Nanoparticle Self-assembly on Prefabricated Nano Strucutres
Doktorsavhandling, 2018

The demand for more powerful computers have been increasing ever since the first semiconducting devices were invented in the second half of the 20th century. The demand for an increase in computing power have escalated since the start of modern computer technology, however conventional techniques are reaching the limits regarding the downscaling of semiconducting based logic circuits. One way of circumventing these challenges is to utilize molecules in integrated circuits instead of conventional semiconducting designs. Molecules can be synthesised in molar amount and can act as rectifiers, transistors, switches and conducting wires. They are also a factor ten smaller than the node size of commercial available transistors. However a method for integrating single molecule into an electronic grid in order to construct molecular based logic circuits is not known today. Scientists have at this point been able to contact and measure on molecules, using techniques such as the break-junction method, however it has been difficult to contact single molecules in parallel, which is needed in order to compete with conventional semiconducting industry.

This thesis focus on contacting single molecules by isolating them between nanoparticles (or dimers), that can be guided onto prefabricated structures in an approach that utilizes both top-down and bottom up concepts. The deposition efficiency was tested on a variety of materials, including metals and functionalized surfaces. This was done as a pre-study in order to determine the optimum conditions for particle deposition. A model based on a combination of DLVO-theory (Derjaguin, Landau, Verwey and Overbeek) and RSA (random sequential adsorption) was developed in order to explain the deposition process and the interactions between particles and a substrate. Spatial descriptive statistics were used to see if the pattern of the particles from simulated and real depositions deviated from CSR (complete spatial randomness) and to compare the inter-particle distances. Potential measurements were compared to the nanoparticle densities. The experiment showed that materials such as nickel and aluminium attract the negatively charged particles used in this thesis. As a next step, particles were deposited on arrays of nanosized objects of different shape and size in order to optimize deposition parameters and electrode design. Finally, electrical measurements of BDT (benzene-1,4-dithiol) and HDT (1,6-hexanedithiol) linked dimers were performed as a proof of principal, indicating that conductance through BDT is higher compared to HDT. More experiments is needed in order to confirm this. However, the deposition is still inefficient, only 5 % of the nanogaps are filled with a dimer. This number needs to be increased in order for molecular electronics to be able to compete with upcoming techniques such as extreme UV-lithography.

Nanofabrication

single molecular electronics

Nanoparticles

Self-assembly

KC
Opponent: Heiko Wolf, Zurich Research Laboratory, Zurich, Switzerland

Författare

Johnas Eklöf

Kasper Moth-Poulsen Group

Guided selective deposition of nanoparticles by tuning of the surface potential

Europhysics Letters,; Vol. 119(2017)p. Art no: 18004-

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Controlling deposition of nanoparticles by tuning surface charge of SiO2 by surface modifications

RSC Advances,; Vol. 6(2016)p. 104246-104253

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Parallel Fabrication of Self‐Assembled Nanogaps for Molecular Electronic Devices

Small,; Vol. 0(2018)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Johnas Eklöf-Österberg , Joakim Löfgren, Paul Erhart and Kasper Moth-Poulsen, Optimazation of geometrical structures designed for assembly of nano-sized objects, 2018.

I dagens samhälle finns det datorer som hjälper oss i vardagen överallt, inte enbart i våra hem i form av en PC utan även i bilar, flygplan, telefoner, medicinsk utrustning med mera. Det spås att 75 milliarder enheter kommer att vara uppkopplade år 2025. Ända sedan mikro-chippet introducerades under andra hälften av 1900-talet så har datorerna blivit snabbare tack vare nedskalningen utav av de minsta komponenter i de integrerade kretsarna som utgör datorns processor. Mindre komponenter resulterar i att det går att få plats med mer av dem på samma yta, vilket resulterar i kraftfullare processorer. Dagens transistorer har en storlek på 14 nm vilket är lika stort som hundratusendes del av tjockleken på ett hårstrå. Forskarna befarar dock att denna trend kommer att sluta då de konventionella produktionsmetoderna kallat UV-litografi är begränsade i hur små objekt de kan producera. Ett sätt att kringgå detta kan vara att utnyttja molekyler till att utföra samma arbete som dagens komponenter gör. Molekyler kan till exempel fungera som dioder, ledare och brytare. Molekyler produceras dock i en lösning och de måste tas ur denna lösning och placeras på ett kretskort för att kunna bygga upp en logisk krets. Det är också viktigt att kunna placera millioner enskilda molekyler till var sin elektrod parallellt för att denna teknisk ska kunna konkurrera med konventionell produktionsteknik.

Denna avhandling fokuserar på hur man kan lösa problemet med att placera enskilda molekyler parallellt genom att först koppla ihop en molekyl mellan två partiklar i storleksordningen av 100 nm och sedan deponera dessa på elektroder konstruerade i förväg med hjälp av litografi. Detta kan ske tack vare de elektrostatiska interaktionerna (DLVO-teori) som uppkommer mellan en negativt laddad partikel och en positivt laddad elektrod. Genom att använda sig av denna procedur så kan man konstruera en enhet som är en tiondels så stor som dagens transistorer med hjälp av konventionell produktionsteknik. Det är dock lång väg kvar innan tekniken som presenteras i denna avhandling kommer att kunna användas i stor skala och mer forskning måste till för att kunna producera logiska kretsar som kan utför mer avancerade beräkningar.

Single Molecule Nano Electronics (SIMONE)

Europeiska kommissionen (FP7), 2014-02-01 -- 2019-01-31.

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Materialvetenskap

Ämneskategorier

Materialkemi

Nanoteknik

Annan elektroteknik och elektronik

Infrastruktur

Nanotekniklaboratoriet

ISBN

978-91-7597-819-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4500

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

KC

Opponent: Heiko Wolf, Zurich Research Laboratory, Zurich, Switzerland

Mer information

Senast uppdaterat

2018-11-07