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

Введение

ческого глаза. С другой стороны, молекулярные устройства могут быть эффективными излучателями света и благодаря своим ма­

JlЫМ размерам на их основе станет возможным создавать дисплеи

с очень высокой разрешающей способностью, в том числе и трех­ мерного изображения.

Молекулярные устройства (МУ) можно было бы исполь­

зоваль также в качестве сенсоров, при этом молекулярная система

должна иметь большое количество входов, реагирующих только

па определеннный тип молекул, то есть созданных по типу "за­ мок-ключ", что обеспечило бы высокую селективность таких уст­ ройств. Такие сенсоры могли бы иметь широкий круг примене­ IIИЯ в экологии, промышленности, медицине. В последнем случае

у молекулярного сенсора имеется еще одно важное преимущество.

Ilоскольку сенсор будет выполнен из органических молекул, ме­

ликам будет значительно легче вживлять его в организм с целью

«оздания имплантируемого монитора состояния человека.

Для создания реальных устройств необходимо решение ряда принципиальных вопросов, составляющих по сути физичес­ ь ие основы молекулярной электроники. К числу таких вопросов огносятся: возможные механизмы передачи информации в моле­ 1\улярных системах; элементная база устройств молекулярной элек­

I роники, технологические приемы и принципы ее создания, спо­

«обы контроля за функционированием МУ на основе таких эле­ ментов, наконец, поиск реальных путей запоминания и перера­ t «пки информации на молекулярном уровне.

Последовательному изложению этих вопросов и посвяще­ 11t) данное пособие.

11

Физические основы молекулярной электроники

ГЛАВА I

ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМАХ

Необходимым условием функционирования устройств мо­ лекулярной электроники (УМЭ) является возможность эффектив­ ной передачи информации между их отдельными элементами. Причем, если в современных планарных схемах расстояние меж­ ду активными элементами составляет порядка 1 мкм, то В УМЭ с увеличением степени интеграции оно может уменьшиться до 10-1 нм. В этом случае возможные механизмы передачи информации мо­ гут быть довольно разнообразными (см. табл.l), хотя и здесь ос­

новную роль играет, по-видимому, электронная проводимость.

Однако в отличие от случаев объемного либо двумерного перено­ са носителей заряда в металлических проводах или вблизи повер­

хности полупроводников, здесь реализуется электронная прово­

димость протяженных молекулярных систем, Т.е. процесс переда­

чи электронов от электронно-донорной к электронно-акцепторной

Таблица 1 Возможные механизмы передачи информации в молекулярных системах

12

Глава 1 Возможные механизмы передачи информации в молекулярных системах

группировке по цепочке атомов. Рассмотрим специфику переноса ')лектронов в таких системах более подробно.

1.1. Движение носителей заряда

в молекулярных системах

1.1.1. Два подхода к описанию переноса носителей заря­ да. Условия применимости зонной модели для молекулярных систем. При описании перемещения носителей заряда в твердых телах обычно рассматривают два предельных случая. В первом

случае движение носителя описывается как распространение де­

локализованной плоской волны в широкой по энергиии разре­ шенной зоне. Классический пример перемещения носителей та­

кого рода - движение дырок в высокоомных кристаллах герма­

пия. Здесь ширина валентной зоны составляет > - 3 эВ, и длина

свободного пробега при Т= 300 К равна 1000 А, т.е. существен­ 110 больше межатомного расстояния (2,45 А). В этом случае под­

вижность J..1 » 1 см/Вт'с', а ее температурная зависимость имеет

вид Jl ~ Т:", где п > 1. Качественно зонный перенос иллюстрирует­ ся рис.l.l. В идеальном кристалле (прямая линия на рис.l.1.а) дви­ жению электрона соответствует плоская волна без рассеяния. В

реальном кристалле всегда присутствуют локальные нарушения

симметрии его решетки, что приводит К рассеянию электронов и

уменьшению их подвижности. Основные механизмы рассеяния

следующие:

1) на фононах,

2) на собственных структурных дефектах,

3) на заряженных и нейтральных инородных примесях. При температурах, близких к комнатным, основной при-

чиной рассеяния являются колебания решетки (то есть фОНОНЫ),

поэтому в этих условиях с понижением температуры подвижность

повышается.

В другом предельном случае носитель сильно локализо­

ван и перемешается путем перескоков от узла к узлу решетки по

прыжковому механизму. Здесь ситуация с подвижностью диамет-

13

Физические основы молекулярной электроники

_________e!I\ _

___ff\~__

Рис. 1.1. Возможные

механизмы переноса

рально противоположная. Если носитель локализуется на дефект­ ном узле (или в потенциальной яме, созданной самим носителем в результате поляризации решетки), то для перемещения от одно­ го узла на другой необходимы колебания решетки (рис.l.l.б). Та­ кой процесс должен быть активирован и подвижность будет воз­ растать с температурой: Jl-- еxp(-Ea/k1), где Еа - энергия актива­ ции, Jl« 1.

Таким образом, при рассмотрении двух предельных слу­

чаев переноса зарядов, в модели перескоков превалирует молеку­

лярный, локальный характер проводящих состояний; В зонной мо­ дели - их коллективная природа. Сложность рассмотрения моле­

кулярных систем состоит в том, что они занимают промежуточ­

ное положение: подвижность носителей заряда в таких соедине­ ниях, как правило, мало отличается от 1 см'В"'с', а температур­

ная зависимость свидетельствует как о зонном, так и о прыжко­

вом переносе носителей заряда; более того, для многих молеку­ лярных органических кристаллов существует область температур, где Jl вообще от температуры не зависит. Ввиду сильной анизот­

ропии органических кристаллов, в зависимости от кристаллогра­

фического направления при движении носителей заряда могут

14

Глава 1 Возможные механизмы передачи информации в молекулярных системах

иметь место оба вида переноса. В общем случае условие приме­ пимости зонной модели требует, чтобы

пли Больцмана. Для большинства молекулярных кристаллов Еg ---

/\ Т, а если положить а --- 0,5 нм, то при комнатной температуре чгачения J..1, при которых реализуется данный перенос, составля­ 10 1: f.l. > 1 см'В?с'. В предельном случае, когда f.l. = 1см'В'!с', чпипа пробега в 3-4 раза больше постояннойрешетки. В частно­

I I И, дЛЯ такого молекулярного крис­

15