KR20240047149A - Molecular device operating electronically or optically based on quantum tunneling using single atom substitution - Google Patents
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Abstract
본 실시예들은 단일 원자 치환을 통한 양자 터널링 기반으로 나노미터 스케일의 금속 박막-금속 구조체로 공진 캐비티를 형성하고, 캐비티 내의 물질을 원자 수준으로 다르게 하여 고유 에너지 레벨 변화를 통한 터널링 신호의 미세 조절이 가능하고, 캐비티 내의 물질은 자극 반응형(stimuli responsive) 원자 및 분자 요소가 포함될 수 있고, 터널링 신호 증폭을 위한 구조적 개선도 가능하여 신호 처리 오류를 줄일 수 있고, 극한의 작은 캐비티에서 신호의 이동을 조절할 수 있는 미세 전자/광학 소자로의 응용이 가능한 분자 소자를 제공한다.In these embodiments, a resonance cavity is formed with a nanometer-scale metal thin film-metal structure based on quantum tunneling through single atom substitution, and the materials in the cavity are varied at the atomic level to fine-tune the tunneling signal through changes in the intrinsic energy level. It is possible, and the material within the cavity can contain stimulus-responsive atomic and molecular elements, and structural improvements for tunneling signal amplification are also possible, which can reduce signal processing errors and allow signal movement in extremely small cavities. A molecular device that can be applied as a tunable microelectronic/optical device is provided.
Description
본 발명이 속하는 기술 분야는 단일 원자 치환을 통한 양자 터널링 기반으로 전자적 또는 광학적 동작하는 분자 소자에 관한 것이다.The technical field to which the present invention belongs relates to molecular devices that operate electronically or optically based on quantum tunneling through single atom substitution.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.The content described in this section simply provides background information for this embodiment and does not constitute prior art.
초미세공정을 통해 제작된 초소형 전자 소자들은 나노미터 또는 그 이하의 스케일의 미세 선폭을 가지게 된다. 그에 따라 양자적 특징이 수반된다. 미세소자에서 동작 에너지가 매우 작아지게 되어, 불확정성의 원리에 따라 터널링 현상에 의한 에너지 전달 여부는 분간하기 힘들어진다. 따라서, 기존의 미세공정 방식으로 신호 전달이 가능한 초소형 소자를 제작하는 것은 한계가 있다.Ultra-small electronic devices manufactured through ultra-fine processes have fine linewidths on the scale of nanometers or smaller. Accordingly, quantum characteristics are involved. In microdevices, the operating energy becomes very small, and it becomes difficult to determine whether energy is transmitted through the tunneling phenomenon according to the uncertainty principle. Therefore, there are limitations in manufacturing ultra-small devices capable of transmitting signals using existing microprocessing methods.
본 발명의 실시예들은 초소형 집적화 소자에서 발생하는 양자적 특징에 의한 문제점을 해결하기 위해, 전자/광학 신호가 지나갈 수 있는 양단의 폭 사이를 초미세공정을 통해 작게 만들어도 소자 기술/소재 기술/공정 기술을 통해 안정적인 신호 전달이 가능한 양자 터널링 기반 기술을 제공하고, 서브 나노미터 스케일의 선폭에서 소재(material)의 양자적 특징을 이용하여 초소형, 초고속, 초정밀한 특성을 확보하는데 주된 목적이 있다.Embodiments of the present invention are designed to solve problems caused by quantum characteristics occurring in ultra-small integrated devices, even if the width between both ends through which electronic/optical signals can pass is made small through ultra-fine processes. The main purpose is to provide quantum tunneling-based technology that enables stable signal transmission through process technology, and to secure ultra-small, high-speed, and ultra-precise characteristics by using the quantum characteristics of materials at sub-nanometer scale linewidths.
본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 수 있다.Other unspecified objects of the present invention can be additionally considered within the scope that can be easily inferred from the following detailed description and its effects.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 분자 소자에 있어서, 금속 박막으로 형성된 제1 공진체; 금속 구조체로 형성된 제2 공진체; 및 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티를 포함하는 분자 소자를 제공한다.According to one aspect of this embodiment, a molecular device includes: a first resonator formed of a metal thin film; a second resonator formed of a metal structure; and a resonance cavity where a quantum tunneling phenomenon occurs between the first resonator and the second resonator.
상기 제2 공진체의 상기 금속 구조체는 나노 파티클, 나노 큐브, 다각형의 구조체, 나노 막대, 이들의 조합을 포함할 수 있다.The metal structure of the second resonator may include nanoparticles, nanocubes, polygonal structures, nanorods, and combinations thereof.
상기 공진 캐비티는 나노미터 또는 서브나노미터 수준의 크기로 설정될 수 있다.The resonant cavity may be set to a nanometer or subnanometer size.
상기 공진 캐비티는, 상기 제1 공진체를 이루는 원자와 공유 결합(covalent bond)하는 원소를 포함하는 제1 링커; 상기 제2 공진체를 이루는 원자와 공유 결합하는 원소를 포함하는 제2 링커; 상기 제1 링커에 연결되고 탄소를 포함하는 유기 화합물로 카복실산염(COO-)을 포함하는 제1 스페이서; 상기 제2 링커에 연결되고 탄소를 포함하는 유기 화합물로 카복실산염(COO-)을 포함하는 제2 스페이서; 및 상기 제1 스페이서의 카복실산염(COO-)과 상호 결합하고 상기 제2 스페이서의 카복실산염(COO-)과 상호 결합하는 중심 원자를 포함할 수 있다.The resonant cavity includes a first linker containing an element that forms a covalent bond with an atom forming the first resonator; a second linker containing an element that covalently bonds to an atom forming the second resonator; A first spacer connected to the first linker and containing carboxylate (COO - ) as an organic compound containing carbon; A second spacer connected to the second linker and containing carboxylate (COO - ) as an organic compound containing carbon; And it may include a central atom that bonds to the carboxylate (COO - ) of the first spacer and to the carboxylate (COO - ) of the second spacer.
상기 공진 캐비티는 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에 원자 또는 분자 수준의 특정 물질을 도입하여 전자 신호 또는 광학 신호를 전달할 수 있다.The resonant cavity may transmit an electronic signal or an optical signal by introducing a specific material at the atomic or molecular level between the first resonator and the second resonator.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 상기 전자 신호를 전달하기 위해서 전하 주입(charge injection)이 가능한 전극(electrode) 역할을 수행할 수 있다.The first resonator and the second resonator may function as electrodes capable of charge injection to transmit the electronic signal.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 전도도(conductivity)가 수십 106 S/m이 넘는 금속 재료를 사용하고, 이온 마이그레이션(Ion-migration)에 따른 유전체 내 금속 필라멘트 형성이 가능한 구리 및 은을 제외할 수 있다.The first resonator and the second resonator use metal materials with a conductivity exceeding tens of 10 6 S/m, and copper and silver capable of forming metal filaments in the dielectric due to ion migration. can be excluded.
상기 분자 소자는 상기 공진 캐비티의 상기 중심 원자를 치환하며, 상기 중심 원자의 종류에 따라 고유의 에너지 레벨이 결정될 수 있다.The molecular element replaces the central atom of the resonance cavity, and its unique energy level may be determined depending on the type of the central atom.
상기 분자 소자는 HOMO(highest occupied molecular orbital)-LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)의 위치, HOMO-LUMO의 갭(bandgap), MO(molecular orbital)에 나타난 전자 구름(electron cloud)의 분포가 편재(localization) 또는 비편재(delocalization) 여부, 프런티어(Frontier) MO (HOMO, LUMO) 레벨이 페르미 레벨(Fermi level)에 가까운지, 이들의 조합을 기준으로 소재(material)의 특성에 따라 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이를 흐르는 양자 터널링 신호를 조절할 수 있다.The molecular element is localized by the location of the highest occupied molecular orbital (HOMO)-lowest unoccupied molecular orbital (LUMO), the gap (bandgap) of HOMO-LUMO, and the distribution of the electron cloud appearing in the molecular orbital (MO). ) or delocalization, whether the frontier MO (HOMO, LUMO) level is close to the Fermi level, and the combination of these, depending on the characteristics of the material, the first resonator And it is possible to control the quantum tunneling signal flowing between the second resonators.
상기 중심 원자에 구리(Cu) 원자가 위치하면, 비편재된(delocalized) LUMO 레벨을 통해 코히런트 온 공진 터널링(Coherent on-resonant tunneling)을 하며, 프런티어 오비탈(Frontier orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내여서 오비탈을 통해 상기 양자 터널링 현상이 일어날 수 있다.When a copper (Cu) atom is located at the central atom, coherent on-resonant tunneling occurs through a delocalized LUMO level, and the frontier orbital is at the Fermi level. Since it is within the reference distance, the quantum tunneling phenomenon can occur through the orbital.
상기 중심 원자에 나트륨(Na) 원자가 위치하면, 비편재된(delocalized) HOMO 레벨을 통해 코히런트 온 공진 터널링(Coherent on-resonant tunneling)을 하며, 프런티어 오비탈(Frontier orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내여서 오비탈을 통해 상기 양자 터널링 현상이 일어날 수 있다.When a sodium (Na) atom is located at the central atom, coherent on-resonant tunneling occurs through the delocalized HOMO level, and the frontier orbital is at the Fermi level. Since it is within the reference distance, the quantum tunneling phenomenon can occur through the orbital.
상기 중심 원자에 마그네슘(Mg) 원자가 위치하면, 편재된(localized) 프런티어 오비탈 LUMO가 페르미 레벨과 기준 거리 이외여서 오비탈을 통하지 않는 코히런트 오프 공진 터널링(coherent off resonant tunneling) 현상이 나타날 수 있고, 상기 나타난 코히런트 오프 공진 터널링은 상기 코히런트 온 공진 터널링 보다 커런트 레벨(current level)이 작은 것일 수 있다.When a magnesium (Mg) atom is located at the central atom, the localized frontier orbital LUMO is outside the Fermi level and the reference distance, so a coherent off resonant tunneling phenomenon that does not pass through the orbital may occur, and The coherent off-resonant tunneling shown may have a smaller current level than the coherent on-resonant tunneling.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 상기 광학 신호를 전달하기 위해서 표면 플라즈몬 여기가 가능한 금속을 사용할 수 있다.The first resonator and the second resonator may be made of a metal capable of surface plasmon excitation in order to transmit the optical signal.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 Au, Ag, Cu, Al, Pd, Pt, TiN, 또는 이들의 조합된 재료를 사용할 수 있다.The first resonator and the second resonator may be made of Au, Ag, Cu, Al, Pd, Pt, TiN, or a combination thereof.
상기 제1 공진체에 여기된 표면 플라즈몬의 에너지는 비방사 채널(non-radiative channel)을 통해 에너지 소실(dissipation)을 일으켜 핫 캐리어(hot carrier)를 생성하고, 비평형 분포(Non-equilibrium distribution)를 갖는 상기 핫 캐리어가 상기 원자를 매개로 한 상기 공진 캐비티를 통해 상기 제2 공진체로 전달될 수 있다.The energy of the surface plasmon excited in the first resonator causes energy dissipation through a non-radiative channel to generate hot carriers and non-equilibrium distribution. The hot carrier having may be transmitted to the second resonator through the resonance cavity via the atom.
분자 오비탈(molecular orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내로 가까운 구리(Cu) 원자 또는 나트륨(Na) 원자가 상기 중심 원자에 위치하면, 상기 중심 원자를 통해 상기 핫 캐리어의 전달이 이루어질 수 있다.When a copper (Cu) atom or a sodium (Na) atom whose molecular orbital is close to the Fermi level and within a reference distance is located at the central atom, the hot carriers can be transferred through the central atom. .
상기 공진 캐비티를 이루는 상기 제1 링커, 상기 제2 링커, 상기 제1 스페이서, 상기 제2 스페이서, 상기 중심 원자에 위치한 물질에 따라 상기 공진 캐비티의 굴절률(refractive index)이 결정될 수 있다.The refractive index of the resonance cavity may be determined depending on the materials located at the first linker, the second linker, the first spacer, the second spacer, and the central atom forming the resonance cavity.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체의 크기, 재료, 모양과 상기 광학 신호의 에너지 커플링 여부에 따라 상기 광학 신호의 온 또는 오프를 결정할 수 있다.On or off of the optical signal may be determined depending on the size, material, and shape of the first resonator and the second resonator and whether or not the optical signal is energy coupled.
커플링된 광학 신호가 상기 제1 공진체, 상기 공진 캐비티, 상기 제2 공진체를 거쳐 통과하면, 투과(transmittance) 에너지의 인텐시티(intensity) 및 주파수(frequency)를 변조하고, 색상(color) 변조 소자에 활용될 수 있다.When the coupled optical signal passes through the first resonator, the resonant cavity, and the second resonator, the intensity and frequency of the transmittance energy are modulated, and the color is modulated. It can be used in devices.
상기 공진 캐비티의 분자 접합(molecule junction) 형성은 머캅토카르복실릭산(mercaptocarboxylic acid)(헤드 그룹(head group): -SH group, 터미널 그룹(terminal group): -COOH group) 용액(solution)을 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체에 침지(immersion)하여 S-Au의 자발적 반응을 통해 기능화시키고, 도입될 원소를 포함하는 용액으로 분자 접합을 형성할 수 있다.The formation of a molecular junction in the resonance cavity is performed using a solution of mercaptocarboxylic acid (head group: -SH group, terminal group: -COOH group). The first resonator and the second resonator are immersed to functionalize them through a spontaneous reaction of S-Au, and a molecular junction can be formed with a solution containing the element to be introduced.
상기 공진 캐비티 내부에 존재하는 분자층(molecule layer)은 자기 조립 단층(Self-Assembled Monolayer, SAM)을 통해 확보하고, 탄소로 이루어진 물질을 혼합하여 분자들의 응집(aggregation) 및 비정렬(misalignment) 없이 안정적인 분자층을 형성할 수 있다.The molecular layer present inside the resonance cavity is secured through self-assembled monolayer (SAM), and a material made of carbon is mixed to prevent aggregation or misalignment of molecules. A stable molecular layer can be formed.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 분자 소자에 있어서, 금속 박막으로 형성된 제1 공진체; 금속 구조체로 형성된 제2 공진체; 및 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티를 포함하며, 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에 집적(integration)하는 물질은 재료(material)의 고정된 특성에 의해 의존하는 것이 아니라 외부의 자극에 의해 광학적 특성, 전기적 특성, 또는 재료적 특성을 변화시킬 수 있는 물질을 사용하며, 상기 외부의 자극은 빛, 전계, 또는 자기장에 따라 상기 양자 터널링 현상에 따른 양자 터널링 신호를 동적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 분자 소자를 제공한다.According to another aspect of this embodiment, a molecular device includes: a first resonator formed of a metal thin film; a second resonator formed of a metal structure; and a resonance cavity in which a quantum tunneling phenomenon occurs between the first resonator and the second resonator, and the material integrated between the first resonator and the second resonator is a material. Instead of relying on fixed properties, a material is used that can change optical properties, electrical properties, or material properties by external stimulation, and the external stimulation is the quantum tunneling according to light, electric field, or magnetic field. Provided is a molecular device characterized by dynamically controlling quantum tunneling signals according to phenomena.
상기 빛에 의해 에너지 준위(energy level), 파이 컨쥬게이션(pi-conjugation), 쌍극자 모멘트(dipole moment), 이온 상태(ionic state), 입체 형태(steric conformation), 시스 또는 트랜스(cis/trans)에 따른 이성질체 형태(isomeric conformation)를 바꿀 수 있는 광전환성 분자(photoswitchable molecule)를 활용하여 상기 공진 캐비티를 통해 전송되는 상기 양자 터널링 신호를 동적으로 조절할 수 있다.The light changes the energy level, pi-conjugation, dipole moment, ionic state, steric conformation, cis or trans (cis/trans). The quantum tunneling signal transmitted through the resonance cavity can be dynamically controlled by using a photoswitchable molecule that can change isomeric conformation.
상기 공진 캐비티는 아조벤젠(Azobenzene)을 포함할 수 있다.The resonance cavity may contain azobenzene.
상기 전기장에 의해 상기 공진 캐비티에 위치한 물질의 특성 중 MO(molecular orbital)에 나타난 편재(localization) 또는 비편재(delocalization)를 바꿀 수 있는 전기 활성 분자(electroactive molecule)를 활용하여 상기 공진 캐비티를 통해 전송되는 상기 양자 터널링 신호를 동적으로 조절할 수 있다.Transmission through the resonance cavity using an electroactive molecule that can change the localization or delocalization shown in MO (molecular orbital) among the properties of the material located in the resonance cavity by the electric field. The quantum tunneling signal can be dynamically adjusted.
상기 공진 캐비티는 금속 중심을 가진 유기금속 화합물(organometallic compound with metallic center) 또는 반대 이온이 있는 메틸 비올로겐(methyl viologen with counter ion)을 포함할 수 있다.The resonant cavity may include an organometallic compound with a metallic center or methyl viologen with a counter ion.
상기 자기장에 의해 분자 또는 상기 분자를 포함한 구조체의 스핀 상태를 변화시킬 수 있는 물질을 활용하여, 상기 스핀 상태에 따라 존재하는 상태 밀도(density of states)가 달라지게 되어 투과(transmission)될 수 있는 오비탈이 변화하고, 이에 따라 상기 양자 터널링 신호를 동적으로 조절할 수 있다.By using a material that can change the spin state of a molecule or a structure containing the molecule by the magnetic field, the density of states that exists depending on the spin state varies, creating an orbital that can be transmitted. This changes, and the quantum tunneling signal can be dynamically adjusted accordingly.
상기 캐비티는 단분자 자석(single molecule magnet) 또는 메탈로센(metallocene)을 포함할 수 있다.The cavity may contain a single molecule magnet or metallocene.
본 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 분자 소자에 있어서, 금속 박막으로 형성된 제1 공진체; 금속 구조체로 형성된 제2 공진체; 및 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티를 포함하며, 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 전극 역할을 수행하며, 상기 제2 공진체는 원 기둥 또는 다각 기둥의 기둥 형상으로 형성되고, 상기 제1 공진체가 상기 제2 공진체의 표면을 180도 내지 360도의 범위에서 일부 또는 전체를 둘러싸는 구조로 형성되어 상기 공진 캐비티의 면적을 확보하는 것을 특징으로 하는 분자 소자를 제공한다.According to another aspect of this embodiment, a molecular device includes: a first resonator formed of a metal thin film; a second resonator formed of a metal structure; and a resonance cavity in which a quantum tunneling phenomenon occurs between the first resonator and the second resonator, wherein the first resonator and the second resonator serve as electrodes, and the second resonator is a circle. It is formed in the shape of a pillar or a polygonal pillar, and the first resonator is formed in a structure that partially or entirely surrounds the surface of the second resonator in the range of 180 degrees to 360 degrees to secure the area of the resonance cavity. A molecular device characterized by features is provided.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 3면 또는 4면에서 접촉 접합(contact junction)을 이루고, 코어쉘 구조를 적용할 때 상기 제2 공진체에서 나노 선의 형태로 외부로 노출되는 단자를 갖도록 할 수 있다.The first resonator and the second resonator form a contact junction on three or four sides, and when a core-shell structure is applied, a terminal exposed to the outside in the form of a nanowire from the second resonator is You can have it.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이의 절연 분자(insulating molecule) 물질은 등각 코팅(conformal coating)이 4면으로 가능한 분자 드롭 캐스팅(molecule drop casting) 또는 침지(immersion), 또는 나노구조체를 멤브레인(membrane) 위에 플로팅(floating) 후 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 활용하여 코팅할 수 있다.The insulating molecule material between the first resonator and the second resonator can be formed by molecular drop casting or immersion, or a nanostructure capable of conformal coating on four sides. After floating on a membrane, it can be coated using Atomic Layer Deposition (ALD).
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 실시예들에 의하면, 금속 박막-금속 나노 구조체로 이루어진 공진 캐비티(resonant cavity)에 원자 또는 분자 수준의 특정 물질을 도입하여 신호 전달 체계를 구성하고, 도입된 물질에 따라 캐비티의 고유 에너지 레벨 및 분자 오비탈 특성을 변화시킬 수 있는 효과가 있다.As described above, according to embodiments of the present invention, a signal transmission system is constructed by introducing a specific material at the atomic or molecular level into a resonant cavity composed of a metal thin film-metal nanostructure, and the introduced material Accordingly, it has the effect of changing the inherent energy level and molecular orbital characteristics of the cavity.
본 발명의 실시예들에 의하면, 외부 요인(빛, 전기자, 자기장)에 의해 에너지 레벨이 변화할 수 있는 물질이 될 수 있어, 이를 통해 신호 전달 여부를 결정하고, 양자 터널링 신호를 동적으로 제어할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, it can be a material whose energy level can change due to external factors (light, armature, magnetic field), thereby determining whether to transmit a signal and dynamically controlling the quantum tunneling signal. There is a possible effect.
본 발명의 실시예들에 의하면, 신호의 증폭을 위해 기존의 2면의 접합부를 구성하는 것이 아닌 3면, 또는 그 이상의 면에서 접합부를 구성할 수 있어 신호 처리 오류를 줄일 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, for signal amplification, a joint can be formed on three or more sides instead of the existing two-sided joint, which has the effect of reducing signal processing errors.
본 발명의 실시예들에 의하면, 초미세공정의 양산화 기술에 응용될 수 있고, 초미세선폭을 구성하는 기존 소자에서 양자적 특징에 의해 발생하는 한계점을 금속 원자를 매개로 한 공진 캐비티 구조체를 이용해 극복할 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, it can be applied to the mass production technology of ultra-fine processes, and the limitations caused by quantum characteristics in existing devices that constitute ultra-fine line widths can be overcome by using a resonance cavity structure using metal atoms. There is an effect that can be overcome.
본 발명의 실시예들에 의하면, 서로 다른 에너지원(전자 또는 광자)을 이용하더라도 동일한 구조를 통해 소자를 구현하기 때문에 응용 가능성을 높일 수 있는 효과가 있다.According to embodiments of the present invention, the applicability can be increased because devices are implemented using the same structure even when different energy sources (electrons or photons) are used.
여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급된다.Even if the effects are not explicitly mentioned here, the effects described in the following specification and their potential effects expected by the technical features of the present invention are treated as if described in the specification of the present invention.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자를 예시한 도면이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 공진 캐비티를 예시한 도면이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 치환된 원자에 따라 전자 신호 전달 원리를 예시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 치환된 원자에 따라 접촉(contact) 모드 AFM(Atomic Force Microscope)을 통해 획득한 I-V 곡선을 예시한 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 광학 신호 전달 원리를 예시한 도면이다.
도 9는 금속 박막 표면 위에 특정 원자가 존재할 (step 1) 및 분자-나노파티클이 존재할 때(step 2)의 광학 신호 측정 결과를 예시한 도면이다.
도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 치환된 원자에 따라 광학 신호 전달 원리를 예시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 커플링된 파티클 크기에 따른 광학 주파수 유지성을 예시한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자에 따라 양자 터널링 신호를 수동 제어하는 것을 예시한 도면이다.
도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분자 소자에 따라 양자 터널링 신호를 능동 제어하는 것을 예시한 도면이다.
도 16 및 도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분자 소자의 신호 증폭을 위해 활성 영역을 늘리는 개선된 구조를 예시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a molecular device according to an embodiment of the present invention.
Figures 2 and 3 are diagrams illustrating a resonance cavity of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
Figures 4 to 6 are diagrams illustrating the principle of electronic signal transmission according to substituted atoms of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
Figure 7 is a diagram illustrating an IV curve obtained through a contact mode AFM (Atomic Force Microscope) according to substituted atoms of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
Figure 8 is a diagram illustrating the optical signal transmission principle of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
Figure 9 is a diagram illustrating the results of optical signal measurement when a specific atom exists on the surface of a metal thin film (step 1) and when a molecule-nanoparticle exists (step 2).
10 to 12 are diagrams illustrating the principles of optical signal transmission according to substituted atoms of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
Figure 13 is a diagram illustrating optical frequency maintenance according to the size of coupled particles of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
Figure 14 is a diagram illustrating manual control of a quantum tunneling signal according to a molecular device according to an embodiment of the present invention.
Figure 15 is a diagram illustrating active control of a quantum tunneling signal according to a molecular device according to another embodiment of the present invention.
Figures 16 and 17 are diagrams illustrating an improved structure for increasing the active area for signal amplification of a molecular device according to another embodiment of the present invention.
이하, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지기능에 대하여 이 분야의 기술자에게 자명한 사항으로서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략하고, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다.Hereinafter, in describing the present invention, if it is determined that related known functions may unnecessarily obscure the gist of the present invention as they are obvious to those skilled in the art, the detailed description will be omitted, and some embodiments of the present invention will be described. It will be described in detail through exemplary drawings.
기존의 소자 구조에 기반한 미세화는 인접한 구조 간 발생하는 간섭 발생 및 공정의 복잡성 증가 등의 한계가 존재한다. Micronization based on existing device structures has limitations such as interference between adjacent structures and increased process complexity.
분자 전자 소자(molecular electronics)는 원자 및 분자 레벨에서의 컨트롤을 통해 물질의 특성을 변화시킬 수 있고, 특성에 따라 다양한 기능을 가지기 때문에 버텀-업(bottom-up) 방식의 미세 소자 구현이 가능하여 기존의 소형 스케일 실리콘 집적 소자를 대체할 수 있을 것으로 기대된다.Molecular electronics can change the properties of materials through control at the atomic and molecular level, and have various functions depending on the properties, making it possible to implement bottom-up micro devices. It is expected that it can replace existing small-scale silicon integrated devices.
분자 소자는 분자 전자 소자, 분자 광학 소자 등에 적용될 수 있다.Molecular devices can be applied to molecular electronic devices, molecular optical devices, etc.
분자 전자 소자의 예시로 분자 전자 메모리 소자는 전자 소자의 동작 원리를 분자 차원에서 이해하여 분자 고유의 메모리 기능을 실현할 수 있도록 분자를 이용하여 신호 처리, 정보 처리 및 정보 저장을 수행하는 전기 회로 소자이다. 분자 논리 소자, 분자 기억 소자, 분자 트랜지스터 등에 적용될 수 있다.As an example of a molecular electronic device, a molecular electronic memory device is an electric circuit device that performs signal processing, information processing, and information storage using molecules to understand the operating principles of electronic devices at the molecular level and realize the molecule's unique memory function. . It can be applied to molecular logic devices, molecular memory devices, molecular transistors, etc.
분자 광학 소자는 유기 소재의 광학 특성을 이용한 광학 소자이며, 태양 전지 및 디스플레이 등에 적용될 수 있다.Molecular optical devices are optical devices that utilize the optical properties of organic materials, and can be applied to solar cells and displays.
본 실시예에 따른 분자 소자는 크게 세 가지 기술적 특징을 갖는다. 첫 번째 특징은 나노미터 또는 그 이하의 스케일에서 형성되는 캐비티 구조체와 해당 구조체 내부에 도입되는 원자의 종류에 따른 전자/광학 신호의 미세 조절이 가능한 요소 기술에 관한 것이다. 두 번째 특징은 외부 자극(빛, 전기장, 자기장)에 따라 양자 터널링 신호를 동적으로 조절할 수 있는 요소 기술에 관한 것이다. 세 번째 특징은 신호 처리의 효율성 증대를 위한 광학/전자 신호 증폭 방법으로 활성 영역(active area)를 늘리는 구조 개선에 관한 것이다.The molecular device according to this embodiment has three major technical characteristics. The first feature concerns element technology that allows fine control of electronic/optical signals depending on the cavity structure formed at a nanometer or smaller scale and the type of atoms introduced inside the structure. The second feature concerns element technology that can dynamically adjust quantum tunneling signals according to external stimuli (light, electric field, magnetic field). The third feature concerns structural improvement that increases the active area through an optical/electronic signal amplification method to increase the efficiency of signal processing.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자를 예시한 도면이다.1 is a diagram illustrating a molecular device according to an embodiment of the present invention.
분자 소자(10)는 금속 박막으로 형성된 제1 공진체(100), 금속 구조체로 형성된 제2 공진체(200), 제1 공진체(100) 및 제2 공진체(200) 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티(300)를 포함한다.The
제2 공진체(200)의 금속 구조체는 나노 파티클, 나노 큐브, 다각형의 구조체, 나노 막대, 이들의 조합을 포함할 수 있다.The metal structure of the
제1 공진체(100)의 금속 박막(metallic nanofilm)과 제2 공진체(200)의 나노 큐브(nanocube), 나노 막대(nanorod) 구조체 조합은 나노 파티클(nanoparticle)과는 달리 공진체 간의 거리를 균일하게 만들 수 있다.The combination of the metallic nanofilm of the
공진 캐비티는 양자 터널링 현상이 일어날 수 있는 수 나노미터 또는 서브나노미터 수준의 크기로 설정될 수 있다. 캐비티를 형성하는 두 금속 나노 공진체는 크기, 두께, 모양 변화가 가능하다.The resonant cavity can be set to a size of several nanometers or subnanometers, where quantum tunneling phenomenon can occur. The two metal nano-resonators that form the cavity can change in size, thickness, and shape.
공진 캐비티는 제1 공진체 및 제2 공진체 사이에 원자 또는 분자 수준의 특정 물질을 도입하여 전자 신호 또는 광학 신호를 전달할 수 있다.The resonant cavity can transmit an electronic signal or an optical signal by introducing a specific material at the atomic or molecular level between the first resonator and the second resonator.
제1 공진체 및 제2 공진체는 전자 신호를 전달하기 위해서 전하 주입(charge injection)이 가능한 전극(electrode) 역할을 수행할 수 있다. 전자 소자에서 전하 주입이 가능한 전극 금속은 전도도(conductivity)가 수십 106 S/m이 넘는 금속 재료를 사용하고, 이온 마이그레이션(Ion-migration)에 따른 유전체 내 금속 필라멘트 형성이 가능한 구리 및 은을 제외할 수 있다. 예컨대, 금: 44.2Х106, 알루미늄: 36.9Х106, 몰리브덴: 18.7Х106 등이 사용 가능하다. The first resonator and the second resonator can serve as electrodes capable of charge injection to transmit electronic signals. Electrode metals capable of charge injection in electronic devices use metal materials with a conductivity exceeding tens of 10 6 S/m, excluding copper and silver that can form metal filaments in the dielectric due to ion migration. can do. For example, gold: 44.2Х10 6 , aluminum: 36.9Х10 6 , molybdenum: 18.7Х10 6 , etc. can be used.
도 2 및 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 공진 캐비티를 예시한 도면이다.Figures 2 and 3 are diagrams illustrating a resonance cavity of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
공진 캐비티(300)는 제1 공진체를 이루는 원자와 공유 결합(covalent bond)하는 원소를 포함하는 제1 링커(311), 제2 공진체를 이루는 원자와 공유 결합하는 원소를 포함하는 제2 링커(312), 제1 링커에 연결되고 탄소를 포함하는 유기 화합물로 카복실산염(COO-)을 포함하는 제1 스페이서(321), 제2 링커에 연결되고 탄소를 포함하는 유기 화합물로 카복실산염(COO-)을 포함하는 제2 스페이서(322), 및 제1 스페이서의 카복실산염(COO-)과 상호 결합하고 제2 스페이서의 카복실산염(COO-)과 상호 결합하는 중심 원자(330)를 포함할 수 있다.The
제1 링커(311) 및 제2 링커(312)의 예시로는 Au-S 등이 있다. 제1 링커(311) 및 제2 링커(312)는 제1 공진체와 제2 공진체를 이루는 원자와 공유 결합을 이룰 수 있는 원소를 포함한다.Examples of the first linker 311 and the second linker 312 include Au-S. The first linker 311 and the second linker 312 include an element that can form a covalent bond with the atoms forming the first resonator and the second resonator.
중심 원자(330)의 예시로는 Cu, Mg, Na 등이 있다. 중심 원자(330)는 제1 스페이서와 제2 스페이서의 카복실산염(COO-)과 상호 결합 가능한 여러 종류의 원자로 치환이 가능하다.Examples of the central atom 330 include Cu, Mg, and Na. The central atom 330 can be replaced with various types of atoms that can mutually bond with the carboxylate (COO - ) of the first spacer and the second spacer.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 치환된 원자에 따라 전자 신호 전달 원리를 예시한 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 치환된 원자에 따라 접촉(contact) 모드 AFM(Atomic Force Microscope)을 통해 획득한 I-V 곡선을 예시한 도면이다.Figures 4 to 6 are diagrams illustrating the principle of electronic signal transmission according to substituted atoms of a molecular device according to an embodiment of the present invention, and Figure 7 is a diagram illustrating the principle of electronic signal transmission according to a substituted atom of a molecular device according to an embodiment of the present invention. This diagram illustrates the I-V curve obtained through a contact mode AFM (Atomic Force Microscope).
분자 소자는 공진 캐비티의 중심 원자를 치환하며, 중심 원자의 종류에 따라 고유의 에너지 레벨이 결정될 수 있다.The molecular element replaces the central atom of the resonance cavity, and its unique energy level can be determined depending on the type of the central atom.
분자 소자는 HOMO(highest occupied molecular orbital)-LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)의 위치, HOMO-LUMO의 갭(bandgap), MO(molecular orbital)에 나타난 전자 구름(electron cloud)의 분포가 편재(localization) 또는 비편재(delocalization) 여부, 프런티어(Frontier) MO (HOMO, LUMO) 레벨이 페르미 레벨(Fermi level)에 가까운지(터널링 배리어 높이(tunneling-barrier height)), 이들의 조합을 기준으로 소재(material)의 특성에 따라 제1 공진체 및 제2 공진체 사이를 흐르는 양자 터널링 신호를 조절할 수 있다.Molecular elements are determined by the localization of the position of the highest occupied molecular orbital (HOMO) and lowest unoccupied molecular orbital (LUMO), the gap between HOMO and LUMO, and the distribution of the electron cloud appearing in the molecular orbital (MO). Or, whether there is delocalization, whether the Frontier MO (HOMO, LUMO) level is close to the Fermi level (tunneling-barrier height), and the combination of these. ) The quantum tunneling signal flowing between the first resonator and the second resonator can be adjusted depending on the characteristics of the .
공진체 사이에 위치한 소재(material)가 결정한 에너지 갭 (HOMO-LUMO의 차이), 베리어 위치 (페르미 레벨에 가까운 정도), 오비탈의 편재(localization) 정도에 따라 에너지 수송이 결정된다.Energy transport is determined by the energy gap (difference between HOMO-LUMO) determined by the material located between the resonators, the barrier position (close to the Fermi level), and the degree of localization of the orbitals.
에너지 갭이 작을 수록, 프런티어 MO (HOMO/LUMO)가 페르미 레벨에 가까울수록, 비편재된(delocalized) MO를 가질 수록 에너지 수송이 빠르다.The smaller the energy gap, the closer the frontier MO (HOMO/LUMO) is to the Fermi level, and the more delocalized the MO, the faster the energy transport.
비편재된(delocalized) MO는 빠른 채널(Fast channel) (Coherent tunneling)이고, 편재된(localized) MO는 느린 채널(Slow channel) (Incoherent hopping)에 해당한다.A delocalized MO corresponds to a fast channel (Coherent tunneling), and a localized MO corresponds to a slow channel (Incoherent hopping).
도 4 내지 도 6을 참조하면, 중심 원자에 구리(Cu) 원자가 위치하면, 비편재된(delocalized) LUMO 레벨을 통해 코히런트 온 공진 터널링(Coherent on-resonant tunneling)을 하며, 프런티어 오비탈(Frontier orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내여서 오비탈을 통해 양자 터널링 현상이 일어날 수 있다.Referring to Figures 4 to 6, when a copper (Cu) atom is located at the central atom, coherent on-resonant tunneling occurs through a delocalized LUMO level and a frontier orbital. ) is within the Fermi level and the reference distance, so a quantum tunneling phenomenon can occur through the orbital.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 중심 원자에 나트륨(Na) 원자가 위치하면, 비편재된(delocalized) HOMO 레벨을 통해 코히런트 온 공진 터널링(Coherent on-resonant tunneling)을 하며, 프런티어 오비탈(Frontier orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내여서 오비탈을 통해 상기 양자 터널링 현상이 일어날 수 있다.Referring to Figures 4 to 6, when a sodium (Na) atom is located at the central atom, coherent on-resonant tunneling occurs through a delocalized HOMO level and a frontier orbital. ) is within the Fermi level and the reference distance, so the quantum tunneling phenomenon can occur through the orbital.
도 4 내지 도 7을 참조하면, 중심 원자에 마그네슘(Mg) 원자가 위치하면, 바이어스에 따라 서로 다른 구동 원리를 나타내고, 정 바이어스(positive bias)에서는 코히런트 오프 공진 터널링(coherent off resonant tunneling)을 수행하며, 부 바이어스(negative bias)에서는 편재된(localized) LUMO를 통한 인코히런트 터널링(incoherent tunneling) 현상이 나타날 수 있다.Referring to Figures 4 to 7, when a magnesium (Mg) atom is located at the central atom, different driving principles are shown depending on the bias, and coherent off resonant tunneling is performed at positive bias. In addition, in negative bias, incoherent tunneling through localized LUMO may occur.
중심 원자에 마그네슘(Mg) 원자가 위치하면, 편재된(localized) 프런티어 오비탈 LUMO가 페르미 레벨과 기준 거리 이외여서 오비탈을 통하지 않는 코히런트 오프 공진 터널링(coherent off resonant tunneling) 현상이 나타날 수 있고, 나타난 코히런트 오프 공진 터널링은 코히런트 온 공진 터널링 보다 커런트 레벨(current level)이 작은 것일 수 있다.When a magnesium (Mg) atom is located at the central atom, the localized frontier orbital LUMO is outside the Fermi level and the reference distance, so a coherent off resonant tunneling phenomenon that does not pass through the orbital may occur, and the Cohi Runt-off resonant tunneling may have a smaller current level than coherent-on resonant tunneling.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 광학 신호 전달 원리를 예시한 도면이고, 도 9는 금속 박막 표면 위에 특정 원자가 존재할 (step 1) 및 분자-나노파티클이 존재할 때(step 2)의 광학 신호 측정 결과를 예시한 도면이고, 도 10 내지 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 치환된 원자에 따라 광학 신호 전달 원리를 예시한 도면이다.FIG. 8 is a diagram illustrating the principle of optical signal transmission of a molecular device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram illustrating the principle of optical signal transmission of a molecular device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram illustrating the principle of optical signal transmission when a specific atom exists on the surface of a metal thin film (step 1) and when a molecule-nanoparticle exists (step 2) is a diagram illustrating the optical signal measurement results, and FIGS. 10 to 12 are diagrams illustrating the optical signal transmission principle according to substituted atoms of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
제1 공진체 및 제2 공진체는 광학 신호를 전달하기 위해서 표면 플라즈몬 여기가 가능한 금속을 사용할 수 있다. 제1 공진체 및 제2 공진체는 Au, Ag, Cu, Al, Pd, Pt, TiN, 또는 이들의 조합된 재료를 사용할 수 있다.The first resonator and the second resonator may be made of a metal capable of surface plasmon excitation in order to transmit optical signals. The first resonator and the second resonator may be made of Au, Ag, Cu, Al, Pd, Pt, TiN, or a combination thereof.
도 8을 참조하면, 제1 공진체에 여기된 표면 플라즈몬의 에너지는 비방사 채널(non-radiative channel)을 통해 에너지 소실(dissipation)을 일으켜 핫 캐리어(hot carrier)를 생성하고, 비평형 분포(Non-equilibrium distribution)를 갖는 핫 캐리어가 원자를 매개로 한 공진 캐비티를 통해 제2 공진체로 전달될 수 있다.Referring to FIG. 8, the energy of the surface plasmon excited in the first resonator causes energy dissipation through a non-radiative channel to generate a hot carrier, and a non-equilibrium distribution ( Hot carriers with non-equilibrium distribution may be transferred to the second resonator through the resonance cavity mediated by atoms.
도 9를 참조하면, 캐비티를 구리로 치환한 경우 광학 반응이 높다. 낮은 배리어 높이를 형성하고, 페르미 레벨 주변의 비편재 분자 오비탈을 통해 광 에너지가 쉽게 전달된다.Referring to Figure 9, when the cavity is replaced with copper, the optical response is high. It forms a low barrier height, and light energy is easily transmitted through delocalized molecular orbitals around the Fermi level.
도 9를 참조하면, 캐비티를 마그네슘으로 치환한 경우 광학 반응이 제로에 가깝다. 높은 배리어 높이를 형성하고, 광 에너지가 나노파티클로 전달되지 않는다.Referring to FIG. 9, when the cavity is replaced with magnesium, the optical response is close to zero. It forms a high barrier height and light energy is not transmitted to the nanoparticles.
도 9를 참조하면, 캐비티를 나트륨으로 치환한 경우 광학 반응이 낮다. 높은 배리어 높이를 형성하나, 초과 전하(excessive charge) (2 COO- + Na+ = -1 전하)에 의해 낮은 신호 전달이 발생한다.Referring to FIG. 9, when the cavity is replaced with sodium, the optical response is low. Creates a high barrier height, but low signal transmission occurs due to excess charge (2 COO - + Na + = -1 charge).
도입된 단일 원자에 따라 배리어 높이(barrier height)를 컨트롤하여 광 신호의 전달 특성을 바꿀 수 있음을 확인할 수 있다.It can be seen that the transmission characteristics of optical signals can be changed by controlling the barrier height depending on the introduced single atom.
분자 오비탈(molecular orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내로 가까운 구리(Cu) 원자 또는 나트륨(Na) 원자가 중심 원자에 위치하면, 중심 원자를 통해 각각 핫 캐리어(hot electron 및 hot hole)의 전달이 이루어질 수 있다. 페르미 레벨에 가까운 분자 오비탈가 없는 마스네슘은 캐리어 전달 효율이 급격히 떨어져 신호 전달이 어렵다.When a copper (Cu) atom or sodium (Na) atom whose molecular orbital is close to the Fermi level and within a standard distance is located at the central atom, hot carriers (hot electrons and hot holes) are distributed through the central atom, respectively. Delivery can take place. Magnesium, which does not have a molecular orbital close to the Fermi level, has a sharp drop in carrier transmission efficiency, making signal transmission difficult.
공진 캐비티를 위치한 제1 링커, 제2 링커, 제1 스페이서, 제2 스페이서, 중심 원자에 위치한 물질에 따라 공진 캐비티의 굴절률(refractive index)이 결정될 수 있다.The refractive index of the resonance cavity may be determined depending on the first linker, second linker, first spacer, second spacer, and material located at the central atom of the resonance cavity.
제1 공진체 및 제2 공진체의 크기, 재료, 모양과 광학 신호의 에너지 커플링 여부에 따라 광학 신호의 온 또는 오프를 결정할 수 있다.The optical signal can be turned on or off depending on the size, material, and shape of the first resonator and the second resonator, and whether the optical signal is energy-coupled.
공진체에 강하게 커플링된 광학 신호는 소멸파(evanescence wave) 또는 핫 전자(hot electron)의 형태로 MO의 위치 및 오비탈의 전자 분포에 따라 전달된다.The optical signal strongly coupled to the resonator is transmitted in the form of an evanescence wave or hot electron depending on the position of the MO and the electron distribution in the orbital.
평평한 금속 필름 표면에 플라즈몬의 운동량과 일치하는 빛을 조사한 경우, 플라즈몬은 필름의 바깥쪽에서 들뜨고 (표면 플라즈몬공명, surface plasmon resonance, SPR), 소멸파(evanescence wave)가 금속 필름을 통과한다. 통과한 에너지는 분자에 의해 결정된 MO 에너지에 따라 신호가 다음 구조체로 전달된다.When light matching the momentum of the plasmon is irradiated on the surface of a flat metal film, the plasmon is excited outside the film (surface plasmon resonance, SPR), and an evanescence wave passes through the metal film. The energy that passes through is transmitted to the next structure according to the MO energy determined by the molecule.
나노미터 크기의 금속 구조체에서 발생한 표면 플라즈몬을 국소표면플라즈몬 공명 (Localized surface plasmon resonance, LSPR)이라고 하며 이 경우 들뜬 핫 전자(hot electron)가 분자에 의해 결정된 MO를 따라 신호가 다음 구조체로 전달된다.Surface plasmons generated from nanometer-sized metal structures are called localized surface plasmon resonance (LSPR), and in this case, excited hot electrons are transmitted to the next structure along the MO determined by the molecule.
커플링된 광학 신호가 제1 공진체, 공진 캐비티, 제2 공진체를 거쳐 통과하면, 투과(transmittance) 에너지의 인텐시티(intensity) 및 주파수(frequency)를 변조할 수 있다. 이를 통해 색상(color) 변조 소자에 활용될 수 있다.When the coupled optical signal passes through the first resonator, the resonant cavity, and the second resonator, the intensity and frequency of the transmittance energy can be modulated. Through this, it can be used in a color modulation device.
공진 캐비티의 분자 접합(molecule junction) 형성은 머캅토카르복실릭산(mercaptocarboxylic acid)(헤드 그룹(head group): -SH group, 터미널 그룹(terminal group): -COOH group) 용액(solution)을 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체에 침지(immersion)하여 S-Au의 자발적 반응을 통해 기능화시키고, 도입될 원소를 포함하는 용액으로 분자 접합을 형성할 수 있다. 이러한 공정은 마이크로플루이딕 칩 안에서 이루어질 수 있고, 없더라도 솔루션 상태에서 제작 가능하다.The formation of a molecular junction in the resonant cavity is performed using the mercaptocarboxylic acid (head group: -SH group, terminal group: -COOH group) solution. 1 resonator and the second resonator are immersed to functionalize the S-Au through a spontaneous reaction, and a molecular junction can be formed with a solution containing the element to be introduced. This process can be performed within a microfluidic chip, or even without one, it can be manufactured in a solution state.
공진 캐비티 내부에 존재하는 분자층(molecule layer)은 자기 조립 단층(Self-Assembled Monolayer, SAM)을 통해 확보하고, 탄소로 이루어진 물질을 혼합하여 분자들의 응집(aggregation) 및 비정렬(misalignment) 없이 안정적인 분자층을 형성할 수 있다. 자기 조립 단층은 흡착(adsorption)에 의해서 표면들에 자발적으로 형성된 분자 조립체들을 의미한다.The molecular layer existing inside the resonance cavity is secured through self-assembled monolayer (SAM), and by mixing materials made of carbon, it is stable without aggregation or misalignment of molecules. A molecular layer can be formed. Self-assembled monolayers refer to molecular assemblies that are spontaneously formed on surfaces by adsorption.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자의 커플링된 파티클 크기에 따른 광학 주파수 유지성을 예시한 도면이다.Figure 13 is a diagram illustrating optical frequency maintenance according to the size of coupled particles of a molecular device according to an embodiment of the present invention.
조사해 주는 파장과 나노박막(nanofilm)-에어 갭(air gap)-나노파티클(nanoparticle) 구조와의 커플링 조건에 따라 투과 광 파장(transmitted light wavelength)이 달라진다. 특히, 633 nm의 광원을 썼을 때, 3 nm의 파장 변화가 가장 크고(Δ=40 nm), 810 nm의 경우 35 nm의 파장 변화가 가장 크다(Δ=75 nm).The transmitted light wavelength varies depending on the irradiation wavelength and the coupling conditions between the nanofilm-air gap-nanoparticle structure. In particular, when a 633 nm light source was used, the wavelength change of 3 nm was the largest (Δ=40 nm), and in the case of 810 nm, the wavelength change of 35 nm was the largest (Δ=75 nm).
이러한 결과를 기반으로 1) 파장을 고정하고, 파티클을 사이즈를 다르게 하거나, 2) 파티클의 사이즈를 고정하고 조사해주는 파장을 다르게 하여 서로 다른 파장 대역을 생성 할 수 있었다.Based on these results, it was possible to create different wavelength bands by 1) fixing the wavelength and varying the size of the particles, or 2) fixing the size of the particles and varying the irradiated wavelength.
본 특허의 주요 핵심 기술을 응용하여 에어 갭(air gap)을 다른 물질로 치환하거나 갭의 크기를 능동적으로(active) 조절하게 되면 방출되는 피크 파장(peak wavelength) 및 파장 이동(peak wavelength shift)를 조절할 수 있다.When the main core technology of this patent is applied to replace the air gap with another material or actively adjust the size of the gap, the peak wavelength and peak wavelength shift emitted are changed. It can be adjusted.
본 실시예들에 의하면 서브 나노미터(sub-nanometer), 나노미터(nanometer)의 갭(gap)을 만들 수 있는 금속 나노구조체(metallic nanostructure)와 이 구조를 연결할 수 있는 카본 유기물을 포함하며 갭에 위치한 원자의 종류 변화만으로도 신호 변조가 가능하여, 화학적 백본 분자(chemically backbone molecule)의 변화없이 분자 접합(molecule junction)의 터널링 신호를 변조시킬 수 있다.According to the present embodiments, it includes a metal nanostructure capable of creating a sub-nanometer or nanometer gap and a carbon organic material capable of connecting this structure, and Signal modulation is possible just by changing the type of atom located, so the tunneling signal of the molecular junction can be modulated without changing the chemically backbone molecule.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 분자 소자에 따라 양자 터널링 신호를 수동 제어하는 것을 예시한 도면이고, 도 15는 본 발명의 다른 실시예에 따른 분자 소자에 따라 양자 터널링 신호를 능동 제어하는 것을 예시한 도면이다.FIG. 14 is a diagram illustrating passive control of a quantum tunneling signal according to a molecular device according to an embodiment of the present invention, and FIG. 15 is a diagram illustrating active control of a quantum tunneling signal according to a molecular device according to another embodiment of the present invention. This is a drawing illustrating this.
양자 터널링 신호를 수동 제어하는 것은 매개 소재에 따라 다른 캐비티 내 에너지 레벨을 제어하는 것이고, 양자 터널링 신호를 능동 제어하는 것은 외부 자극(빛, 전기장, 자기장)에 따른 물질 특성을 변화시키는 것이다.Passively controlling the quantum tunneling signal is controlling the energy level within the cavity depending on the intermediate material, while actively controlling the quantum tunneling signal is changing the material properties according to external stimuli (light, electric field, magnetic field).
분자 소자는 금속 박막으로 형성된 제1 공진체, 금속 구조체로 형성된 제2 공진체, 제1 공진체 및 제2 공진체 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티를 포함하며, 제1 공진체 및 제2 공진체 사이에 집적(integration)하는 물질은 재료(material)의 고정된 특성에 의해 의존하는 것이 아니라 외부의 자극에 의해 광학적 특성, 전기적 특성, 또는 재료적 특성을 변화시킬 수 있는 물질을 사용한다. 외부의 자극은 빛, 전기장, 또는 자기장에 따라 양자 터널링 현상에 따른 양자 터널링 신호를 동적으로 제어한다.The molecular device includes a first resonator formed of a metal thin film, a second resonator formed of a metal structure, and a resonance cavity in which a quantum tunneling phenomenon occurs between the first resonator and the second resonator. The material integrated between resonators does not depend on the fixed characteristics of the material, but uses a material that can change optical properties, electrical properties, or material properties by external stimulation. External stimuli dynamically control the quantum tunneling signal according to the quantum tunneling phenomenon depending on light, electric field, or magnetic field.
분자 소자는 빛에 의해 에너지 준위(energy level), 파이 컨쥬게이션(pi-conjugation), 쌍극자 모멘트(dipole moment), 이온 상태(ionic state), 입체 형태(steric conformation), 시스 또는 트랜스(cis/trans)에 따른 이성질체 형태(isomeric conformation)를 바꿀 수 있는 광전환성 분자(photoswitchable molecule)을 활용하여 공진 캐비티를 통해 전송되는 양자 터널링 신호를 동적으로 조절할 수 있다. 공진 캐비티는 아조벤젠(Azobenzene)을 포함할 수 있다.Molecular elements can change energy level, pi-conjugation, dipole moment, ionic state, steric conformation, cis or trans (cis/trans) by light. ), the quantum tunneling signal transmitted through the resonant cavity can be dynamically controlled by using a photoswitchable molecule that can change the isomeric conformation. The resonant cavity may contain azobenzene.
분자 소자는 전기장에 의해 공진 캐비티에 위치한 물질의 특성 중 MO(molecular orbital)에 나타난 편재(localization) 또는 비편재(delocalization)를 바꿀 수 있는 전기 활성 분자(electroactive molecule)를 활용하여 공진 캐비티를 통해 전송되는 양자 터널링 신호를 동적으로 조절할 수 있다. 공진 캐비티는 금속 중심을 가진 유기금속 화합물(organometallic compound with metallic center) 또는 반대 이온이 있는 메틸 비올로겐(methyl viologen with counter ion)을 포함할 수 있다.Molecular devices are transmitted through the resonance cavity by utilizing electroactive molecules that can change the localization or delocalization shown in the MO (molecular orbital) among the properties of the material located in the resonance cavity by an electric field. The quantum tunneling signal can be dynamically adjusted. The resonant cavity may contain an organometallic compound with a metallic center or methyl viologen with a counter ion.
분자 소자는 자기장에 의해 분자 또는 분자를 포함한 구조체의 스핀 상태를 변화시킬 수 있는 물질을 활용하여, 스핀 상태에 따라 존재하는 상태 밀도(density of states)가 달라지게 되어 투과(transmission)될 수 있는 오비탈이 변화하고, 이에 따라 양자 터널링 신호를 동적으로 조절할 수 있다. 캐비티는 단분자 자석(single molecule magnet) 또는 메탈로센(metallocene)을 포함할 수 있다.Molecular devices utilize materials that can change the spin state of molecules or structures containing molecules by a magnetic field, and the density of states varies depending on the spin state, creating orbitals that can be transmitted. This changes, and the quantum tunneling signal can be dynamically adjusted accordingly. The cavity may contain a single molecule magnet or metallocene.
도 16 및 도 17은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 분자 소자의 신호 증폭을 위해 활성 영역을 늘리는 개선된 구조를 예시한 도면이다.Figures 16 and 17 are diagrams illustrating an improved structure for increasing the active area for signal amplification of a molecular device according to another embodiment of the present invention.
분자 소자는 금속 박막으로 형성된 제1 공진체, 금속 구조체로 형성된 제2 공진체, 제1 공진체 및 제2 공진체 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티를 포함하며, 제1 공진체 및 제2 공진체는 전극 역할을 수행한다.The molecular device includes a first resonator formed of a metal thin film, a second resonator formed of a metal structure, and a resonance cavity in which a quantum tunneling phenomenon occurs between the first resonator and the second resonator. The resonator acts as an electrode.
제2 공진체는 원 기둥 또는 다각 기둥의 기둥 형상으로 형성되고, 제1 공진체가 제2 공진체의 표면을 180도 내지 360도의 범위에서 일부 또는 전체를 둘러싸는 구조로 형성되어 공진 캐비티의 면적을 확보한다.The second resonator is formed in the shape of a circular pillar or polygonal pillar, and the first resonator is formed in a structure that partially or entirely surrounds the surface of the second resonator in the range of 180 degrees to 360 degrees, thereby reducing the area of the resonance cavity. Secure.
제1 공진체 및 제2 공진체는 3면 또는 4면에서 접촉 접합(contact junction)을 이루고, 코어쉘 구조를 적용할 때 제2 공진체에서 나노 선의 형태로 외부로 노출되는 단자를 갖도록 할 수 있다.The first resonator and the second resonator form a contact junction on three or four sides, and when a core-shell structure is applied, the second resonator can have a terminal exposed to the outside in the form of a nanowire. there is.
제1 공진체 및 제2 공진체 사이의 절연 분자(insulating molecule) 물질은 등각 코팅(conformal coating)이 4면으로 가능한 분자 드롭 캐스팅(molecule drop casting) 또는 침지(immersion), 또는 나노구조체를 멤브레인(membrane) 위에 플로팅(floating) 후 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 활용하여 코팅할 수 있다.The insulating molecule material between the first resonator and the second resonator can be formed by molecular drop casting or immersion, which allows conformal coating on four sides, or by forming the nanostructure into a membrane ( After floating on the membrane, it can be coated using Atomic Layer Deposition (ALD).
분자 소자는 수동 제어와 능동 제어를 모두 가능한 구조로 구현될 수 있고, 수동 제어 및/또는 능동 제어를 가능하게 하면서 3차원 영역이 개선된 구조가 결합된 구조로 구현될 수도 있다.Molecular devices can be implemented in a structure that allows both passive control and active control, and can also be implemented in a structure that combines a structure that allows passive control and/or active control and has an improved three-dimensional area.
본 실시예에 따른 분자 소자는 기존의 FET 및 OFET가 가진 특성, 기존 2-단자(terminal) 금속(metal)-분자(molecule)-금속(metal) 구조가 가진 특성을 서브 나노미터, 나노미터 스케일의 캐비티에서 관찰하기 위해 금속 나노구조체(metallic nanostructure)의 조합이 이루는 캐비티 사이 분자의 원자 종류 변화만으로 양자 터널링 신호의 조절 및 증폭 방법에 대한 기술 개발에 초점을 맞추고 이를 기반으로 전자 광학 소자로의 응용에 활용 가능하다.The molecular device according to this embodiment has the characteristics of existing FETs and OFETs, and the characteristics of the existing two-terminal metal-molecule-metal structure in sub-nanometer and nanometer scales. In order to observe in the cavity, we focus on developing technology for controlling and amplifying quantum tunneling signals only by changing the types of atoms in the molecules between the cavities formed by the combination of metal nanostructures, and based on this, apply it to electro-optical devices. It can be used for.
본 실시예에 따른 분자 소자는 분자 자체가 아닌 원자, 이온 등 원자 사이즈(atomic size)의 재료가 집적(integration)이 가능한 템플릿(template)을 제공하고 원자 정밀도(atomic precision)로 해당 재료의 치환을 통해 분자 전체의 재료적 특징을 변조할 수 있다.The molecular device according to this embodiment provides a template that allows the integration of atomic-sized materials such as atoms and ions, rather than the molecules themselves, and allows replacement of the materials with atomic precision. Through this, the material characteristics of the entire molecule can be modulated.
현 실리콘 기반 기술이 근본적으로 해결해야 하는 스케일링 이슈 및 소스-드레인 전자 터널링(source-drain electron tunneling) 한계를 버텀 업(bottom up) 방식의 해당 기술요소로 접근하고 기능적(functionality) 조절을 할 수 있다.Scaling issues and source-drain electron tunneling limitations, which must be fundamentally resolved by current silicon-based technology, can be approached with the corresponding technology elements in a bottom-up manner and functionality can be adjusted. .
두 구조체 사이 단일 양이온(single cation)의 집적(integration)에 의해 결정되는 분자 오비탈(MO)에 의한 광학 신호와 전기 신호의 동시 조절이 가능한 플랫폼을 제공한다. 분자 전체가 아닌 (1-2 nm) 단일 원자 한 개의 변조만으로 분자 전체의 광학/전기적 특징을 유도하여 신호를 변조할 수 있는 플랫폼 제공한다. 캐비티 내 원자 접합(atomic junction)을 갖는 구조체를 통해 전기적 신호 뿐만 아니라 광학적 신호 또한 변화시켜 동시에 조절할 수 있다. It provides a platform that allows simultaneous control of optical and electrical signals by molecular orbitals (MOs) determined by the integration of a single cation between two structures. It provides a platform that can modulate signals by inducing the optical/electrical characteristics of the entire molecule by only modulating a single atom (1-2 nm) rather than the entire molecule. Through a structure with atomic junctions within the cavity, not only electrical signals but also optical signals can be changed and controlled simultaneously.
분자 소자는 수동 또는 능동 전자 소자, 바이오 화학 분자 센서 등에 적용될 수 있다. 분자 소자를 통해 전자의 양자 효과를 사용하여 단일 전자의 동작을 제어하고 분자 다이오드, 분자 메모리, 분자 와이어, 분자 전계 효과 트랜지스터 및 분자 스위치와 같은 정보 감지, 처리, 전송 및 저장 기능을 실현할 수 있다.Molecular devices can be applied to passive or active electronic devices, biochemical molecular sensors, etc. Through molecular devices, the quantum effect of electrons can be used to control the operation of single electrons and realize information sensing, processing, transmission and storage functions such as molecular diodes, molecular memories, molecular wires, molecular field effect transistors and molecular switches.
분자 소자가 적용된 다양한 전자 장치에 포함된 복수의 구성요소들은 상호 결합되어 적어도 하나의 모듈로 구현될 수 있다. 구성요소들은 장치 내부의 소프트웨어적인 모듈 또는 하드웨어적인 모듈을 연결하는 통신 경로에 연결되어 상호 간에 유기적으로 동작한다. 이러한 구성요소들은 하나 이상의 통신 버스 또는 신호선을 이용하여 통신한다.A plurality of components included in various electronic devices using molecular devices may be combined with each other and implemented as at least one module. Components are connected to a communication path that connects software modules or hardware modules within the device and operate organically with each other. These components communicate using one or more communication buses or signal lines.
분자 소자가 적용된 다양한 전자 장치는 하드웨어, 펌웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합에 의해 로직회로 내에서 구현될 수 있고, 범용 또는 특정 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수도 있다. 장치는 고정배선형(Hardwired) 기기, 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이(Field Programmable Gate Array, FPGA), 주문형 반도체(Application Specific Integrated Circuit, ASIC) 등을 이용하여 구현될 수 있다. 또한, 장치는 하나 이상의 프로세서 및 컨트롤러를 포함한 시스템온칩(System on Chip, SoC)으로 구현될 수 있다.Various electronic devices using molecular elements may be implemented within a logic circuit using hardware, firmware, software, or a combination thereof, and may also be implemented using a general-purpose or special-purpose computer. The device may be implemented using hardwired devices, field programmable gate arrays (FPGAs), application specific integrated circuits (ASICs), etc. Additionally, the device may be implemented as a System on Chip (SoC) including one or more processors and a controller.
분자 소자가 적용된 다양한 전자 장치는 하드웨어적 요소가 마련된 컴퓨팅 디바이스에 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합하는 형태로 탑재될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 각종 기기 또는 유무선 통신망과 통신을 수행하기 위한 통신 모뎀 등의 통신장치, 프로그램을 실행하기 위한 데이터를 저장하는 메모리, 프로그램을 실행하여 연산 및 명령하기 위한 마이크로프로세서 등을 전부 또는 일부 포함한 다양한 장치를 의미할 수 있다.Various electronic devices using molecular elements can be mounted on a computing device equipped with hardware elements in the form of software, hardware, or a combination thereof. Computing devices are a variety of devices, including all or part of communication devices such as communication modems for communicating with various devices or wired and wireless communication networks, memory for storing data for executing programs, and microprocessors for executing programs to perform calculations and commands. It can mean a device.
본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.These embodiments are intended to explain the technical idea of the present embodiment, and the scope of the technical idea of the present embodiment is not limited by these examples. The scope of protection of this embodiment should be interpreted in accordance with the claims below, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of rights of this embodiment.
10: 분자 소자
100: 제1 공진체
200: 제2 공진체
300: 공진 캐비티10: Molecular element
100: first resonator
200: second resonator
300: resonant cavity
Claims (31)
금속 박막으로 형성된 제1 공진체;
금속 구조체로 형성된 제2 공진체; 및
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티를 포함하는 분자 소자.In molecular devices,
A first resonator formed of a metal thin film;
a second resonator formed of a metal structure; and
A molecular device comprising a resonance cavity in which a quantum tunneling phenomenon occurs between the first resonator and the second resonator.
상기 제2 공진체의 상기 금속 구조체는 나노 파티클, 나노 큐브, 다각형의 구조체, 나노 막대, 이들의 조합을 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to paragraph 1,
The metal structure of the second resonator is a molecular device characterized in that it includes nanoparticles, nanocubes, polygonal structures, nanorods, and combinations thereof.
상기 공진 캐비티는 나노미터 또는 서브나노미터 수준의 크기로 설정되는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to paragraph 1,
A molecular device characterized in that the resonance cavity is set to a nanometer or subnanometer level.
상기 공진 캐비티는,
상기 제1 공진체를 이루는 원자와 공유 결합(covalent bond)하는 원소를 포함하는 제1 링커;
상기 제2 공진체를 이루는 원자와 공유 결합하는 원소를 포함하는 제2 링커;
상기 제1 링커에 연결되고 탄소를 포함하는 유기 화합물로 카복실산염(COO-)을 포함하는 제1 스페이서;
상기 제2 링커에 연결되고 탄소를 포함하는 유기 화합물로 카복실산염(COO-)을 포함하는 제2 스페이서; 및
상기 제1 스페이서의 카복실산염(COO-)과 상호 결합하고 상기 제2 스페이서의 카복실산염(COO-)과 상호 결합하는 중심 원자를 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to paragraph 1,
The resonance cavity is,
A first linker containing an element that forms a covalent bond with an atom forming the first resonator;
a second linker containing an element that covalently bonds to an atom forming the second resonator;
A first spacer connected to the first linker and containing carboxylate (COO - ) as an organic compound containing carbon;
A second spacer connected to the second linker and containing carboxylate (COO - ) as an organic compound containing carbon; and
A molecular device comprising a central atom that bonds to the carboxylate (COO - ) of the first spacer and to the carboxylate (COO - ) of the second spacer.
상기 공진 캐비티는 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에 원자 또는 분자 수준의 특정 물질을 도입하여 전자 신호 또는 광학 신호를 전달하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to paragraph 4,
The resonant cavity is a molecular device characterized in that it transmits an electronic signal or an optical signal by introducing a specific material at the atomic or molecular level between the first resonator and the second resonator.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 상기 전자 신호를 전달하기 위해서 전하 주입(charge injection)이 가능한 전극(electrode) 역할을 수행하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 5,
A molecular device characterized in that the first resonator and the second resonator serve as electrodes capable of charge injection to transmit the electronic signal.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 전도도(conductivity)가 수십 106 S/m이 넘는 금속 재료를 사용하고, 이온 마이그레이션(Ion-migration)에 따른 유전체 내 금속 필라멘트 형성이 가능한 구리 및 은을 제외하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 6,
The first resonator and the second resonator use metal materials with a conductivity exceeding tens of 10 6 S/m, and copper and silver capable of forming metal filaments in the dielectric due to ion migration. A molecular device characterized by excluding.
상기 분자 소자는 상기 공진 캐비티의 상기 중심 원자를 치환하며,
상기 중심 원자의 종류에 따라 고유의 에너지 레벨이 결정되는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to paragraph 4,
The molecular element replaces the central atom of the resonant cavity,
A molecular device characterized in that its unique energy level is determined depending on the type of the central atom.
상기 분자 소자는 HOMO(highest occupied molecular orbital)-LUMO(lowest unoccupied molecular orbital)의 위치, HOMO-LUMO의 갭(bandgap), MO(molecular orbital)에 나타난 전자 구름(electron cloud)의 분포가 편재(localization) 또는 비편재(delocalization) 여부, 프런티어(Frontier) MO (HOMO, LUMO) 레벨이 페르미 레벨(Fermi level)에 가까운지, 이들의 조합을 기준으로 소재(material)의 특성에 따라 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이를 흐르는 양자 터널링 신호를 조절하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 8,
The molecular element is localized by the location of the highest occupied molecular orbital (HOMO)-lowest unoccupied molecular orbital (LUMO), the gap (bandgap) of HOMO-LUMO, and the distribution of the electron cloud appearing in the molecular orbital (MO). ) or delocalization, whether the frontier MO (HOMO, LUMO) level is close to the Fermi level, and the combination of these, depending on the characteristics of the material, the first resonator And a molecular device characterized by controlling a quantum tunneling signal flowing between the second resonators.
상기 중심 원자에 구리(Cu) 원자가 위치하면, 비편재된(delocalized) LUMO 레벨을 통해 코히런트 온 공진 터널링(Coherent on-resonant tunneling)을 하며, 프런티어 오비탈(Frontier orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내여서 오비탈을 통해 상기 양자 터널링 현상이 일어나는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 8,
When a copper (Cu) atom is located at the central atom, coherent on-resonant tunneling occurs through a delocalized LUMO level, and the frontier orbital is at the Fermi level. A molecular device characterized in that the quantum tunneling phenomenon occurs through an orbital because it is within a reference distance.
상기 중심 원자에 나트륨(Na) 원자가 위치하면, 비편재된(delocalized) HOMO 레벨을 통해 코히런트 온 공진 터널링(Coherent on-resonant tunneling)을 하며, 프런티어 오비탈(Frontier orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내여서 오비탈을 통해 상기 양자 터널링 현상이 일어나는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 8,
When a sodium (Na) atom is located at the central atom, coherent on-resonant tunneling occurs through the delocalized HOMO level, and the frontier orbital is at the Fermi level. A molecular device characterized in that the quantum tunneling phenomenon occurs through an orbital because it is within a reference distance.
상기 중심 원자에 마그네슘(Mg) 원자가 위치하면,
편재된(localized) 프런티어 오비탈 LUMO가 페르미 과 기준 거리 이외여서 오비탈을 통하지 않는 코히런트 오프 공진 터널링(coherent off resonant tunneling) 현상이 나타나고,
상기 나타난 코히런트 오프 공진 터널링은 상기 코히런트 온 공진 터널링 보다 커런트 레벨(current level)이 작은 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 8,
When a magnesium (Mg) atom is located at the central atom,
Since the localized frontier orbital LUMO is outside the Fermi and reference distance, a coherent off resonant tunneling phenomenon that does not pass through the orbital occurs,
The coherent off resonance tunneling shown above is a molecular device characterized in that the current level is smaller than the coherent on resonance tunneling.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 상기 광학 신호를 전달하기 위해서 표면 플라즈몬 여기가 가능한 금속을 사용하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 5,
A molecular device characterized in that the first resonator and the second resonator use a metal capable of surface plasmon excitation in order to transmit the optical signal.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 Au, Ag, Cu, Al, Pd, Pt, TiN, 또는 이들의 조합된 재료를 사용하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 13,
The first resonator and the second resonator are a molecular device characterized in that Au, Ag, Cu, Al, Pd, Pt, TiN, or a combination thereof is used.
상기 제1 공진체에 여기된 표면 플라즈몬의 에너지는 비방사 채널(non-radiative channel)을 통해 에너지 소실(dissipation)을 일으켜 핫 캐리어(hot carrier)를 생성하고,
비평형 분포(Non-equilibrium distribution)를 갖는 상기 핫 캐리어가 상기 원자를 매개로 한 상기 공진 캐비티를 통해 상기 제2 공진체로 전달되는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 13,
The energy of the surface plasmon excited in the first resonator causes energy dissipation through a non-radiative channel to generate a hot carrier,
A molecular device, characterized in that the hot carriers having a non-equilibrium distribution are transferred to the second resonator through the resonance cavity via the atoms.
분자 오비탈(molecular orbital)이 페르미 레벨(Fermi level)과 기준 거리 이내로 가까운 구리(Cu) 원자 또는 나트륨(Na) 원자가 상기 중심 원자에 위치하면, 상기 중심 원자를 통해 상기 핫 캐리어의 전달이 이루어지는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 13,
When a copper (Cu) atom or sodium (Na) atom whose molecular orbital is close to the Fermi level and within a reference distance is located at the central atom, the hot carrier is transmitted through the central atom. A molecular device made of.
상기 공진 캐비티를 이루는 상기 제1 링커, 상기 제2 링커, 상기 제1 스페이서, 상기 제2 스페이서, 상기 중심 원자에 위치한 물질에 따라 상기 공진 캐비티의 굴절률(refractive index)이 결정되는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 13,
A molecule wherein the refractive index of the resonance cavity is determined depending on the first linker, the second linker, the first spacer, the second spacer, and the material located at the central atom forming the resonance cavity. device.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체의 크기, 재료, 모양과 상기 광학 신호의 에너지 커플링 여부에 따라 상기 광학 신호의 온 또는 오프를 결정하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 13,
A molecular device characterized in that it determines whether the optical signal is turned on or off depending on the size, material, and shape of the first resonator and the second resonator and whether or not the optical signal is energy coupled.
커플링된 광학 신호가 상기 제1 공진체, 상기 공진 캐비티, 상기 제2 공진체를 거쳐 통과하면, 투과(transmittance) 에너지의 인텐시티(intensity) 및 주파수(frequency)를 변조하고, 색상(color) 변조 소자에 활용되는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 18,
When the coupled optical signal passes through the first resonator, the resonant cavity, and the second resonator, the intensity and frequency of the transmittance energy are modulated, and the color is modulated. A molecular device characterized by being used in a device.
상기 공진 캐비티의 분자 접합(molecule junction) 형성은 머캅토카르복실릭산(mercaptocarboxylic acid)(헤드 그룹(head group): -SH group, 터미널 그룹(terminal group): -COOH group) 용액(solution)을 상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체에 침지(immersion)하여 S-Au의 자발적 반응을 통해 기능화시키고, 도입될 원소를 포함하는 용액으로 분자 접합을 형성하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to paragraph 1,
The formation of a molecular junction in the resonance cavity is performed using a solution of mercaptocarboxylic acid (head group: -SH group, terminal group: -COOH group). A molecular device characterized in that the first resonator and the second resonator are immersed to functionalize them through a spontaneous reaction of S-Au, and a molecular junction is formed with a solution containing the element to be introduced.
상기 공진 캐비티 내부에 존재하는 분자층(molecule layer)은 자기 조립 단층(Self-Assembled Monolayer, SAM)을 통해 확보하고, 탄소로 이루어진 물질을 혼합하여 분자들의 응집(aggregation) 및 비정렬(misalignment) 없이 안정적인 분자층을 형성하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to paragraph 1,
The molecular layer present inside the resonance cavity is secured through self-assembled monolayer (SAM), and a material made of carbon is mixed to prevent aggregation or misalignment of molecules. A molecular device characterized by forming a stable molecular layer.
금속 박막으로 형성된 제1 공진체;
금속 구조체로 형성된 제2 공진체; 및
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티를 포함하며,
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에 집적(integration)하는 물질은 재료(material)의 고정된 특성에 의해 의존하는 것이 아니라 외부의 자극에 의해 광학적 특성, 전기적 특성, 또는 재료적 특성을 변화시킬 수 있는 물질을 사용하며, 상기 외부의 자극은 빛, 전기장, 또는 자기장에 따라 상기 양자 터널링 현상에 따른 양자 터널링 신호를 동적으로 제어하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.In molecular devices,
A first resonator formed of a metal thin film;
a second resonator formed of a metal structure; and
It includes a resonance cavity in which a quantum tunneling phenomenon occurs between the first resonator and the second resonator,
The material integrated between the first resonator and the second resonator does not depend on the fixed properties of the material, but changes optical properties, electrical properties, or material properties by external stimulation. A molecular device that uses a changeable material, and wherein the external stimulus dynamically controls a quantum tunneling signal according to the quantum tunneling phenomenon according to light, electric field, or magnetic field.
상기 빛에 의해 에너지 준위(energy level), 파이 컨쥬게이션(pi-conjugation), 쌍극자 모멘트(dipole moment), 이온 상태(ionic state), 입체 형태(steric conformation), 시스 또는 트랜스(cis/trans)에 따른 이성질체 형태(isomeric conformation)를 바꿀 수 있는 광전환성 분자(photoswitchable molecule)을 활용하여 상기 공진 캐비티를 통해 전송되는 상기 양자 터널링 신호를 동적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 22,
The light changes the energy level, pi-conjugation, dipole moment, ionic state, steric conformation, cis or trans (cis/trans). A molecular device characterized by dynamically controlling the quantum tunneling signal transmitted through the resonance cavity by utilizing a photoswitchable molecule capable of changing isomeric conformation.
상기 공진 캐비티는 아조벤젠(Azobenzene)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 23,
A molecular device characterized in that the resonance cavity contains azobenzene.
상기 전기장에 의해 상기 공진 캐비티에 위치한 물질의 특성 중 MO(molecular orbital)에 나타난 편재(localization) 또는 비편재(delocalization)를 바꿀 수 있는 전기 활성 분자(electroactive molecule)를 활용하여 상기 공진 캐비티를 통해 전송되는 상기 양자 터널링 신호를 동적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 22,
Transmission through the resonance cavity using an electroactive molecule that can change the localization or delocalization shown in MO (molecular orbital) among the properties of the material located in the resonance cavity by the electric field. A molecular device characterized by dynamically controlling the quantum tunneling signal.
상기 공진 캐비티는 금속 중심을 가진 유기금속 화합물(organometallic compound with metallic center) 또는 반대 이온이 있는 메틸 비올로겐(methyl viologen with counter ion)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 25,
The resonant cavity is a molecular device characterized in that it contains an organometallic compound with a metallic center or methyl viologen with a counter ion.
상기 자기장에 의해 분자 또는 상기 분자를 포함한 구조체의 스핀 상태를 변화시킬 수 있는 물질을 활용하여, 상기 스핀 상태에 따라 존재하는 상태 밀도(density of states)가 달라지게 되어 투과(transmission)될 수 있는 오비탈이 변화하고, 이에 따라 상기 양자 터널링 신호를 동적으로 조절하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 22,
By using a material that can change the spin state of a molecule or a structure containing the molecule by the magnetic field, the density of states that exists depending on the spin state varies, creating an orbital that can be transmitted. A molecular device that changes and dynamically adjusts the quantum tunneling signal accordingly.
상기 캐비티는 단분자 자석(single molecule magnet) 또는 메탈로센(metallocene)을 포함하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 27,
A molecular device characterized in that the cavity contains a single molecule magnet or metallocene.
금속 박막으로 형성된 제1 공진체;
금속 구조체로 형성된 제2 공진체; 및
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이에서 양자 터널링 현상이 일어나는 공진 캐비티를 포함하며,
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 전극 역할을 수행하며,
상기 제2 공진체는 원 기둥 또는 다각 기둥의 기둥 형상으로 형성되고,
상기 제1 공진체가 상기 제2 공진체의 표면을 180도 내지 360도의 범위에서 일부 또는 전체를 둘러싸는 구조로 형성되어 상기 공진 캐비티의 면적을 확보하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.In molecular devices,
A first resonator formed of a metal thin film;
a second resonator formed of a metal structure; and
It includes a resonance cavity in which a quantum tunneling phenomenon occurs between the first resonator and the second resonator,
The first resonator and the second resonator serve as electrodes,
The second resonator is formed in the shape of a circular pillar or a polygonal pillar,
A molecular device wherein the first resonator is formed to partially or entirely surround the surface of the second resonator in the range of 180 degrees to 360 degrees to secure the area of the resonance cavity.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체는 3면 또는 4면에서 접촉 접합(contact junction)을 이루고,
코어쉘 구조를 적용할 때 상기 제2 공진체에서 나노 선의 형태로 외부로 노출되는 단자를 갖도록 하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 29,
The first resonator and the second resonator form a contact junction on three or four sides,
A molecular device characterized in that the second resonator has a terminal exposed to the outside in the form of a nanowire when applying a core-shell structure.
상기 제1 공진체 및 상기 제2 공진체 사이의 절연 분자(insulating molecule) 물질은 등각 코팅(conformal coating)이 4면으로 가능한 분자 드롭 캐스팅(molecule drop casting) 또는 침지(immersion), 또는 나노구조체를 멤브레인(membrane) 위에 플로팅(floating) 후 원자층 증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 활용하여 코팅하는 것을 특징으로 하는 분자 소자.According to clause 29,
The insulating molecule material between the first resonator and the second resonator can be formed by molecular drop casting or immersion, or a nanostructure capable of conformal coating on four sides. A molecular device characterized by floating on a membrane and then coating it using atomic layer deposition (ALD).
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|---|---|---|---|---|
| US7834264B2 (en) | 2001-03-30 | 2010-11-16 | The Regents Of The University Of California | Methods of fabricating nanostructures and nanowires and devices fabricated therefrom |
| US9680039B2 (en) | 2002-07-08 | 2017-06-13 | Qunano Ab | Nanostructures and methods for manufacturing the same |
| KR102227004B1 (en) | 2018-07-18 | 2021-03-12 | 고려대학교 산학협력단 | Mixed self-assembled monolayers having deconvolution of tunneling current and molecular electronic devices including the same |
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