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

Глава 11 Эл ементная база молекулярной электроники

Рис. 2.10. Принципиальная схема метода дифракции мед­ ленных электронов: 1 - электронная пушка, 2 моно­ хроматический пучек электронов, 3 -- исследуемая по­ верхность,4 - рассеянные дифракционные пучки, 5 . система ускоряющих сеток, 6 - люминесцентный экран

Решая обратную эллипсометрическую задачу, можно оп­ ределить величины п и d. По заданным значениям п и d решается уравнение (2.4) (прямая задача). Полученные таким образом тео­

определяют искомые величины п и d. Численное решение такой задачи проводится на ЭВМ.

Формула (2.4) была получена в предположении, что свет отражается на резкой плоской границе однородных сплошных

71

Физические основы молекулярной электроники

сред. Однако теоретические расчеты и экспериментальные дан­ ные показывают, что отраженная волна формируется в поверхно­ стном слое конечной толщины. Параметры этого слоя могут су­ щественно отличаться от соответствующих параметров в объеме вещества, поэтому для корректного определения п и d бывают не­ обходимыми дополнительные теоретические оценки и экспери­ ментальные данные. Дальнейшие экспериментальные усовершен­

ствования эллипсометрии предполагают сканирование по длинам

волн, для изучения диспергирующих свойств поверхностных фаз,

изменение угла падения света. В последние годы разработаны эл­ липсометры, в которых мощная лазерная накачка модифицирует свойства среды, а пробный луч малой интенсивности использует­ ся для одновременных эллипсометрических измерений.

Для исследования двумерной планарной структуры ПЛБ используется методдифракции медленных электронов (Дl\1Э). Суть метода - упругое рассеяние электронов упорядоченной поверхно­ стью твердого тела, подчиняющееся двумерному условию Лауэ:

где А(Е) = [150/Е(эВ)]1/2 - длина волны Де Бройля для электро­

постоянная решетки. Поверхностная чувствительность ДМЭ оп­ ределяется малой (до 0,3 нм) глубиной проникновения электро­ нов низкой (0-200 эВ) энергиив кристалл.

Экспериментальнаяреализацияметодатакова(рис. 2.10): сформированный электронной пушкой 1 монохроматический пу­ чок электронов 2 направляется на исследуемую поверхность 3. Энергия электронов задается приложением к образцу соответству­ ющего потенциала. Сформированные в результате рассеяния диф­ ракционные пучки 4, пройдя через систему сеток 5, ускоряются до энергии в несколько кэВ и попадают на люминесцентный эк­ ран 6, вызывая его свечение. Образовавшаяся таким образом на экране электронографа система пятен (рефлексов) позволяет по­ лучить информацию о симметрии и размерах элементарных яче-

72

Глава // Элементная база молекулярной электроники

Рис. 2.11. Схематичес­ кое изображениепленок Лэнгмюра-Блоджетт стеариновой кислоты

ек поверхностиили, проще говоря, о кристаллическойструктуре исследуемой поверхности. Естественно, метод дмэ может быть реализован в вакууме. Образец крепится на манипуляторе ваку­ умной камеры, позволяющемперемещатьего, сканируяэлектрон­ ным пучком всю изучаемую поверхность. Таким образом была получена информацияо планарной структуре сверхтонкихПЛБ, образованныходним бислоем молекул.

Результаты многих исследований методами дифракции медленных электронов (на просвет и на отражение) и рентгено­ вской дифракциинаиболее хорошо изученныхПЛБ стеариновой кислоты свидетельствуюто том, что в них существуетближний порядокс характернойдвумернойгексагональнойструктурой,со­ ответствующийплотной упаковке молекул. В то же время, даль­ ний трансляционный порядок отсутствует и ПЛБ представляет собой совокупностьхаотическиориентированныхдвумерныхмик­ рокристалловразмерами (0,1-10) мкм (рис. 2.11). Такая структу­ ра формируется еще на поверхности субфазы. Доменная структу­ ра ПЛБ обнаружена и методом люминесцентной микроскопии. Степень упорядоченности подложки также влияет на размер мик­ рокристаллов в ПЛБ.

73

Физические основы молекулярной электроники

Впервые двумерный дальний порядок в монослое арахи­ новой кислоты был зарегистрирован методом дифракции медлен­ ных электронов (ДМЭ) на монокристаллических подложках ме­ таллов (Ац, Ag, Си). Наблюдаемая в этих опытах гексагональная упаковка молекул с минимальным расстоянием между ними 0,49

нм, характерным для плотноупакованного монослоя, не совпада­

ет ни с одним из периодов гексагональных решеток подложек Ли, Ag, Си (111). Двумерная кристаллическая структура ПЛБ жирных кислот также наблюдалась на подложках высокоориентированно­ го пиролитического графита методом сканирующей туннельной микроскопии. Таким образом, вопрос о корреляции структур ПЛБ

и подложек в настоящее время остается открытым.

Следует также отметить, что уже при энергии электронов 50-70 эВ заметными становятся неупругие столкновения элект­ ронов с подложкой,которыемогут приводитьк заметномудефек­ тообразованиюкак в подложке, так и в самой ПЛБ. Наличие та­ ких дефектов может, в принципе, приводить и к изменению мак­ роскопическойструкурыпленок. Следовательно,методДМЭв дан­ ном случае нельзя рассматриватькакбезусловнонеразрушающий и его следует сочетать с другими методами, чтобы убедиться в отсутствиидефектообразования.

2.7. Принципы самоорганизации

отдельных молекулярных компонентов

Создание сложных устройств молекулярной электроники невозможно без использования на определенных этапах самоорга­ низации их элементов. В частности, возможные подходы к созда­ нию биокомпьютера предполагают, что в ходе синтеза добавочные звенья будут самопроизвольно присоединяться к матрице в нуж­ ных местах. это произойдет, если выходной продукт каждой реак­ ции будет автоматически располагаться на подложке так, чтобы управлять ходом последующих реакций определеным образом.

Во многом идеи самоорганизации отдельных молекуляр­ ных компонентов базируются на большом экспериментальном и

74

Глава 1/ Элементная база молекулярной электроники

теоретическом материале о строении и свойствах микрофаз по­ верхностно-активных веществ, полимеров и биологических мем­ бран (см. п.2.3.2, 2.4). Как отмечалось, многие поверхностно ак­ тивные вещества образуют в водных растворах (нередко с неорга­ ническими и органическими добавками) микроагенты - сфери­ ческие мицеллы, симметричные мицеллы (глобулы), цилиндри­ ческие мицеллы, ламеллярные (слоистые) структуры и в том чис­ ле бислойные мембраны, бислойные сферические пузырьки (ве­ зикулы). При уменьшении содержания воды эти микроагрегаты упаковываются в различные по своей структуре жидкокристалли­ ческие мсзофазы и квазитвердыс системы. В последнее время сдс­ ланы попытки оценить теоретически, какие факторы определяют структуру образующейся системы. При этом обращастся внима­ ние на два аспекта - на термодинамику процсссов образования и на связь структуры микрофазы со структурными свойствами вхо­ дящей в микрофазу молекулярной единицы. 8 частности, отмеча­

ется, что в термодинамически равновесных условиях величина

параметра упаковки п(ао/) - коррелирует с типом образовавшей­ ся структуры. Здесь n - объем гидрофобного "хвоста" поверхно­ стно-активной молекулы, ао - площадь поверхности, приходя­ щаяся на гидрофильную группировку, Lc - критическая длина углеводородной цепи, Т.е. максимальная длина цепи, которая мо­ жет быть приписана углеводородному остатку.

Естественно, что процессы образования рассматриваемых микрофаз слишком сложны, чтобы сегодня говорить о возможно­

сти целенаправленного конструирования практически используе­

мых устройств. Обсуждавшиеся выше проблемы относятся к тер­

модинамически стационарным, близким к равновесию системам. В то же время, говоря о процессах самоорганизации, нельзя не упомянуть и о другой весьма важной сфере проявления этих про­ цессов для сложных биологических объектов - области сильно

неравновесных систем.

Исследования в области самоорганизации в неравновес­ ных диссипативных средах впервые были проведены американс­ ким физиком русского происхождения Н.Р. Пригожиным и его со-

75