بخشی از مقاله
چکیده:
یکی از موضوعات جالب و مهم برای طراحی ادوات الکترونیکی در مقیاس نانو، خاصیت جایگزیدگی و گستردگی حالات الکترونی است که در تعیین خواص ترابرد الکتریکی اھمیت دارد. در این پایاننامه، خاصیت جایگزیدگی وگستردگی حالات الکترونی سیمھای مولکولی DNA متصل به دو الکترود نیمبیس نهایت نانولولهی کربنی را با در نظر گرفتن پیکربندیھای مختلف - با پایهسھای منظم، فیبوناچی و کاتورهای از نوکلوئیدھای مختلف - برای DNA بررسیمیکنیم. برای این کار مولکول DNA را به صورت یک مدل نردبانی با پایهس ھایی از نوکلوئیدھای مختلف فرمولبندی میکنیم. با نوشتن ھامیلتونی سیستمدر تقریب بستگی قوی که شامل ھامیلتونی مولکول DNA ، الکترودھای فلزی و ھامیلتونی به واسطه میدان خارجی، تابع گرین مولکول DNA را در حضور الکترودھا با وارد کردن خودانرژیھای آنها در نظر میگیریم.
محاسباتمان مبتنی بر روش تابع گرین است. در چارچوب نظریه لاندائور- بوتیکر میتوان عبوردھی الکترون و جریان عبوری را در سیستم مورد نظرتعیین کرد. ھمچنین به منظور بررسی خواص جایگزیدگی الکترونی، نماھای لیاپانف و لاندائو و ھمچنین طول جایگزیدگی را محاسبه میکنیم. ھمچنین میتوان اثرات مربوط بهجفتشدگی اتصالات و طول سیم DNA را در حضور میدان خارجی بر روی خواصترابرد الکتریکی و طول جایگزیدگی و تصحیح پیچش بر DNA را نیز مطالعه کرد.چرا اسید دئوکسی ریبونوکلئیک٥٨ ج شخ ض را مطالعه میکنیم؟ علی رغم اھمیت زیاد و غیرقابل انکار مولکول شخ در زیست شناسی، این مولکول مشهور به طور برجستهاي در حال مطرح شدن در دنیای فناوری نانو است. تمایل دانشمندان رشته فناوری نانو به شخ سه دلیل عمده دارد:
الف - شخ یک ماده طبیعی در مقیاس نانو است.
ب - به سبب فعالیت ھای زیست شناسان، تکنیکھای متعددی برای مطالعه این مولکول در حال حاضر وجود دارد.
پ - امکان بهرهگیری از توانایی این مولکول در حمل اطلاعات - که این نقش اصلی شخ در زیستشناسی است - طی فرآیند خود آرایی٥٩ است.یکی از موضوعات جالب و مهم برای طراحی ادوات الکترونیکی در مقیاس نانو، خاصیت جایگزیدگی و گستردگی حالات الکترونی است که در تعیین خواص ترابرد الکتریکی اھمیت دارد. در این پایاننامه، خاصیت جایگزیدگی و گستردگی حالات الکترونی سیمھای مولکولی شخ متصل به دو الکترود نیمبینهایت فلزی را با در نظر گرفتن پیکربندیھای مختلف - با پایهھای منظم، کاتورهای وفیبوناچی از نوکلوئیدھای مختلف - برای شخ بررسی میکنیم. برای این کارمولکول شخ را به صورت یک مدل نردبانی با پایهھایی از نوکلوئیدھای مختلف فرمولبندی میکنیم.
با نوشتن ھامیلتونی سیستم در تقریب بستگی قوی که شامل ھامیلتونی مولکول شخ، الکترودھای فلزی و ھامیلتونی به واسطه میدان خارجی، تابع گرین مولکول شخ را در حضور الکترودھا با وارد کردن خودانرژیس ھای آنها در نظر میگیریم. محاسباتمان مبتنی بر روش تابع گرین است. در چارچوب نظریه لاندائور- بوتیکر میتوان عبوردھی الکترون و جریان عبوری را در سیستم مورد نظرتعیین کرد. ھمچنین به منظور بررسی خواص جایگزیدگی الکترونی، نماھای لیاپانف و لاندائو و ھمچنین طول جایگزیدگی را محاسبه میس کنیم. ھمچنین میتوان اثرات مربوط به جفتشدگی اتصالات و طول سیم شخ را در حضور میدان خارجی بر روی خواص ترابرد الکتریکی و طول جایگزیدگی مطالعه کرد.
نقش اصلی در انتقال اطلاعات ژنیتیک در علم بیولوژی برای تمام گونهھای موجودات زنده بر عهده مولکول شخ است. اخیراً فیزیکدانان و شیمیدانان علاقمند شدند موضوع ترابرد الکتریکی را در این مولکول بررسی کنند. برای این کار، آنها شخ را به عنوان یک سیم مولکولی در نظر گرفتهاند که میتواند تحت شرایطی حاملھای بار الکتریکی را عبور دھد و یا نقش عایق رادر این مورد بازی کند. نتایج جالب تجربی ونظری در این موضوع آنها رابرای کار بیشتر در این زمینه ترغیب کرده است. خاصیت ترابرد الکتریکی یکی از موضوعات مهم در نانوالکترونیک است که باعث تحول اساسی صنعت الکترونیک شده است. با توجه به کاربردي بودن موضوع در صنایع الکترونیک و اپتوالکترونیک نتایج این تحقیق میتواند به طراحی دقیقتر و بهتر این ادوات کمک کند.
از طرفی دیگر، اھمیت استفاده از مولکولھاي آلی منفرد از جمله شخبه عنوان اجزاء فعال در قطعات الکترونیکی در تحقیقات نانوالکترونیک در سالھاي اخیر ناشی از مزایاي سرعت خیلی بالا - در مقایسه با قطعات سیلیکانی - است.چنین قطعات مولکولی ممکن است از خود مشخصه قطعات مفیدي ھمچون دیودھاي یکسوکننده مولکولی، مقاومت دیفرانسیلی منفی، ترانزیستور اثرمیدان نشان دھند. بنابراین با جایگزین شدن قطعات مولکولی با قطعات سیلیکانی در سالھاي آینده و رشد صنعت نانوتکنولوژي، لزوم مطالعه خواص فیزیکی چنین سیستمھایی روشن و بدیهی است. در این تحقیق فرضیهھای زیر مورد استفاده قرار گرفته است:
- مولکول آلی شخ را در مدل نردبانی - به صورت یک زنجیره شبه یک بعدی - در نظر میگیریم.
-ھامیلتونی کل ساختار مورد نظر شامل ھامیلتونی مولکول شخ، الکترودھای فلزی و ھامیلتونی به واسطه میدان خارجی در تقریب بستگی قوی نوشته میشود.
-پیکربندیھای مختلف - با پایهھای منظم، کاتورهای و فیبوناچی از نوکلوئیدھای مختلف - برای شخ در نظر میگیریم.
- با استفاده از روش تابع گرین در چارچوب نظریه لاندائور- بوتیکر،ضریب عبوردھی الکترون، چگالی جریان الکتریکی، نمای لیاپانف، نمای لاندائو و طول جایگزیدگی محاسبه میشوند.
برای سادگی از مقادیر بیولوژیکی مولکول مانند انرژی یونیزاسیون، الکترونگاتیوتیه و غیره در این محاسبات صرفنظر میشود و فقط از مقادیر سادهای مانند انرژی جایگاھی و پرش بین پایهھای مختلف استفاده میکنیم.
ھدف این تحقیق عبارت است از: ھدف محاسبه خواص ترابرد الکتریکی مانند عبوردھی الکترونی، چگالی حالتھا و مشخصه جریان- ولتاژ و طول جایگزیدگی با استفاده از روش تابع گرین در چارچوب نظریه لاندائور- بوتیکر است. ھمچنین وابستگی کمیات مذکور به پارامترھای خارجی مانند ولتاژ خارجی، دما، طول مولکول آلی، متقارن یا نامتقارن بودن سدھا به طور نظری تعیین میشود. این ارتباط از طریق نوشتن کد برنامه نویسی در محیط "مطلب" و رسم نمودار با نرم افزارھای گرافیکی انجام میشود . ھمچنین سعی میشود که راھی برای بهینه کردن خواص ترابرد الکتریکی در این گونه وسایل الکترونیکی ارائه دھیم.
جنبه جدید بودن و نوآوري تحقیق در این است که: امروزه، مبحث خواص ترابرد الکتریکی در نانوساختارھا از موضوعات مهمی میباشد که در ادوات نانوالکترونیک کاربرد دارد . در این میان، ترابرد الکتریکی و خواص جایگزیدگی حالات الکترونی در نانوساختارھای مبتنی بر مولکولھای آلی مانند شخ به دلیل اھمیت پاسخدھی جریان - ولتاژ سیستم مورد نظر به عوامل خارجی مانند ولتاژ خارجی، دما و طول مولکولھا براي طراحی و مهندسی ادوات الکترونیکی مهم ھستند.روش انجام تحقیق بدین صورت است که: ساختار مولکول آلی شخ را به صورت یک زنجیره شبه یک بعدی با دو نوکلوئید در ھر پایه - مدل نردبانی - در نظر میس گیریم که به دو الکترود نیمبینهایت فلزی متصل است. با محاسبه تابع گرین سطحی، اثرات الکترودھا را به صورت خودانرژیھایی در تابع گرین مولکول شخ وارد میکنیم.
با اعمال میدان الکتریکی به کمک روش تابع گرین، عبوردھی الکترونی و جایگزیدگی حالات الکترونی را در ساختار مورد نظر محاسبه و به کمک فرمول لاندائو، رسانش الکتریکی بدست میآید. از روی نتایج عددی محاسبه شده میتوان به راحتی بحث انتقال بار الکتریکی را در اینگونه مولکولھابررسی و توصیف کرد.با تغییر پارامترھای قابل کنترل، نتایج عددی مختلفی را با شرایط متفاوت آزمایش میکنیم و راه حل بهینهای برای داشتن خواص رسانش الکتریکی مناسبی برای طراحی ادوات الکترونیکی ارائه داده میشود.روش تجزیه و تحلیل اطلاعات بدین صورت است که: برای مشاھده تغییرات مورد نظر و وابستگی کمیات فیزیکی مانند جایگزیدگی حالات الکترونی، عبوردھی الکترون، مشخصه جریان- ولتاژ در نانوساختار مورد نظر در حضور عوامل خارجی نیاز به نوشتن کد برنامه نویسی در محیط مطلب است.
بعد از استخراج نتایج عددی در محیطھای گرافیکی رسم و نتایج، تحلیل و تفسیر فیزیکی میشود.شخ، با نام علمی اسید داکسی ریبونوکلئیک مولکولی است که صفات ارثی را در موجودات زنده از نسلی به نسل دیگر منتقل میکند به عنوان مثال حدود یک صد ھزار ژن رمزنویسی شده خصوصیات انسان را انتقال میدھند که به آن مجموعه ژنوم انسان نیز میگویند. شخی انسانی به ۶۴ دسته مولکول تقسیم شده که به ھر کدام از آنھا کروموزوم٦٠ گفته میشود و ھر کودک ٢٣ کروموزوم از والدین به ارث میبرد تمامی این کروموزومھا به ھمراه چندین اندامک دیگر درون ھسته سلول قرار دارند، فضایی با ابعاد چند میکرومتر! در چنین فضایی عدم تداخل در انجام وظایف سیستمھا حیرتانگیز استبذم.شخ یک ماکرو- مولکول است که از بستهھایی ج 1ض 1 یا جنهض هن جفت شده با بازوھای ھیدروژن تشکیل شده است و ستون اصلی آن مارپیچ دوگانه را شکر-فسفات نگه میدارد. شخ در شکل شماتیک زیر نشان داده شده است.
