Building molecular electronic devices from the bottom up

Ever since Aviram and Ratner's revolutionary paper in 1974 that proposed that molecules could conduct electrical current molecular electronics has attracted a great deal of interest as a potential replacement for silicon technology. Using molecules in electronic devices offers many advantages including high device density due to their small size and the ability to integrate new functions into devices with well-designed synthesis. One such example is sensing as the conduction in a molecular wire has been shown to be incredibly sensitive to its local environment. Proof-of-concept experiments have demonstrated that the conduction of oligophenylene vinylene (OPV), a well-studied molecular wire, is sensitive to nitroaromatic molecules. In order to be able use molecules in molecular electronic devices though it is necessary to be able to control their switching between the on and off state. Preliminary work has attempted to understand how voltage-induced switching works in bipyridyl-dinitro oligophenylene ethynylene dithiol (BPDN). The subsequent step is to look at integrating these molecules into functional devices. One proposed way for integrating conducting molecules into functional devices is to form networks of densely-packed gold nanoparticles and molecular wires between metal electrodes on insulating substrates. This design requires that nanoparticles be spaced closely enough together otherwise molecular wires will fail to bind between neighbouring nanoparticles thus decreasing device efficiency. Biomolecules have proven to be excellent templates for self-assembly and offer the advantage of being able to work under mild, aqueous conditions. Two examples are peptides and viruses. Peptides are known to provide excellent control over the size, shape and assembly of inorganic materials. Their activity can further be enhanced by fusing two different functional domains together to form a fusion peptide which is multifunctional in nature. Viruses are highly desirable templates for self-assembly for a variety of reasons including their monodispersity and well-defined shapes. The tobacco mosaic virus is one such example and its coat protein is capable of forming different assemblies depending on pH and ionic strength. One assembly of interest is the 20S disk which is 18 nm in diameter. In this work the Flg-A3 peptide was first used to form gold nanoparticles which can form stable aggregates upon interaction with metal ions. These aggregates are then bound in high density to silicon dioxide surfaces using the A3-QBP1 peptides. The Flg-A3 gold nanoparticles were also covalently bound to tobacco mosaic virus disks with the hopes of eventually being able to increase the size of the aggregates that it forms. The gold nanoparticles were covalently bound to the N terminus of this structure which is located on the circumference of the disk for further studies of their aggregation properties.The final step focused on making functional devices from oligophenylene vinylene and these gold nanoparticle networks formed using fusion peptides. The nanoparticle networks were plated on silicon dioxide substrates with lithographically-defined gold electrodes. They were treated with ultraviolet ozone cleaning in order to remove the peptide prior to using these films for electrical measurements with oligophenylene vinylene.Depuis l'article révolutionnaire d'Aviram et Ratner en 1974 qui avait proposé que les molécules peuvent conduire l'électricité le domaine d'électroniques moléculaires a attiré beaucoup d'intérêt. L'usage des molécules dans les appareils électroniques offre plusieurs avantages incluant une haute densité dans ces systèmes á cause de leur taille petite et la possibilité d'intégrer les nouvelles fonctions dans les fils moléculaires avec la synthèse. Un exemple serait le développement d'un détecteur parce que la conduction d'une molécule est sensible à son environnement local. Les expériences ont montré que la conduction d'oligophenylene vinylene (OPV), un fil moléculaire bien étudié, diminue dans la présence des molécules nitroaromatiques. Pour utiliser les fils moléculaires dans les appareils électroniques il faut qu'ils puissent changer entre un état de conduction élevée et un état bas. Les expériences préliminaires avec bipyridyl-dinitro oligophenylene ethynylene dithiol (BPDN), une molécule qui peut changer entre les deux états avec la tension, ont essayé de découvrir un lien entre la structure et ce fonctionnement. La prochaine étape est d'intégrer ces molécules dans un appareil fonctionnel. Une stratégie proposée pour intégrer les fils moléculaires dans un appareil fonctionnel est la formation des ensembles des fils moléculaires et nanoparticules métalliques sur les substrats isolants. Les nanoparticules doivent être assez proches sinon les fils n'attachent pas entre eux. Il faut qu'il y ait quelque chose pour contrôler l'espace. C'est établi que les biomolécules sont les modèles excellents pour diriger auto-assemblage et elles marchent sous les conditions douces et aqueuses. Les peptides et les virus sont deux exemples. Les peptides peuvent contrôler la taille, forme et l'assemblage des matières inorganiques. Si on fusionne deux domaines avec deux fonctions différentes c'est possible de créer un peptide de fusion qui est un exemple d'un matériel multifonctionnel. Les virus sont un modèle idéal pour auto-assemblage à cause de leur monodispersité et leur forme bien définie. Le virus de la mosaïque du tabac est un virus bien étudié et il peut se former les assemblages différents qui dépendent sur pH et la force ionique. Le disque 20S, qui a un diamètre de 18 nm, est un de ces assemblages et il serait un bon modèle pour l'auto-assemblage.Dans ce travail le peptide, Flg-A3 est utilisé pour synthétiser les nanoparticules d'or et diriger leur assemblage quand il interagit avec les ions de métal. Ces assemblages se fixent en haute densité sur les surfaces du dioxide de silicium avec le peptide A3-QBP1. Pour augmenter la région où les nanoparticules s'assemblent les nanoparticules Flg-A3 étaient attachées d'une manière covalente à l'extérieur du disque du virus de la mosaïque du tabac. Comme ça ce sera possible de former les bagues des nanoparticules et étudier leur auto-assemblage. La dernière étape est d'intégrer oligophenylene vinylene dans ces ensembles des nanoparticules. Les assemblages des nanoparticules Flg-A3 se sont fixés sur les surfaces du dioxide de silicium avec A3-QBP1. Les substrats contiennent les électrodes d'or qui sont définies par la lithographie. Ils sont traités avec le nettoyage à l'ozone ultraviolet avant de les utiliser pour les expériences électriques avec oligophenylene vinylene