Molecular Electronics: From Principles to Practice (Wiley Series in Materials for Electronic & Optoelectronic Applications)

Molecular Electronics From Principles to Practice......Page 5
Contents......Page 9
Series Preface......Page 17
Preface......Page 19
Acknowledgements......Page 21
Symbols and Abbreviations......Page 23
1.1 INTRODUCTION......Page 27
1.2 MOLECULAR MATERIALS FOR ELECTRONICS......Page 28
1.3.1 Evolution of Microelectronics......Page 31
1.3.2 Moore’s Laws......Page 33
1.3.3 Beyond Moore......Page 34
1.4 THE BIOLOGICAL WORLD......Page 38
1.5 FUTURE OPPORTUNITIES......Page 39
BIBLIOGRAPHY......Page 41
REFERENCES......Page 42
2.2.1 Atomic Structure......Page 45
2.2.2 Electrons in Atoms......Page 46
2.2.4 The Periodic Table......Page 50
2.3.1 Bonding Principles......Page 52
2.3.2 Ionic Bond......Page 53
2.3.3 Covalent Bond......Page 55
2.3.4 Metallic Bonding......Page 58
2.3.5 Van der Waals Bonding......Page 59
2.3.6 Hydrogen Bonding......Page 60
2.4.1 Hybridized Orbitals......Page 61
2.4.2 Isomers......Page 63
2.4.3 Double and Triple Bonds......Page 68
2.5.1 States of Matter......Page 71
2.5.2 Phase Changes and Thermodynamic Equilibrium......Page 73
2.5.3 The Crystal Lattice......Page 74
2.5.4 Crystal Systems......Page 75
2.5.5 Miller Indices......Page 76
2.5.7 Defects......Page 78
2.5.8 Amorphous Solids......Page 82
2.6.1 Molecular Weight......Page 83
2.6.2 Polymer Structure......Page 85
2.6.3 Polymer Crystallinity......Page 86
2.8 DIFFUSION......Page 89
REFERENCE......Page 90
3.2 CLASSICAL THEORY......Page 91
3.2.1 Electrical Conductivity......Page 92
3.2.2 Ohm’s Law......Page 94
3.2.3 Charge Carrier Mobility......Page 95
3.2.4 Fermi Energy......Page 96
3.3.1 Quantum Mechanical Foundations......Page 98
3.3.2 Kronig–Penney Model......Page 106
3.3.3 Conductors, Semiconductors and Insulators......Page 111
3.3.4 Electrons and Holes......Page 112
3.3.5 Intrinsic and Extrinsic Conduction......Page 114
3.3.6 Quantum Wells......Page 118
3.3.7 Disordered Semiconductors......Page 119
3.3.8 Conductivity in Low-dimensional Solids......Page 120
3.4.1 Band Structure......Page 122
3.4.2 Doping......Page 133
3.4.3 Solitons, Polarons and Bipolarons......Page 135
3.5 LOW-FREQUENCY CONDUCTIVITY......Page 138
3.5.1 Electronic Versus Ionic Conductivity......Page 139
3.5.2 Quantum Mechanical Tunnelling......Page 140
3.5.3 Variable Range Hopping......Page 142
3.5.4 Space-Charge Injection......Page 144
3.5.5 Schottky and Poole–Frenkel Effects......Page 146
3.6.1 Complex Permittivity......Page 147
3.6.2 Impedance Spectroscopy......Page 151
REFERENCES......Page 153
4.2 ELECTROMAGNETIC RADIATION......Page 155
4.3 REFRACTIVE INDEX......Page 156
4.3.1 Permittivity Tensor......Page 158
4.3.2 Linear and Nonlinear Optics......Page 159
4.4.1 Absorption Processes......Page 161
4.4.2 Aggregate Formation......Page 166
4.4.3 Excitons......Page 167
4.4.4 Effect of Electric Fields on Absorption......Page 169
4.4.5 Emission Processes......Page 170
4.4.6 Energy Transfer......Page 173
4.5.1 Laws of Reflection and Refraction......Page 175
4.5.2 Fresnel Equations......Page 176
4.5.4 Thin Films......Page 178
4.6 WAVEGUIDING......Page 180
4.7.1 The Evanescent Field......Page 182
4.7.2 Surface Plasmon Resonance......Page 183
4.8 PHOTONIC CRYSTALS......Page 188
4.8.1 Subwavelength Optics......Page 191
REFERENCES......Page 192
5.2.1 Moles and Molecules......Page 195
5.2.2 Acids and Bases......Page 196
5.2.3 Ions......Page 197
5.2.5 Functional Groups......Page 199
5.2.6 Aromatic Compounds......Page 204
5.3 CONDUCTIVE POLYMERS......Page 206
5.4 CHARGE-TRANSFER COMPLEXES......Page 211
5.5.1 Fullerenes......Page 214
5.5.2 Carbon Nanotubes......Page 217
5.6.1 Basic Principles......Page 220
5.6.2 Organic Piezoelectric, Pyroelectric and Ferroelectric Compounds......Page 223
5.7.1 Basic Principles......Page 227
5.7.2 Organic Magnets......Page 234
BIBLIOGRAPHY......Page 236
REFERENCES......Page 237
6.1 INTRODUCTION......Page 239
6.2.1 Optical Microscopy......Page 240
6.2.2 Electron Microscopy......Page 242
6.3 X-RAY REFLECTION......Page 244
6.3.1 Electron Density Profile......Page 247
6.3.2 Kiessig Fringes......Page 248
6.5 ELECTRON DIFFRACTION......Page 249
6.6 INFRARED SPECTROSCOPY......Page 250
6.6.1 Raman Scattering......Page 257
6.7 SURFACE ANALYTICAL TECHNIQUES......Page 258
6.8 SCANNING PROBE MICROSCOPIES......Page 259
6.9 FILM THICKNESS MEASUREMENTS......Page 262
REFERENCES......Page 264
7.1 INTRODUCTION......Page 267
7.2.1 Spin-Coating......Page 268
7.2.2 Physical Vapour Deposition......Page 269
7.2.3 Chemical Vapour Deposition......Page 277
7.2.4 Electrochemical Methods......Page 278
7.2.5 Inkjet Printing......Page 279
7.2.6 Sol–Gel Processing......Page 281
7.3.1 Langmuir–Blodgett Technique......Page 284
7.3.2 Chemical Self-Assembly......Page 294
7.3.3 Electrostatic Layer-by-Layer Deposition......Page 296
7.4.1 Photolithography......Page 301
7.4.2 Nanometre Pattern Definition......Page 302
7.4.4 Scanning Probe Manipulation......Page 304
7.4.5 Dip-Pen Nanolithography......Page 306
7.4.6 Other Methods......Page 308
REFERENCES......Page 309
8.2.1 Thermotropic Liquid Crystals......Page 313
8.2.2 Lyotropic Liquid Crystals......Page 319
8.3 LIQUID CRYSTAL POLYMERS......Page 321
8.4.1 Bifrefingence......Page 323
8.4.2 Freedericksz Transition......Page 325
8.4.3 Twisted Nematic Display......Page 326
8.4.4 Passive and Active Addressing......Page 328
8.4.5 Full-Colour Displays......Page 329
8.4.6 Super-Twisted Nematic Display......Page 330
8.5 FERROELECTRIC LIQUID CRYSTALS......Page 331
8.6 POLYMER-DISPERSED LIQUID CRYSTALS......Page 332
8.7 LIQUID CRYSTAL LENSES......Page 334
8.8 OTHER APPLICATION AREAS......Page 335
REFERENCES......Page 337
9.2.1 Schottky Diode......Page 339
9.3 METAL–INSULATOR–SEMICONDUCTOR STRUCTURES......Page 344
9.3.1 Idealized MIS Devices......Page 345
9.3.2 Organic MIS Structures......Page 346
9.4 FIELD EFFECT TRANSISTORS......Page 347
9.5 INTEGRATED ORGANIC CIRCUITS......Page 353
9.5.1 Radiofrequency Identification Tags......Page 354
9.6 ORGANIC LIGHT-EMITTING DISPLAYS......Page 356
9.6.1 Device Efficiency......Page 360
9.6.2 Methods of Efficiency Improvement......Page 362
9.6.3 Full-Colour Displays......Page 369
9.7 PHOTOVOLTAIC CELLS......Page 371
9.7.1 Organic Semiconductor Solar Cell......Page 372
9.7.2 Dye-Sensitized Solar Cell......Page 374
9.7.3 Luminescent Concentrator......Page 376
9.8.2 Batteries and Fuel Cells......Page 377
9.8.3 Xerography......Page 380
REFERENCES......Page 382
10.1 INTRODUCTION......Page 385
10.2 SENSING SYSTEMS......Page 386
10.3 DEFINITIONS......Page 387
10.4 CHEMICAL SENSORS......Page 389
10.4.1 Calorimetric Gas Sensors......Page 390
10.4.2 Electrochemical Cells......Page 391
10.4.3 Resistive Gas Sensors......Page 395
10.4.4 Dielectric Sensors......Page 402
10.4.5 Acoustic Devices......Page 406
10.4.6 Optical Sensors......Page 408
10.5 BIOLOGICAL OLFACTION......Page 414
10.6 ELECTRONIC NOSES......Page 416
10.7.1 Touch Sensors......Page 417
10.7.2 Polymer Actuators......Page 418
10.7.3 Lab-on-a-Chip......Page 421
BIBLIOGRAPHY......Page 425
REFERENCES......Page 426
11.2.1 Scaling Laws......Page 429
11.2.2 Interatomic Forces......Page 430
11.3 ENGINEERING MATERIALS AT THE MOLECULAR LEVEL......Page 431
11.3.1 Polar Materials......Page 432
11.3.2 Nonlinear Optical Materials......Page 434
11.3.3 Photonic Crystals......Page 436
11.4 MOLECULAR DEVICE ARCHITECTURES......Page 437
11.5 MOLECULAR RECTIFICATION......Page 441
11.6 ELECTRONIC SWITCHING AND MEMORY DEVICES......Page 443
11.6.1 Resistive Bistable Devices......Page 444
11.6.2 Flash Memories......Page 447
11.6.3 Spintronics......Page 450
11.6.4 Three-Dimensional Architectures......Page 452
11.7 SINGLE-ELECTRON DEVICES......Page 453
11.8 OPTICAL AND CHEMICAL SWITCHES......Page 455
11.8.1 Fluorescence Switching......Page 456
11.8.2 Photochromic Systems......Page 457
11.8.3 Chemical Control......Page 461
11.9 NANOMAGNETIC SYSTEMS......Page 462
11.10 NANOTUBE ELECTRONICS......Page 463
11.11.1 Dynamically Controllable Surfaces......Page 466
11.11.2 Rotaxanes......Page 468
11.12 LOGIC CIRCUITS......Page 469
11.13 COMPUTING ARCHITECTURES......Page 473
11.14 QUANTUM COMPUTING......Page 475
BIBLIOGRAPHY......Page 476
REFERENCES......Page 477
12.2.1 Amino Acids and Peptides......Page 481
12.2.2 Proteins......Page 484
12.2.3 Enzymes......Page 485
12.2.4 Carbohydrates......Page 487
12.2.5 Lipids......Page 488
12.3.1 Bases......Page 491
12.3.2 DNA......Page 492
12.3.4 ATP, ADP......Page 493
12.4 CELLS......Page 494
12.5 GENETIC CODING......Page 495
12.5.1 Replication, Transcription and Translation......Page 496
12.6 THE BIOLOGICAL MEMBRANE......Page 500
12.6.1 Transport Across the Membrane......Page 501
12.7 NEURONS......Page 506
12.8 BIOSENSORS......Page 508
12.8.1 Biocatalytic Sensors......Page 509
12.8.2 Bioaffinity Sensors......Page 510
12.10.1 Bacteriorhodopsin......Page 513
12.10.2 Photosynthesis......Page 519
12.11.1 Nature’s Motors......Page 524
12.11.2 Artificial Motors......Page 527
BIBLIOGRAPHY......Page 528
REFERENCES......Page 529
Index......Page 531