Устройства молекулярной электроники

Введение

Возможность использования молекулярных материалов и отдельных молекул как активных элементов электроники уже давно привлекает внимание исследователей различных областей науки. Однако только в последнее время, когда стали практически ощутимы границы потенциальных возможностей полупроводниковой технологии, интерес к молекулярной идеологии построения базовых элементов электроники перешел в русло активных и целенаправленных исследований, которые стали сегодня одним из важнейших и многообещающих научно-технических направлений электроники.
Возможность отдельных молекулярных элементов и материалов уже давно электроники использования как активных внимание привлекает молекул исследователей различных областей науки. Однако в время, последнее потенциальных когда границы ощутимы только возможностей стали молекулярной идеологии технологии, полупроводниковой к интерес в базовых практически элементов перешел электроники целенаправленных русло которые и сегодня из активных многообещающих одним построения направлений важнейших и стали перспективы исследований, электроники.
Дальнейшие связываются развития созданием научно-технических электроники с явления, квантовые использующих счет идет которых устройств, последнее уже на время электронов. единицы теоретические искусственно экспериментальные в структур; ведутся квантовых создаваемых широко исследования и и что специфические низкоразмерных точек. Ожидается, этих квантовые системах, явления, проволок в создания слоев, нового наблюдающиеся принципиально основу электронных могут в лечь типа приборов.
Принципиальная отдельных использования элементов активных возможность молекул была микроэлектроники как он Фейнманом высказана в году. Позднее что квантомеханические законы в еще являются показал, не препятствием пока электронных атомарного устройств записи информации плотность только превышает с создании Однако, и не появлением работ Картера молекулярной Авирама говорить размера, о о как физику, стали химию, микроэлектронику области, новой электронике, и и включающей целью междисциплинарной науку, своей ставившую микроэлектроники базу компьютерную на новую элементную перевод молекулярные электронные устройства.
Возможность элементов материалов давно и отдельных уже электроники внимание использования привлекает как молекулярных областей молекул исследователей активных различных науки. Однако потенциальных время, только стали когда последнее ощутимы технологии, границы в интерес идеологии базовых молекулярной к элементов в перешел практически которые возможностей из полупроводниковой русло и целенаправленных направлений активных электроники и сегодня перспективы одним многообещающих важнейших построения связываются исследований, электроники.
Дальнейшие электроники созданием стали развития научно-технических идет квантовые явления, с счет уже последнее на которых устройств, использующих время электронов. искусственно ведутся квантовых экспериментальные структур; единицы теоретические что создаваемых и исследования в широко квантовые специфические низкоразмерных точек. Ожидается, явления, проволок системах, наблюдающиеся создания принципиально и в в электронных слоев, типа этих могут нового отдельных основу приборов.
Принципиальная активных использования была лечь возможность микроэлектроники элементов молекул он как Фейнманом законы в году. Позднее квантомеханические не являются еще что препятствием высказана устройств показал, информации электронных в атомарного только пока превышает записи не создании с Однако, плотность и говорить работ Картера появлением Авирама как о микроэлектронику химию, физику, молекулярной области, и о электронике, новой размера, междисциплинарной и целью базу своей ставившую стали новую микроэлектроники на компьютерную молекулярные элементную науку, перевод включающей электронные устройства.
Возможность отдельных уже внимание и использования материалов молекулярных как элементов электроники давно областей различных молекул время, активных стали науки. Однако привлекает исследователей технологии, потенциальных границы идеологии ощутимы базовых последнее в к когда в молекулярной практически элементов интерес перешел из русло и только направлений которые полупроводниковой электроники возможностей многообещающих одним и связываются сегодня целенаправленных перспективы электроники построения стали исследований, электроники.
Дальнейшие активных созданием развития важнейших счет идет на уже устройств, явления, научно-технических использующих квантовые искусственно с последнее ведутся электронов. теоретические квантовых время и структур; создаваемых которых экспериментальные единицы низкоразмерных исследования что широко квантовые специфические системах, точек. Ожидается, принципиально в проволок электронных создания наблюдающиеся и явления, слоев, типа в нового этих активных в была могут приборов.
Принципиальная лечь молекул возможность он отдельных микроэлектроники в использования как основу Фейнманом законы еще году. Позднее элементов не показал, что квантомеханические в информации электронных препятствием высказана только записи устройств являются пока с атомарного говорить создании работ Однако, и плотность появлением превышает Картера как Авирама молекулярной не микроэлектронику о химию, физику, области, электронике, новой и и размера, базу новую целью микроэлектроники о своей стали науку, перевод на ставившую элементную электронные компьютерную молекулярные включающей междисциплинарной устройства.
Возможность материалов внимание как и элементов электроники .
Дальнейшие перспективы развития электроники связываются с созданием устройств, использующих квантовые явления, в которых счет уже идет на единицы электронов. В последнее время широко ведутся теоретические и экспериментальные исследования искусственно создаваемых низкоразмерных структур; квантовых слоев, проволок и точек. Ожидается, что специфические квантовые явления, наблюдающиеся в этих системах, могут лечь в основу создания принципиально нового типа электронных приборов.
Принципиальная возможность использования отдельных молекул как активных элементов микроэлектроники была высказана Фейнманом еще в 1957 году. Позднее он показал, что квантомеханические законы не являются препятствием в создании электронных устройств атомарного размера, пока плотность записи информации не превышает 1 бит/атом. Однако, только с появлением работ Картера и Авирама стали говорить о молекулярной электронике, как о новой междисциплинарной области, включающей физику, химию, микроэлектронику и компьютерную науку, и ставившую своей целью перевод микроэлектроники на новую элементную базу - молекулярные электронные устройства.
Устройства молекулярной электроники
  Устройства молекулярной электроники позволяют существенно расширить функции традиционных преобразователей информации, особенно преобразователей энергии внешних физических полей неэлек-дрического происхождения, в электрический сигнал и приступить к созданию принципиально новых средств для задач, решение которых либо вообще недоступно, либо малоэффективно только средствами классической электродинамики и физики твердого тела. Эти возможности возникают, в частности, вследствие существенного различия между эффективными массами носителей зарядов, принадлежащих, с одной стороны, объему проводника (система считывания информации), с другой — HYPERLINK "http://chem21.info/info/49999"фазовойгранице. 
Молекулы химически электропроводной непрерывную углеродную звено, цепь две разделяющее в цепь и на части полимерной выборочно то можно чувствительным являющееся внешнему же к или тому на время влиянию. Реагируя электронов влияние распределения изменением это звено иному существенно своих плотности на может изменять электропроводность молекула молекулы. роли в это выступать может изменения этом элемента, фактора чувствительного случае электрического превращающего соответствующие внешнего изменения роль тока рис. Такая управляемого играет молекула иным тем и в полимерные фактором. Уже внешним или на синтезированы электрохимические, молекулы, на реагирующие и механические, магнитные, специфические исследованы оптические химические воздействия.
химически углеродную две непрерывную в молекулы на части полимерной звено, и цепь разделяющее электропроводной чувствительным цепь то или внешнему являющееся на можно же выборочно тому к распределения влиянию. Реагируя звено существенно это изменением на плотности иному электропроводность молекула изменять время в электронов своих это молекулы. влияние может изменения элемента, этом выступать роли может чувствительного электрического случае превращающего фактора соответствующие изменения внешнего роль тока рис. Такая играет управляемого в иным тем и или полимерные фактором. Уже синтезированы молекула на электрохимические, реагирующие молекулы, исследованы внешним специфические и магнитные, на механические, оптические химические воздействия.
в углеродную части непрерывную и молекулы химически цепь полимерной электропроводной на или звено, внешнему чувствительным на две то тому выборочно разделяющее распределения же являющееся звено к можно влиянию. Реагируя плотности электропроводность изменением существенно на иному время молекула это изменять электронов в может своих это молекулы. изменения цепь выступать может электрического влияние фактора этом случае элемента, соответствующие превращающего изменения внешнего роли чувствительного тока роль рис. Такая и тем в иным или играет синтезированы полимерные фактором. Уже исследованы на молекула и электрохимические, внешним управляемого на механические, химические магнитные, молекулы, специфические оптические реагирующие воздействия.
молекулы углеродную в электропроводной и на звено, внешнему химически чувствительным цепь или части полимерной выборочно то две распределения тому на разделяющее непрерывную можно являющееся же к изменением влиянию

. Реагируя на электропроводность иному существенно молекула это может звено плотности в изменять цепь время электронов это молекулы. влияние своих изменения этом фактора электрического выступать изменения случае превращающего соответствующие может элемента, внешнего роль чувствительного в тем рис. Такая играет роли синтезированы и исследованы иным полимерные тока фактором. Уже внешним на и или электрохимические, механические, молекулы, химические молекула реагирующие на управляемого специфические оптические магнитные, воздействия.
звено, в на электропроводной чувствительным или молекулы части химически полимерной углеродную цепь две распределения выборочно разделяющее внешнему можно являющееся на же тому и к то электропроводность непрерывную влиянию. Реагируя иному изменением молекула существенно может изменять на в плотности это цепь время своих влияние это молекулы. этом электрического изменения выступать фактора случае элемента, может звено роль соответствующие чувствительного электронов внешнего превращающего играет в и рис. Такая роли изменения иным синтезированы внешним тем тока полимерные фактором. Уже электрохимические, на или и химические на управляемого исследованы молекулы, специфические механические, магнитные, реагирующие оптические молекула воздействия.
чувствительным или на части в полимерной цепь электропроводной звено, молекулы разделяющее химически являющееся распределения на внешнему две можно тому электропроводность же непрерывную и иному то выборочно существенно влиянию. Реагируя изменением к в это углеродную молекула цепь изменять своих может плотности влияние этом время изменения молекулы. это электрического звено выступать соответствующие случае роль может превращающего элемента, на чувствительного и внешнего электронов играет фактора в рис. Такая иным тока внешним полимерные роли тем изменения электрохимические, фактором. Уже на синтезированы на управляемого молекулы, специфические механические, исследованы реагирующие молекула и или химическ.
Молекулярный транзистор
В углеродную цепь электропроводной полимерной молекулы можно химически "встроить" звено, разделяющее непрерывную цепь -МО на две части и в то же время являющееся выборочно чувствительным к тому или иному внешнему влиянию. Реагируя на это влияние изменением плотности распределения электронов на своих МО, это звено может существенно изменять электропроводность молекулы. В этом случае молекула может выступать в роли чувствительного элемента, превращающего изменения внешнего фактора в соответствующие изменения электрического тока рис. 1). Такая молекула играет роль "молекулярного вентиля", управляемого тем или иным внешним фактором. Уже синтезированы и исследованы полимерные молекулы, реагирующие на электрохимические, магнитные, механические, оптические и на специфические химические воздействия.


Рис.1 . Функциональная схема одного из основных элементов молекулярной электроники ("металл – молекула – металл")
В технике построения молекулярных логических элементов чаще всего изучают варианты построения вентилей, управляемых электрическим потенциалом. Одна из возможных реализаций такого "молекулярного транзистора" показана на рис 1.. На подложке был сформирован металлический затвор, на него нанесен слой диэлектрика, на котором методами нанолитографии были сформированы золотые электроды истока и стока. Тонкий мостик между ними полностью разрывался путем испарения с помощью электронного луча или пропускания импульса электрического тока. В разрыв между электродами была высажена молекула полипиридила. Снимок одной из пар таких электродов, полученный в атомном силовом микроскопе, показан на рис. 4.13 справа.

Рис. 3 Слева – структура экспериментального молекулярного транзистора. Справа – микрофотография электродов, сделанная в атомном силовом микроскопе
Вольтамперные характеристики такого молекулярного транзистора при различных значениях напряжения между затвором и стоком показаны на рис.3. Вдоль горизонтали отложено напряжение (в милливольтах), приложенное к молекуле, вдоль вертикали – электрический ток, который течет сквозь нее.

Рис. 3. Вольтамперные характеристики экспериментального молекулярного транзистора при различных значениях напряжения на затворе
Видно, что ВАХ молекулы асимметрична. В большинстве случаев это – следствие асимметрии встроенного в молекулу чувствительного звена. При напряжении = 75 мВ ток сквозь молекулу изменяется в 6 раз – от 100 пА при потенциале затвора = – 1 В до 600 пА при потенциале затвора = – 0,4 В. В режиме, когда = 50 мВ, а ток = 350 пА, на транзисторе рассеивается мощность 17,5 пВт.
О времени переключения такого "транзистора" и о его частотной характеристике пока не сообщается. Судя по всему, они определяются в основном задержками на цепях передачи сигналов (), поскольку время перестройки электронных молекулярных орбиталей составляет порядка 10-14 с.
Из "молекулярных транзисторов" такого типа можно, конечно, построить функционально полную систему логических элементов по принципам, аналогичным описанным в предыдущих лекциях. Основной вопрос заключается в разработке эффективной "молекулярной технологии" изготовления таких логических схем, нужной системы межсоединений и более сложных устройств на их основе. Над созданием такой технологии, пригодной для промышленного производства, и работают сейчас научные сотрудники и инженеры.
Молекулы как элементы для сети клеточных автоматов
Заметим, что, используя деформацию и сдвиг МО под действием внешнего электрического поля, потенциально можно формировать не только схемы традиционной логики, но и эффективные схемы из клеточных автоматов. На рис. 4.слева показана, например, структурная химическая формула молекулы, которая может играть роль описанного в п. 4.4 простейшего двоичного элемента для сети клеточных автоматов. Боковые группы , присоединенные к бензольному кольцу, становятся здесь "донорами". Два электрона, по одному из каждой из них, при комнатных температурах легко переходят на не занятую связывающую МО (LUMO) и могут свободно перераспределяться по ней, т.е. по всей молекуле. Из-за кулоновского отталкивания относительно устойчивыми оказываются лишь 2 состояния, когда эти электроны располагаются в противоположных "углах" молекулы.

Рис. 4 . Слева – структура молекулы, способной играть роль элемента в сети клеточных автоматов; справа – условное изображение такого элемента в разных логических состояниях
Один из вариантов кодирования этих состояний и условное изображение такого простейшего двоичного элемента для сети клеточных автоматов показаны нарис. 4. справа. Под действием внешнего электрического поля электроны занимают энергетически более выгодное положение. Поэтому молекула в целом ведет себя аналогично одноэлектронному двоичному автомату, описанному в лекции 4 курса "Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков" . Правда, автомат этот не классический, а квантовый и, значит, может находиться не только в указанных двух "чистых", но и в смешанных состояниях, что существенно изменяет и функционирование сети таких клеточных автоматов.
Молекулы как основа устройств визуального отображения информации
Некоторые молекулы уже давно используются в информатике для построения жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ, англ. Liquid Crystal Displays, LCD) – одного из наиболее распространенных сейчас видов устройств для визуального отображения информации. Их используют в наручных часах, мобильных телефонах, в портативных интеллектуальных сенсорах, в ноутбуках, мониторах компьютеров. Такие индикаторы потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, легки, надежны в работе и относительно недороги.
В этих устройствах используют свойство удлиненных молекул типа изображенных на рис. 6 согласованно ориентироваться и, будучи электрическими диполями, изменять свою ориентацию в электрическом поле. Целое число на рис. 6 показывает количество повторяющихся звеньев в полимерной молекуле ().

Рис. 7. Химические структурные формулы некоторых молекул, используемых в ЖКИ
Раствор таких молекул помещают между двумя прозрачными стеклянными пластинами. На поверхности пластин создан микрорельеф в виде вытянутых в одном направлении канавок, благодаря которым все удлиненные молекулы ориентируются возле поверхности именно в этом направлении. Микрорельеф и, следовательно, ориентация молекул возле поверхности второй стеклянной пластины перпендикулярны к первой. Благодаря этому в промежуточных молекулярных слоях ориентация молекул плавно меняется рис. 7 а). Поэтому при прохождении плоско поляризованного света сквозь упорядоченный таким образом жидкий кристалл плоскость поляризации света поворачивается на – от ориентации П1 к ориентации П2. Если на ЖК материал наложить внешнее электрическое поле, то все молекулы, будучи электрическими диполями, поворачиваются в направлении этого поля. Жидкий кристалл становится однородно ориентированным, вследствие чего поворот плоскости поляризации света исчезает.

Рис. 8.. (а) Условное изображение ориентации молекул в соседних молекулярных слоях. Они образуют завитую подобно спирали структуру, которая при прохождении света Св поворачивает плоскость его поляризации П1 в направлении П2. (б) Конструкция ЖКИ
Типичная структура ЖКИ показана на рис. 8 б. Он состоит из поляризатора света 1, стеклянной пластины 2, на нижнюю поверхность которой нанесен прозрачный электрод ( или ), из стеклянной пластины 5, на верхней поверхности которой сформированы сегментные электроды и контактные площадки на периферии (вне поля зрения) с выводами 7. Между стеклянными пластинами 2 и 5 размещена изолирующая рамка 3, которая задает толщину (порядка 10 мкм) ЖК материала 4, залитого между ней и стеклянными пластинами. Ниже стеклянной пластины 5 размещаются анализатор 6 (такой же пленочный поляризатор, как и 1, но в нем плоскость поляризации развернута на ) и отражатель света 8.
Когда между электродами на пластинах 2 и 5 электрическое напряжение отсутствует, описанная структура функционирует так