Preparation of electro-active self-assembled monolayers for the fabrication of advanced electronic devices

Abstract

La presente Tesis Doctoral se centra en el estudio del comportamiento conmutable de monocapas auto-ensambladas (SAMs) empleando moléculas electroactivas. Así se realizaron interruptores moleculares cuyo comportamiento fue estudiado en superficies y otros dispositivos tecnológicos. Se emplearon para tales estudios cuatro familias de moléculas electroactivas, las cuales son antraquinonas (AQ), ferrocenos (Fc), tetratiafulvalenes (TTF) y derivados de policlorotrifenilmetano (PTM). La tesis está estructurada de tal manera que cada capítulo está dedicado a una familia específica de moléculas, estando la primera parte de cada capítulo centrado en la descripción, el diseño y la síntesis de las mismas. Le sigue la fabricación de SAMs en sustratos de óxido de indio y estaño (ITO) u oro, dependiendo de la funcionalidad de la molécula y, finalmente, la integración de moléculas en un dispositivo específico. Concretamente, monocapas de derivados de PTM y de TTF se fabricaron sobre superficies de ITO y oro, respectivamente. La investigación de sus propiedades de conmutación se llevó a cabo mediante voltamperometría cíclica (CV) usando como mecanismo de lectura la respuesta óptica, magnética y/o de capacitancia. Así, se lograron interruptores moleculares con múltiples estados con alto potencial de aplicabilidad en el campo de dispositivos de memoria. Además, SAMs mixtas de los derivados de Fc y AQ se fabricaron en sustratos con patrones de ITO // oro logrando sistemas con propiedades confinadas en áreas especificas. El confinamiento de las propiedades superficiales fue comprobado a través de la interacción supramolecular entre β-ciclodextrinas y las diferentes especies redox de las moléculas AQ y Fc. También, se probó la viabilidad de la integración de SAMs de AQ sobre ITO en dispositivos microfluidicos. La actividad redox de la AQ se utilizó como fuerza motriz en el desplazamiento de gotas de agua, realizando un sistema micro-electro mecánico que funciona a bajo voltaje y, por lo tanto, con alto potencial de aplicabilidad en campos biológicos. Finalmente, los derivados Fc, TTF y PTM se integraron en transistores de efecto de campo (FETs), funcionalizando el canal activo, el contacto puerata o el dieléctrico. La presencia de las moléculas electroactivas en las interfaces de los FETs demostró tener un efecto notable en la respuesta de los dispositivos, abriendo nuevas perspectivas para las futuras tecnologías en el campo de la electrónica molecular.

The present Doctoral Thesis is focused on the study of the switchable behavior on Surface of specifically designed electroactive molecules by fabricating self-assembled monolayers (SAMs). Subsequently to the study on surface, the molecules were integrated into various devices in order to investigate the effects of the electro-active switch in more sophisticated systems. Four family of electroactive molecules were employed to reach these goals, namely antraquinones (AQ), ferrocenes (Fc), tetrathiafulvalenes (TTF) and polyclorotriphenylmethy (PTM) derivatives. The thesis is structured in such a way that each chapter is dedicated to a specific family of molecules, being the first part of the chapter focused on the description, the design and the synthesis of the molecule of interest. It follows the fabrication of the SAMs on on indiumtin oxide (ITO) or gold substrates, depending on the molecule functionality and, finally, the integration of the molecule in a specific device. SAMs of PTMand TTF derivatives were fabricated on ITO and gold, respectively, and the investigation of their switching properties was carried out by cyclic voltammetry (CV) and using as read-out mechanism the optical, magnetic or capacitance response. In such a way, multi-state molecular switches with high potential in the field of memory devices were achieved. Furthermore,mixed SAMs of Fc and AQ derivatives were fabricated on patterned ITO//gold substrates, where the supramolecular interaction of the different redox species with b-cyclodextrin was used as a proof of the confinement of the surface properties. The feasibility of the integration of electroactive molecules in devices was tested incorporating SAMs of AQ derivatives on specifically designed ITO electrodes in microfluidic chips. The redox activity of the AQ moiety was used as the driving force for the water actuation, realizing a micro electro-meccanical system operating at low voltage and, hence, with high potential in biological fields. Finally, Fc, TTF and PTM derivatives were integrated in field effect transistors, by functionalizing the active channel, the gate contact or the dielectric, respectively. The presence of the electroactive molecules at the FET interfaces was proved to have a remarkable effect on the devices response, opening new perspectives for the future molecule-based technologies.