Curcuminoid-based materials toward their use as active components in two and three-terminal devices

Abstract

L'electrònica molecular (MEs) es basa en l'ús d'una única molècula o un conjunt d'elles, com a components principals en circuits electrònics. Va sorgir com a alternativa a les limitacions (per exemple: miniaturització) de la tecnologia de semiconductors complementaris d'òxid metàl·lic (CMOS), utilitzada actualment en el processament de xips. Seguint aquesta motivació, en aquesta tesi doctoral ens centrem en el disseny i avaluació d'una família específica de molècules, denominades curcuminoides (CCMoids), com a fils moleculars en dispositius de dues i tres terminals. En concret, hem examinat el comportament electrònic d'un CCMoid que conté ferroceno, en un dispositiu de dues terminals orientat verticalment. El sistema global consisteix en un elèctrode inferior d'or funcionalitzat amb una monocapa de molècules de ciclodextrina o cucurbituril (amfitrions) que allotgen les molècules de CCMoid (hostes) per a acabar amb un elèctrode de gal·li-indi eutèctic (EGaIn) en la part superior que completa el dispositiu. A més, hem sintetitzat una varietat de CCMoids amb diferents substituents terminals que, en reaccions posteriors, han donat lloc a CCMoids estesos. Hem explorat la conductància individual de dues CCMoids estesos que contenen grups d'ancoratge lateral d'hidrocarburs aromàtics policíclics (HAP). Aquestes molècules s'han dipositat en un dispositiu de tres terminals, que consta de dos elèctrodes de font i drenatge de grafè, separats de l'elèctrode de porta de Si per una capa de SiO2. D'aquesta manera, els HAP terminals pot interactuar per interaccions [Pi]-*[Pi] amb els elèctrodes de grafè, creant una unió grafè-CCMoid-grafè. Finalment, amb la finalitat de crear un dispositiu més robust, des del punt de vista del contacte molècula-elèctrodes, hem iniciat les modificacions sintètiques en l'esquelet del CCMoid per a la introducció d'un grup silà reactiu per a fixar el CCMoid sobre la capa de SiO2 dels dispositius de tres terminals.

La electrónica molecular (MEs) se basa en el uso de una única molécula o un conjunto de ellas, como componentes principales en circuitos electrónicos. Surgió como alternativa a las limitaciones (por ejemplo: miniaturización) de la tecnología de semiconductores complementarios de óxido metálico (CMOS), utilizada actualmente en el procesamiento de chips. Siguiendo esta motivación, en esta tesis doctoral nos centramos en el diseño y evaluación de una familia específica de moléculas, denominadas curcuminoides (CCMoids), como hilos moleculares en dispositivos de dos y tres terminales. En concreto, hemos examinado el comportamiento electrónico de un CCMoid que contiene ferroceno, en un dispositivo de dos terminales orientado verticalmente. El sistema global consiste en un electrodo inferior de oro funcionalizado con una monocapa de moléculas de ciclodextrina o cucurbituril (anfitriones) que alojan las moléculas de CCMoid (huéspedes) para terminar con un electrodo de galio-indio eutéctico (EGaIn) en la parte superior que completa el dispositivo. Además, hemos sintetizado una variedad de CCMoids con diferentes sustituyentes terminales que, en reacciones posteriores, han dado lugar a CCMoids extendidos. Hemos explorado la conductancia individual de dos CCMoids extendidos que contienen grupos de anclaje lateral de hidrocarburos aromáticos policíclicos (HAP). Dichas moléculas se han depositado en un dispositivo de tres terminales, que consta de dos electrodos de fuente y drenaje de grafeno, separados del electrodo de puerta de Si por una capa de SiO2. De este modo, los HAP terminales puede interactuar por interacciones [Pi]-[Pi] con los electrodos de grafeno, creando una unión grafeno-CCMoid-grafeno. Por último, con el fin de crear un dispositivo más robusto, desde el punto de vista del contacto molécula-electrodos, hemos iniciado las modificaciones sintéticas en el esqueleto del CCMoid para la introducción de un grupo silano reactivo para fijar el CCMoid sobre la capa de SiO2 de los dispositivos de tres terminales.

Molecular electronics (MEs), which is based on the use of a single molecule or an assembly of them, as active components in electronic circuits, has emerged as an alternative to the limitations (e.g.: miniaturization) of complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology, currently used in chip processing. Following this motivation, in this doctoral thesis we focus on the design and evaluation of a specific family of molecules, named curcuminoids (CCMoids), as molecular wires to be tested in two- and three- terminal devices. Specifically, we have examined the electronic performance of a ferrocene-based CCMoid in a vertically configured two-terminal device. The overall system consists of a gold bottom electrode functionalized with a monolayer of cyclodextrin or cucurbituril molecules hosting the CCMoid molecules (guests) to end with an eutectic gallium indium (EGaIn) electrode at the top that completes the device. Additionally, we have synthesized a variety of CCMoids with different terminal substituents that could promote, in further reactions, extended CCMoid structures. We have explored the conductance in a single molecule regime, of an enlarged CCMoid containing polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) lateral anchoring groups. Such molecules have been deposited in a three-terminal device, which comprises two nanogapped graphene source and drain electrodes separated from the Si gate electrode by a SiO2 layer. In this way, the terminal PAH moiety can interact by [Pi]-[Pi] stacking with the graphene electrodes, creating a graphene-CCMoid-graphene junction. Finally, in order to create a more robust device, from a molecule-electrodes contact point of view, we have started the synthetic modifications in the CCMoid backbone for the introduction of a reactive silane group to fix the CCMoid on the SiO2 layer of three-terminal devices.