Материал: Презентация УФЭ (9)

Функциональная молекулярная электроника

Эти базовые элементы могут стать составными частями биологических компьютерных систем. Размеры структур логических ячеек могут составлять менее

одной сотой размера полупроводниковой логической ячейки. Ожидаемая плотность размещения составит 1018 вентилей/см3.

При всей привлекательности такой идеи молекулярных схем (даже с точки зрения использования при создании компьютеров) в ней содержится врожденный порок схемотехники. Речь идет о тех же схемотехнических решениях, тех же проводах, хотя это уже не пленочные токоведущие дорожки, а молекулярные цепочки. Все это не исключает возможность возникновения традиционных для схемотехнических решений недостатков, а также новых, специфика которых состоит в налаживании надежных контактов между отдельными соединениями.

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 – использование нерастворимых поверхностно-активных веществ, которые формируют из двух фрагментов: 1) гидрофильное вещество, имеющее сродство к воде, и хорошо в ней растворяющееся, 2) гидрофобное вещество, не растворимое в воде, не позволяющее 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.

6

Функциональная молекулярная электроника

1. Динамические неоднородности

1). 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 π-орбиталей между атомами углерода. В центре солитона существует движущаяся межфазная или междолинная граница между эквивалентными фазами А и В. 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 π-электронной системы.

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

7

Функциональная молекулярная электроника

1. Динамические неоднородности

2). 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 ~10−12 − 10−10 с. Основным эффектом при этом является быстрое резонансное и одновременно однонаправленное туннелирование 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.

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

4). В качестве динамической неоднородности можно использовать один электрон. Это позволяет достичь энергетического предела, минимизировать энергию на одну информационную операцию. Использование только одного электрона накладывают значительные ограничения на «одноэлектронику».

8

Функциональная молекулярная электроника

2. Континуальные среды

Ленгмюровские пленки представляют собой многофункциональную континуальную среду.

На основе пленок Ленгмюра – Блоджетт можно создать молекулярно-гладкую континуальную среду со свойствами проводника, подзатворного диэлектрика, плазмостойкого резистора, пироэлектрика и биосенсора.

9

Функциональная молекулярная электроника

2. Континуальные среды

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

Квазиодномерный органический полимер полиацетилен может быть легирован донорами (, , ) и акцепторами (, 5, 6), и имеет слабое взаимодействие электронов с решеткой.

полиэтилен (трансформа) полиэтилен (цисформа)

полипролл

полифинилен 10