Материал: Функциональная электроника. учебное пособие. Свистова Т.В

Методы агрегации определенного числа молекул нескольких типов или межмолекулярной самосборки позволяют получать заданные размеры и форму функционального элемента за счет выбора параметров, участвующих в самосборке молекулы, создать серию функциональных элементов без разброса параметров со строгой атомной детализацией. Для получения сверхтонких пленок используется метод Ленгмюра — Блоджетт. Суть метода сводится к использованию нерастворимых поверхностно-активных веществ. Эти вещества формируют из двух фрагментов. Один фрагмент представляет собой гидрофильное вещество, имеющее сродство к воде, и хорошо в ней растворяющееся. Второй компонент - гидрофобный. Он не растворяется в воде и не позволяет молекуле поверхностно-активного вещества погрузиться в воду. Формирующиеся на поверхности воды однородные мономолекулярные пленки могут быть перенесены на твердые структуры подложки с различными типами слоев.

7.1.1. Динамические неоднородности

Передача информации в молекулярной электронике осуществляется ансамблями электронов или солитонов.

В масштабах микромира под солитоном понимают структурное возмущение, способное перемещаться в одном или двух направлениях подобно частице. Перенос солитона связан с возмущением, которое меняет положение молекулярных, так называемых -орбиталей между атомами углерода. В центре солитона существует движущаяся межфазная или междолинная граница между эквивалентными фазами А и В (рис. 7.3, а). Прохождение солитона через сопряженную систему приводит к переходу между фазами А и В и к обмену одинарных и двойных связей.

Солитоны могут быть интерпретированы как топологические узлы валентной -электронной системы.

Вследствие врожденности основного состояния электропроводящих полимеров солитоны могут свободно перемещаться вдоль цепи сопряжений подобно волне плотности -электронов (рис. 7.3). Скорость перемещения солитонов близка к скорости звука.

Рис. 7.3. Генерация и распространение солитона

в полиацетиленовой цепи (а, б); интерпретация

в виде волны возмущения (в)

Солитон обладает свойствами квазичастицы, имеет определенную энергию, форму, момент импульса. На молекулярном уровне также наблюдается реверсирование солитонов. Различают два режима отражения солитонов. Две трансполиацетиленовые цепочки сопрягаются с трициклическим пентоином. Солитон проходит, отражаясь от пентоина словно от стенки (рис. 7.4, а). Другой вариант предусматривает использование гидрированного каротена в качестве реверсивной среды (рис. 7.4, б). В этом случае солитон обходит молекулу по часовой стрелке. Движение валентных -электронов происходит по пронумерованному порядку. Движение электрона со стрелкой под номером 10 может произойти только после того, как завершится движение со стрелкой 1. Солитон проходит по одной цепочке дважды.

Рис. 7.4. Процесс реверсирования солитонов

Наряду с солитонами в молекулярной системотехнике используются процессы переноса электронов по цепочкам различных циклических молекул, даже разделенных зазором до 1 нм. Электроны туннелируют по молекулам, переходя в соседние молекулы за время порядка 10^-10 – 10^-12 с. Основным эффектом при этом является быстрое резонансное и одновременно однонаправленное туннелированне за счет того, что уровень для лишнего электрона в каждой последующей молекуле на (0,1 - 0,2) эВ ниже, чем в предыдущей. Эффект быстрого резонансного туннелирования проявлялся в континуальных молекулярных средах, у которых молекулы в цепочке подобраны так, что энергия электрона, поляризовавшего одну молекулу, равна энергии электронного уровня другой, не поляризованной молекулы. Другими словами, цепочка молекул должна строиться так, чтобы энергии уровней для лишнего электрона снижались на 0,1 - 0,2 эВ.

В ленгмюровских пленках с помощью света можно возбудить экситоны, представляющие собой мигрирующее электронное возбуждение, не связанное с переносом электрического заряда и массы.

В качестве динамической неоднородности можно использовать один электрон. Это позволяет достичь энергетического предела, минимизировать энергию на одну информационную операцию. Если между отдельными молекулами создать разность потенциалов V, а энергетический барьер по полю составляет Е_пр = Е_ср, то в обратном направлении этот барьер будет определяться величиной

Е_обр = Е_ср + eV, (7.1)

где е - заряд электрона. Барьер одновременно будет препятствовать движению электрона в обратном направлении. Однако использование только одного электрона накладывают значительные ограничения на «одноэлектронику».

7.1.2. Континуальные среды

Ленгмюровские пленки представляют собой многофункциональную континуальную среду. На основе пленок Ленгмюра - Блоджетт (ЛБ) можно создать молекулярно-гладкую континуальную среду со свойствами проводника, подзатворного диэлектрика, плазмостойкого резистора, пироэлектрика и биосенсора (рис. 7.5).

На рис. 7.6 показаны структуры ряда синтезированных органических полимеров.

Весьма перспективной средой для функциональной молекулярной электроники являются органические полимеры. Они состоят из цепочки слабосвязанных молекул с частично заполненными зонами валентных электронов.

Рис. 7.5. Высаживаемые на различные подложки пленки Ленгмюра - Блоджетт, состоящие из разного типа молекул

(а, б, в, г), и создание континуальных сред на их основе (д)

Квазиодномерный органический полимер полиацетилен может быть легирован донорами (К, Na, Li) и акцепторами (Br, AsF₅, PF₆), и имеет слабое взаимодействие электронов с решеткой.

Цепочки образуют поликристаллические волокна диаметром 20 нм. Пленка полиацетилена представляет собой переплетенные волокна (паутина). Различают две модификации полиацетилена: цис- и трансизомеры. Полиацетилены могут быть получены в виде молекулярных кристаллов диацетилена (мономера).

Возможно получение пленок из поликристаллов полиацетилена. Полипролл представляет собой пленки с локальным кристаллическим порядком. В них можно осуществить регу­лярность в расположении легирующих примесей и стехиометричность состава легированных материалов. Полифинилены существуют в виде порошков и пленок. Это далеко не полный перечень сред. Число известных синтезированных органических веществ превысило пять миллионов.

Рис. 7.6. Структуры полимерных континуальных сред:

а - полиэтилен (трансформа), б - полиэтилен (цисформа);

в - полипролл; г – полифинилен

7.1.3. Другие элементы приборов

Динамическими неоднородностями типа электронов и солитонов можно управлять. В молекулярной системе, в которой двойная связь является частью большой полиацетиленовой цепочкой, под воздействием поляризованной фотоактивации включается процесс переноса электронов (рис. 7.7). При прохождении солитона (см. нижнюю цепочку) фотоактивационный процесс становится невозможным.

Другими словами, солитон включает реакцию внутреннего переноса заряда, а изменения в спектре поглощения олефина может служить детектором, регистрирующим прохожде­ние солитона.

Рис. 7.7. Молекулярный детектор солитонов

Генерация солитонов осуществляется в процессе прогонного туннелирования, например, между вторичным анином и кетонной группой трансполиацетилена в присутствии электрического поля.

Итак, показана возможность генерации, управления и детектирования солитонов. Солитон, являясь динамической неоднородностью, способен переносить информацию; с его помощью можно и хранить информацию.

7.2. Молекулярные устройства

Хранение бита информации в солитонной памяти определяется наличием или отсутствием солитона, а число хранимых битов зависит от скорости распространения солитона и длины сопряженного полимера (рис. 7.8). Сопряженный полимер связывает генератор солитонов (ГС) и электронный туннельный переключатель (ТП). Показана возможность накопления четырех битов информации. При одновременном прибытии положительного и отрицательного солитонов срабатывает туннельный переключатель. Солитонные устройства памяти не имеют высокого быстродействия, однако, отличаются высокой плотностью хранения информации. Оценки показывают, что если расстояние между солитонами составляет около 200 Å, а расстояние между центрами цепочек порядка 50 Å, то информационная емкость близка к 10¹⁸ бит/см³.

Рис. 7.8. Схема устройства памяти,

реализованная на солитонах

В устройствах памяти могут быть использованы и пленки Ленгмюра - Блоджетт. Каждая молекулярная система имеет свою частоту поглощения. Запись информации осуществляется избирательно в ансамбль молекул трехмерной молекулярной пленки с помощью лазерного излучения определенной частоты. Считывание информации осуществляется за счет обратных физических явлений. Использование свойств молекулярных структур позволяет создать трехмерные запоминающие устройства высокой информационной емкости.

Существуют различные идеи построения молекулярных компьютеров. Их микросборка, например, может быть осуществлена химическим осаждением из газовой фазы. Последо­вательность химических превращений при создании молекулярной вычислительной машины рассчитывается по заданному алгоритму.

В итоге к базовой молекуле добавляются все новые и новые звенья, формируются проводники, изоляторы, вентили, компоненты вычислительных устройств. Так, например, размер молекулярного вентиля может быть меньше одной сотой микрометра, а плотность сборки может достичь 10¹⁸ вентилей/см³.

Процессор и память гипотетического молекулярного компьютера занимают объем около 1 см² и монтируются на криостате, который предотвращает нагрев контактов и снижает химическую активность молекул. Для уменьшения количества межсоединений предусматривается использование оптических каналов для ввода - вывода информации. Обработка информационных массивов молекулярными системами имеет ряд особенностей, среди которых важнейшими являются:

- гигантский параллелизм переработки информации;

- высокая эффективность преобразования информации;

- значительная информационная сложность исходных операций;

- способность к изменчивости и эволюции молекулярных компонентов устройств переработки информации и эволюционному обучению (самообучению) устройств;

- динамические механизмы переработки информации, основанные на сложных нелинейных процессах.

Другим примерам высокой производительности может служить процессор, реализованный на пленках Ленгмюра - Блоджетт. На таких пленках можно создать молекулярные системы с высокой степенью параллелизма обработки информации и большой вычислительной мощностью.

В качестве примера приведем идею сложения двух образов, проецируемых на искусственную мембрану типа ленгмюровской пленки со встроенными молекулами фотоактивируемого фермента (динамические неоднородности). В этом случае выходной сигнал, представляющий собой концентрацию продукта ферменто-активной реакции, будет пропорционален сумме оптических сигналов на входе системы.

Оценки показывают, что при поверхности пленки около 1 см³ и при разрешающей способности 10 мкм число ячеек составит 10⁶. Каждая ячейка будет содержать 10⁴ - 10⁵ молекул фермента при 1 % заполнении поверхности. Если оценить время операции в одной ячейке даже 10^-2 с, то, учитывая высокую степень параллелизма обработки информации (порядка 10⁶), эффективное время одной операции составит 10^-8с. Другими словами, обработка больших информационных массивов методами ФЭ позволяет предельно распараллеливать информацию в процессе ее обработки. Современные компьютеры не имеют такой производительности при обработке больших массивов информации.