Материал: Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164

Физические основы молекулярной электроники

2.2. Пример построения

молекулярного элемента памяти

для иллюстрации возможности создания электронного ус­ тройства в виде комплекса нескольких органических молекул при­ ведем разработку Центра Молекулярной электроники фирмы IBM в Питгсбурге. Исследователям ЭТОго центра уцалось сконструиро­ вать базовый для компьютерных систем элемент типа «И», из ко­ торого можно построить все другие необходимые логические эле­

менты - триггеры, счетчики и, в итоге, всю вычислительную си­

стему. Основным активным элементом этого вентиля является мо­ лекула порфирина (к группе порфиринов относятся такие важней­ шие пигменты, как гемоглобины). Порфирины - важный класс органических молекул, содержащих в своей структуре ион метал­ ла; такие молекулы играют определяющую роль во многих био­ логических процессах переноса энергии. Порфирин - один из существенных химических компонентов хлорофилла, вещества, которое обеспечивает преобразование растениями солнечного све­ та, воздуха и воды в целый ряд комплексных органических соеди­ нений, из которых состоит растение.

С точки зрения архитектуры молекулярный вентиль иден­

тичен типичному полупроводниковому вентилю: у него два входа

(А и В) и один выход (С) (рис.2.1). Входы состоят ИЗ молекул кра­

сителя цианина, соединенных с молекулами хинона; узловой мо­ лекулой ячейки является молекула порфирина; выходом служит молекула другого красителя - хромафора. Линейные размеры структуры молекулярного вентиля составляют менее одной сотой

от размеров наименьшего теоретически возможного аналогично­

го полупроводникового вентиля.

В то время как на входы полупроводникового вентиля по­

даются электрические импульсы, входные сигналы молекулярно­

го вентиля представляют собой импульсы света, генерируемые лазером (Лl). Входная молекула цианина (1) поглощает испущен­ ный лазером фотон и в результате приобретает электрон. Этотэлек­ трон перемещается из цианиновой молекулы через хиноновую (2)

46

Глава 11 Элементная база молекулярной электроники

О 1 О

О О О

1 1 1

Рис. 2.1. а) Различные ситуации на входах (А и В) и выходе (С) молекулярного вентиля. Стрелками обозначено излучение двух лазеров на входе и считывающего лазера на выходе. Буква "е" показывает наличие и прохождение свободного электрона по уст­ ройству. 1 - молекула цианина, 2 - молекула хинона, 3 - мо­ лекула порфирина, 4 - молекула-хромафор на выходе. б) Таб­ лица, иллюстрирующая логическую схему работы вентиля [D2]

в молекулу порфирина (3). Если в молекулу порфирина попадает один добавочный электрон, это не производит никакого эффекта,

но если в нее поступают сразу два электрона - по одному от каж­

дого входа - она вытолкнет электрон в выходную молекулу хро­

мафора, Этот электрон изменяет частоту, на которой выходная молекула - хромафор - поглощает фотоны. Состояние выход­ ной молекулы можно идентифицировать лазером (Л2): если свет

поглощается - это одно состояние, если отражается - другое.

47

Физические основы молекулярной электроники

в системах, содержащих большое количество вентилей, выход одного вентиля будет, возможно, соединен со входом дру­ гого. В этих случаях выходная молекула хромафора не нужна; так­ же лишней станет и молекула цианина во втором вентиле, с кото­ рым соединен первый. Будет иметь место простой перенос элект­ рона с выхода одного вентиля на вход другого. В качестве "прово­ дов'', соединяющих два вентиля, будут применяться молекулы "органического металла" на основе полиацетилена (см. п.l.l.4).

Основная трудность при рассмотрении возможности ис­ пользования отдельных молекул и молекулярных ансамблей в ка­ честве средств хранения, передачи или перера6отки информации

заключается в том, что, как правило, реальные предложения по

схемотехнике, основанной на молекулярных элементах, в настоя­ щее время отсутствуют. В литературе описываются лишь теоре­ тические, умозрительные модели подобных устройств. Как видно из приведенного выше примера, молекулярные устройства - это

твердые тела, построенные из отдельных органических молекул,

связанных между собой слабыми вандерваальсовыми силами. При этом в самих молекулах обычно реализуется более сильная кова­ лентная связь. По сути, такие комбинации молекул представляют собой образования типа молекулярнах кристаллов, поэтому ниже будут описаны возможные варианты таких молекулярных ансам­ блей и технологии их синтеза в линейном, планарном и объемном

вариантах.

2.3. Молекулярные кристаллы

Под молекулярными кристаллами обычно подразумевают кристаллы, образованные из молекул, взаимодействующих друг с другом посредством слабых вандерваальсовых или водородных связей. Внутри молекул между атомами действует более прочная, обычно ковалентная связь. Поскольку взаимодействие между мо­ лекулами в таких кристаллах существенно слабее, чем между ато­ мами в них, следует ожидать, что свойства отдельных молекул при образовании из них твердого или жидкого вещества сохраняются

48

Глава 11 Элементная база мол екуляр ной эле ктроники

в значительно большей степени, чем это имеет место в кристал­ лах с другими типами связей.

Молекулярные кристаллы могут образовывать многие органические молекулы (нафталин, антрацен и др.); некоторые простые вещества (например, Н2, 02' S2' галогены, бинарные со­ единения N02, СО:!' и другие); металлоорганические и некоторые комплексные соединения. Молекулярными кристаллами являют­ ся многие полимеры, в том числе белки и нуклеиновые кислоты, биологические мембраны, жидкие кристаллы. Примером более "прочного" молекулярного кристалла является лед, который обра­ зуется в результате межмолекулярного взаимодействия более силь­ ного типа посредством сети водородных связей.

2.3.1. Органические молекулярные кристаллы. Строе­ ние и электронные свойства. В плане возможного использова­ ния в молекулярной электронике и как модельные молекулярные ансамбли нас главным образом будут интересовать органические молекулярные кристаллы (ОМК), в особенности кристаллы аро­ магических углеводородов и ряда гетероциклических соединений, электронные свойства которых наиболее изучены. В этих крис­ галлах вандерваальсовы силы взаимодействия значительно пре­ вышают силы взаимодействия в более простых кристаллах, на­ пример, кристаллах инертных газов. Об этом, например, прямо свидетельствуют значения теплоты сублимации Hs кристаллов полиаценов*) Hs = 7-126 кдж .м' (для молекулярных кристаллов инертных газов 4-5 кдж .м"). Кроме того, для широкого класса ОМК, характерными являются более специфические виды меж­ молекулярного взаимодействия - водородная и донорно-акцеп­

горная связи.

Донорно-акцепторная связь играет существенную роль в бинарных ОМК, которые состоят из молекул двух видов - элект­ ронных доноров и акцепторов. Все три вида отмеченных выше меж-

.) Полиаценаминазываютряд линейныхароматическихуглеводородов, к которымотносятсянафталин,антрацен,тетрацен, пентацсн и т.д. (см.

рис.2.1).

49

Физические основы молекулярной электроники

молекулярных связей встречаются в различных молекулярных био­ системах, обеспечивающих перенос экситонов и носителей заряда; в хлоропластах, митохондриях и других составляющих живой клет­ ки, которые являются наиболее сложными видами ОМК.

По сравнению с обычными кристаллами, органические молекулярные кристаллы характеризуются малой плотностью, слабой электропроводностью и низкой температурой плавления. Достаточно типичным примером ОМК является антрацен. Срав­ нительные характеристики физико-химических свойств антраце­ на и германия приведены в таблице 2.1. Как отмечалось в П.I.I.I ,

для антрацена зонная модель применима только для описания дви­

жения носителей заряда в плоскости АВ (рис.l.2), поэтому значе­ ния ширины запрещенной зоны и подвижностей приведены в таб­

лице 2.1 для этого случая.

Таблица 2.1

По другим направлениям слабое межмолекулярное взаи­ модействие приводит к незначительному изменению электронных свойств отдельных молекул при образовании кристалла. Как по­

казывают данные рентгеноструктурного анализа по распределе-

50