Nanostruktury molekularne, elektronika i ogniwa słoneczne

ARTYKUŁ PROMOCYJNY
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 mole-
kularnych 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.
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.
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 liczby
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.
Jak pozyskać informacje o struk­­
turach 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
(rysunek 1 i 2). Mówiąc w skrócie, jeśli fragment próbki jest bliżej sondy,
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).
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 tę 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.
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
(dostęp 21-10-2015).
Gratzel, Michael. „Photoelectrochemical
cells.” Nature 414, (2001): 338-344.
Joachim, C., J. K. Gimzewski i A. Aviram.
„Electronics using hybrid-molecular and
mono-molecular devices.”
Nature 408, (2000): 541-548.
Mohn, Fabian, Leo Gross, Nikolaj Moll
i Gerhard Meyer. „Imaging the charge
distribution within a single molecule.”
Nat Nano 7, (2012): 227-231.
Prauzner-Bechcicki, Jakub S., Szymon
Godlewski i Marek Szymonski. „Atomic- and
molecular-scale devices and systems for
single-molecule electronics.” Phys. Status
Solidi A 209, (2012): 603-613.