub nawet 14 nm, a badania nad zastosowaniem materiałów organicznych w fotowoltaice umacniają przekonanie, że organiczne ogniwa słoneczne są w zasięgu ręki. W szczególności te ostatnie mają być tańsze od swoich półprzewodnikowych nieorganicznych odpowiedników, a dodatkowo w niektórych konfiguracjach mogą oferować dodatkowe właściwości takie jak elastyczność.

Nie jest przypadkiem, że spośród wielu możliwych dziedzin czerpiących korzyści z nanotechnologii wymieniamy elektronikę i ogniwa słoneczne. Przyczyną tak dokonanego wyboru jest chęć przybliżenia istoty projektu naukowego realizowanego przez fizyków-nanotechnologów z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w ramach Polsko-Szwajcarskiego Programu Badawczego. Podstawowym celem badań jest chęć poznania procesów zachodzących pod wpływem absorbcji fotonów w strukturach molekularnych osadzonych na powierzchni półprzewodników i izolatorów. Są również i cele pośrednie, a wśród nich najistotniejsze jest określenie związku między morfologią struktur molekularnych a ich właściwościami elektrycznymi. Przez morfologię rozumiemy tu ułożenie molekuł względem powierzchni podłoża na którym są osadzone, ułożenie molekuł względem siebie w danej warstwie oraz względem molekuł w kolejnych warstwach. Wiedząc, jak ułożenie molekuł organicznych w warstwie czy innej strukturze wpływa na jej właściwości elektryczne możemy projektować złącza o pożądanych cechach. Odpowiedni dobór warunków panujących podczas osadzania materiału organicznego pozwala wydajnie sterować wzrostem warstw i innych, bardziej wyszukanych struktur molekularnych.

Dlaczego jest to takie ważne dla wspomnianych dziedzin? Można by rzec, że wszystko sprowadza się do transportu ładunku. Umiejętne sterowanie transportem ładunku w strukturach molekularnych jest kluczem do ich zastosowań w elektronice, tu mamy na myśli również tzw. elektronikę monomolekularną. W koncepcji tej pojedyncza molekuła, docelowo zapewne dość złożona, ma pełnić rolę określonego podzespołu elektronicznego czy logicznego. Np. procesor składa się z ogromnej ilości tranzystorów tworzących odpowiednie bramki logiczne, które zaś konstytuują bardziej jeszcze skomplikowane podzespoły. W elektronice monomolekularnej pominięty jest etap składania tranzystorów w bramki, bramek w układy, itd. To pojedyncza molekuła ma być owym pożądanym podzespołem o określonej funkcji. Już zademonstrowano np. działające molekularne bramki NOR.

W przypadku ogniw słonecznych znajomość praw rządzących transportem ładunku w strukturach je tworzących jest nie mniej istotna. Wystarczy choćby wspomnieć kwestię separacji ładunków w złączu fotowoltaicznym, która ma spory wpływ na wydajność ogniwa. O co chodzi? Absorpcja fotonu w półprzewodniku prowadzi do wytworzenia pary elektron-dziura. Wyobraźmy sobie, że ów półprzewodnik jest elementem złącza co najmniej dwóch materiałów. Jeśli uda się rozdzielić przestrzennie tę parę elektron-dziura, zabezpieczając przed rekombinacją, może to dać przyczynek do zbudowania w złączu różnicy potencjałów. Dzięki temu możemy zyskać źródło prądu. Inną sprawą jest to, czy dany półprzewodnik absorbuje dość światła z zakresu widzialnego. Aby zwiększyć absorpcję stosuje się często barwniki organiczne deponowane na powierzchni półprzewodnika. To molekuły absorbują światło, przechodząc w stan wzbudzony. W kolejnych etapach przekazują później energię wzbudzenia do półprzewodnika wstrzykując, np. elektrony do pasma przewodnictwa.




Rysunek 1
Schemat działania mikroskopu sondy skanującej. Dla ułatwienia kolejne warstwy materiału zaznaczono innym kolorem. Ostrze jest przesuwane wzdłuż białej przerywanej linii. Rejestrując oddziaływanie ostrza z powierzchnią otrzymujemy profil powierzchni wzdłuż kierunku skanowania. Składając wiele takich profili razem otrzymamy obraz badanej powierzchni.


Jak pozyskać informacje o strukturach molekularnych osadzonych na powierzchni i ich właściwościach? Jedną z metod jest wykorzystanie mikroskopów sondy skanującej pracujących w trybach umożliwiających określanie struktury układów molekularnych oraz badanie właściwości elektrycznych. W tego typu mikroskopach zamiast soczewek ogniskujących światło mamy do dyspozycji sondę atomowo ostrą (na jej końcu znajduje się jeden lub kilka atomów), którą przesuwamy w odległości rzędu dziesiątych części nanometra nad badaną powierzchnią. Utrzymując, np. stałą wysokość ostrza nad powierzchnią i mierząc siłę oddziaływania sonda-powierzchnia jesteśmy w stanie uzyskać obraz badanej próbki (patrz Rysunek 1 i Rysunek 2). Mówiąc w skrócie, jeśli fragment próbki jest bliżej sondy oddziaływania są większe, jeśli dalej mniejsze. Wśród tych mikroskopów na szczególną uwagę zasługuje mikroskop kelvinowski, który pozwala na określenie rozkładu potencjału elektrostatycznego powierzchni badanej próbki. Jego zdolność rozdzielcza została posunięta już tak daleko, że możliwe jest obrazowanie rozkładu ładunku w pojedynczej molekule. Wykorzystując tą metodę można określać jak zmienia się rozkład potencjału elektrostatycznego w warstwie molekularnej pod wpływem oświetlania światłem widzialnym, zyskując bardzo szczegółowy wgląd we właściwości materiałów z których planuje się budować ogniwa słoneczne.



Rysunek 2
Obraz molekuł z grupy porfiryn zdeponowanych na powierzchni ditlenku tytanu otrzymany za pomocą mikroskopu sondy skanującej oraz wizja artystyczna ułożenia molekuły na badanej powierzchni. Strzałki wskazują charakterystyczne kierunki na powierzchni kryształu. (Ilustracja powstała dzięki uprzejmości panów Łukasza Zająca oraz Piotra Olszowskiego).


 

Tekst został sfinansowany z funduszy projektu, pt. „Struktury molekularne na powierzchniach półprzewodnikowych i izolujących” (PSPB-085/2010), współfinansowanego przez Szwajcarię w ramach funduszy szwajcarskiego programu współpracy z nowymi krajami członkowskimi Unii Europejskiej.

Feynman, Richard P., "Plenty of Room at the Bottom" http://www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html (accessed 21-10-2015).

Gratzel, Michael. "Photoelectrochemical cells." Nature 414,  (2001): 338-344.

Joachim, C., J. K. Gimzewski, and A. Aviram. "Electronics using hybrid-molecular and mono-molecular devices." Nature 408,  (2000): 541-548.

Mohn, Fabian, Leo Gross, Nikolaj Moll, and Gerhard Meyer. "Imaging the charge distribution within a single molecule." Nat Nano 7,  (2012): 227-231.

Prauzner-Bechcicki, Jakub S., Szymon Godlewski, and Marek Szymonski. "Atomic- and molecular-scale devices and systems for single-molecule electronics." Phys. Status Solidi A 209,  (2012): 603-613.

 

 

 

Drukuj »
Ten artykuł nie został jeszcze skomentowany.
Aktualne numery
12/2017
10/2017 - specjalny
Kalendarium
Listopad
23
W 2003 r. miało miejsce całkowite zaćmienie Słońca widoczne w Australii, Nowej Zelandii, Antarktyce i Ameryce Południowej.
Warto przeczytać
Czy znasz powiedzenie że matematykowi do pracy wystarczy kartka, ołówek i kosz na śmieci? To nieprawda! Pasjonującą, efektowną i praktyczną matematykę poznaje się dopiero w laboratorium.

Logowanie

Nazwa użytkownika

Hasło

dodano: 2016-01-27
Nanostruktury molekularne, elektronika i ogniwa słoneczne

„Nanostruktury molekularne, elektronika i ogniwa słoneczne”

Jakub S. Prauzner-Bechcicki


Zaczniemy od zadania pytania: „Czy badanie układów molekularnych może się do czegoś przydać?” Parafrazując wypowiedź Richarda Feynmana, amerykańskiego laureata Nagrody Nobla z roku 1965, uważanego za jednego z inicjatorów-wizjonerów nanotechnologii, można udzielić następującej odpowiedzi na powyższe pytanie: „Układy molekularne mogą lub nie być przydatne, lecz z pewnością ich tworzenie i badanie jest intrygujące”. W pewnym sensie na pierwsze miejsce wysuwa się ciekawość, potrzeba zrozumienia reguł rządzących układami, których charakterystyczne rozmiary są w skali molekularnej, atomowej. To stanowi sedno nanotechnologii. Nie jest to jednak pełny obraz. Dziś już potrafimy zastosować tę wiedzę o nanoukładach w celu pozyskania nowych materiałów, innowacyjnych rozwiązań technologicznych sięgających różnorodnych dziedzin, od elektroniki, poprzez odnawialne źródła energii, do biologii i medycyny włącznie.

Niekwestionowanymi beneficjentami nanotechnologii są przemysł elektroniczny oraz badania nad ogniwami słonecznymi. Spora część z nas korzysta już z komputerów wyposażonych w procesory wykonane w technologii 32, 22 lub nawet 14 nm, a badania nad zastosowaniem materiałów organicznych w fotowoltaice umacniają przekonanie, że organiczne ogniwa słoneczne są w zasięgu ręki. W szczególności te ostatnie mają być tańsze od swoich półprzewodnikowych nieorganicznych odpowiedników, a dodatkowo w niektórych konfiguracjach mogą oferować dodatkowe właściwości takie jak elastyczność.

Nie jest przypadkiem, że spośród wielu możliwych dziedzin czerpiących korzyści z nanotechnologii wymieniamy elektronikę i ogniwa słoneczne. Przyczyną tak dokonanego wyboru jest chęć przybliżenia istoty projektu naukowego realizowanego przez fizyków-nanotechnologów z Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Jagiellońskiego w ramach Polsko-Szwajcarskiego Programu Badawczego. Podstawowym celem badań jest chęć poznania procesów zachodzących pod wpływem absorbcji fotonów w strukturach molekularnych osadzonych na powierzchni półprzewodników i izolatorów. Są również i cele pośrednie, a wśród nich najistotniejsze jest określenie związku między morfologią struktur molekularnych a ich właściwościami elektrycznymi. Przez morfologię rozumiemy tu ułożenie molekuł względem powierzchni podłoża na którym są osadzone, ułożenie molekuł względem siebie w danej warstwie oraz względem molekuł w kolejnych warstwach. Wiedząc, jak ułożenie molekuł organicznych w warstwie czy innej strukturze wpływa na jej właściwości elektryczne możemy projektować złącza o pożądanych cechach. Odpowiedni dobór warunków panujących podczas osadzania materiału organicznego pozwala wydajnie sterować wzrostem warstw i innych, bardziej wyszukanych struktur molekularnych.

Dlaczego jest to takie ważne dla wspomnianych dziedzin? Można by rzec, że wszystko sprowadza się do transportu ładunku. Umiejętne sterowanie transportem ładunku w strukturach molekularnych jest kluczem do ich zastosowań w elektronice, tu mamy na myśli również tzw. elektronikę monomolekularną. W koncepcji tej pojedyncza molekuła, docelowo zapewne dość złożona, ma pełnić rolę określonego podzespołu elektronicznego czy logicznego. Np. procesor składa się z ogromnej ilości tranzystorów tworzących odpowiednie bramki logiczne, które zaś konstytuują bardziej jeszcze skomplikowane podzespoły. W elektronice monomolekularnej pominięty jest etap składania tranzystorów w bramki, bramek w układy, itd. To pojedyncza molekuła ma być owym pożądanym podzespołem o określonej funkcji. Już zademonstrowano np. działające molekularne bramki NOR.

W przypadku ogniw słonecznych znajomość praw rządzących transportem ładunku w strukturach je tworzących jest nie mniej istotna. Wystarczy choćby wspomnieć kwestię separacji ładunków w złączu fotowoltaicznym, która ma spory wpływ na wydajność ogniwa. O co chodzi? Absorpcja fotonu w półprzewodniku prowadzi do wytworzenia pary elektron-dziura. Wyobraźmy sobie, że ów półprzewodnik jest elementem złącza co najmniej dwóch materiałów. Jeśli uda się rozdzielić przestrzennie tę parę elektron-dziura, zabezpieczając przed rekombinacją, może to dać przyczynek do zbudowania w złączu różnicy potencjałów. Dzięki temu możemy zyskać źródło prądu. Inną sprawą jest to, czy dany półprzewodnik absorbuje dość światła z zakresu widzialnego. Aby zwiększyć absorpcję stosuje się często barwniki organiczne deponowane na powierzchni półprzewodnika. To molekuły absorbują światło, przechodząc w stan wzbudzony. W kolejnych etapach przekazują później energię wzbudzenia do półprzewodnika wstrzykując, np. elektrony do pasma przewodnictwa.




Rysunek 1
Schemat działania mikroskopu sondy skanującej. Dla ułatwienia kolejne warstwy materiału zaznaczono innym kolorem. Ostrze jest przesuwane wzdłuż białej przerywanej linii. Rejestrując oddziaływanie ostrza z powierzchnią otrzymujemy profil powierzchni wzdłuż kierunku skanowania. Składając wiele takich profili razem otrzymamy obraz badanej powierzchni.


Jak pozyskać informacje o strukturach molekularnych osadzonych na powierzchni i ich właściwościach? Jedną z metod jest wykorzystanie mikroskopów sondy skanującej pracujących w trybach umożliwiających określanie struktury układów molekularnych oraz badanie właściwości elektrycznych. W tego typu mikroskopach zamiast soczewek ogniskujących światło mamy do dyspozycji sondę atomowo ostrą (na jej końcu znajduje się jeden lub kilka atomów), którą przesuwamy w odległości rzędu dziesiątych części nanometra nad badaną powierzchnią. Utrzymując, np. stałą wysokość ostrza nad powierzchnią i mierząc siłę oddziaływania sonda-powierzchnia jesteśmy w stanie uzyskać obraz badanej próbki (patrz Rysunek 1 i Rysunek 2). Mówiąc w skrócie, jeśli fragment próbki jest bliżej sondy oddziaływania są większe, jeśli dalej mniejsze. Wśród tych mikroskopów na szczególną uwagę zasługuje mikroskop kelvinowski, który pozwala na określenie rozkładu potencjału elektrostatycznego powierzchni badanej próbki. Jego zdolność rozdzielcza została posunięta już tak daleko, że możliwe jest obrazowanie rozkładu ładunku w pojedynczej molekule. Wykorzystując tą metodę można określać jak zmienia się rozkład potencjału elektrostatycznego w warstwie molekularnej pod wpływem oświetlania światłem widzialnym, zyskując bardzo szczegółowy wgląd we właściwości materiałów z których planuje się budować ogniwa słoneczne.



Rysunek 2
Obraz molekuł z grupy porfiryn zdeponowanych na powierzchni ditlenku tytanu otrzymany za pomocą mikroskopu sondy skanującej oraz wizja artystyczna ułożenia molekuły na badanej powierzchni. Strzałki wskazują charakterystyczne kierunki na powierzchni kryształu. (Ilustracja powstała dzięki uprzejmości panów Łukasza Zająca oraz Piotra Olszowskiego).


 

Tekst został sfinansowany z funduszy projektu, pt. „Struktury molekularne na powierzchniach półprzewodnikowych i izolujących” (PSPB-085/2010), współfinansowanego przez Szwajcarię w ramach funduszy szwajcarskiego programu współpracy z nowymi krajami członkowskimi Unii Europejskiej.

Feynman, Richard P., "Plenty of Room at the Bottom" http://www.its.caltech.edu/~feynman/plenty.html (accessed 21-10-2015).

Gratzel, Michael. "Photoelectrochemical cells." Nature 414,  (2001): 338-344.

Joachim, C., J. K. Gimzewski, and A. Aviram. "Electronics using hybrid-molecular and mono-molecular devices." Nature 408,  (2000): 541-548.

Mohn, Fabian, Leo Gross, Nikolaj Moll, and Gerhard Meyer. "Imaging the charge distribution within a single molecule." Nat Nano 7,  (2012): 227-231.

Prauzner-Bechcicki, Jakub S., Szymon Godlewski, and Marek Szymonski. "Atomic- and molecular-scale devices and systems for single-molecule electronics." Phys. Status Solidi A 209,  (2012): 603-613.