_{Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана}

ФАКУЛЬТЕТ: Машиностроительные Технологии

КАФЕДРА: “Электронные технологии в

машиностроении”

Реферат

На тему: «Устройства молекулярной электроники»

Студент

Метелёв А.С.

Группы МТ11-72

Москва 2015г

Оглавление

1 Общие сведения 4

2 Примеры молекулярных электронных устройств 5

2.1 Наноактюатор 5

2.2 Одноэлектронные транзисторы 5

2.3 Молекулярные переключатели 6

2.4 Молекулярные логические схемы 7

Заключение 9

Список используемого материала 10

Введение

В 1965 году Гордон Мур обнаружил закономерность: новые микросхемы появляются примерно через год после предшественников, а производительность каждый раз возрастает примерно вдвое. Это наблюдение впоследствии стали называть «Законом Мура», только интервал увеличения производительности был скорректирован и составляет 18 месяцев. Но на сегодняшний день известно, что так не может продолжаться вечно.[1]

Сегодня увеличение плотности элементов на микросхеме делается за счет уменьшения размеров самих элементов. На данный момент существует 13 нанометровая технология. Но если размеры транзисторов достигнут нескольких нанометров, начнут проявляться размерные эффекты, нарушающие работу микроэлектронных утсройств. Так же при очень тонком слое диэлектрика в полевом транзисторе возможен проход через него электронов, и вследствии неправильный режим работы.

Одним из вариантов решения задачи является использование новых материалов, например Арсенида галлия.GaAs — устройства позволят увеличить быстродействие еще на порядок, но не более того. Кроме всего прочего такие устройства очень дорогостоящие, и использутся в основном военным, так как потребляют мало энергии и являются надежными.

Другой выход — молекулярная электроника(молетроника)

1. Общие сведения

Ученых уже давно интересует возможность использования отдельных молекул, как элементов электронных систем. Такие устройства должны потреблять очень мало энергии и очень быстро выполнять какие-либо действия. У них есть несколько преимуществ перед традиционнными кремниевыми устройствами Молекула — это идеальная структура, в которой движение электронов описывается квантовохимическими законами. Так же молекула — это предел минитюаризации, так как человечество пока не научилось надежно оперировать элементарными частицами. Создание таких структур облегчено тем, что в основе создания лежит принцип самосборки. Пример показан на рисунке 1

.

Рисунок 1 — примеры самосборки различных молекул[2]

За счет самосборки достигается идентичность размеров и строения элементов и, следовательно, надежность и эффективность квантовых устройств.

1. Примеры молекулярных электронных устройств

На сегодняшний день активно ведутся исследования в области молетроники и уже были созданы многие концепции молекулярных устройств и даже прототипы. Многие устройства основаны на биологических аналогах, которые находятся внутри живых организмах и участвую в обмене веществ.

1. Наноактюатор

Актюатор — это устройство, преобразующее один вид энергии (электрический, химический, тепловой) в другой (чаще всего — механический). Наноразмерный актюатор-мотор уже был создан, его схема и устройство показаны на рисунке 2.

а) б)

Рисуонок 2 — Наноактюатор: а) схема б) реальное изображение, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Ротор такого мотора — это золотая пластинка с размером примерно 250нм, закрепленная на оси — углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположены электроды. Если подавать на электроды переменное напряжение с амплитудой в 5В, то можно заставить наномотор вращаться.[3]

1. Одноэлектронные транзисторы

Одноэлектронные транзисторы основаны на принципе туннельного перехода. Такой транзистор состоит из проводящего островка, собственная емкость которого очень мала, который соединен с стоковым и истоковым электродами туннельными переходами с малой емкостью и проводимостью. Он имеет емкостную связь с электродом затвора. Чувствительность такого транзистора очень высока, возможно срабатывание транзистора при энергиях на уровне 10^-6 e(энергии электрона).На данный момент достигнута чувствительность на уровне 10^-5 e , что позволяет манипулировать отдельными электронами, и создать принципиально новые ЭВМ с одиночным электронам в качестве носителя информации. Схематическое изображение такого транзистора представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 — Схематичное изображение одноэлектронного транзистора[4]

1. Молекулярные переключатели

Молекулярный переключатель — это молекула, которая может существовать в двух и более устойчивых формах, переход между которыми осуществляется при помощи внешнего воздействия.

При переходе между состояниями молекула-переключатель резко меняется свои свойства — геометрические, химические, электронные, оптические. Эти изменения можно использовать в наноэлектронных устройствах. Один из таких переключателей был предложен российскими учеными. В основе его лежит молекула тетрахлорпиразина. Эта молекула в разных состояниях обладает одинаковой энергией, но различными способами связи с поверхностью, на которой она находится. Эта молекула может оставаться в кажном из состояний довольно долгое время, что позволит сделать на её основе элементы памяти, размеры которых будут на несколько порядков меньше современных кремниевых. Пример такого переключателя представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 — Молекулярный переключатель, основанный на молекуле тетрахлорпиразина и два (0 и 1) его стабильных состояния.[5]

1. Молекулярные логические схемы

Существует революционный метод по созданию логических схем при помощи молекулярных переключателей. Компания HP совместно с университетом UCLA разработали и смогли создать логическую схему, принцип работы которой основан на молекулярных переключателях. Суть разработки состоит в том, что на кремниевой подложке формируются наноразмерные паралельные проводники. Далее из двух наборов таких проводников, перпендикулярно ориентированных относительно друг друга формируется решетка. После этого между проводниками помещается мономолекулярный слой электрический коммутируемых молекул — ротаксанов. Проводимостью этих молекул можно управлять, и это позволяет «программировать» процессор. Таким образом на одной и той же микросхеме можно будет создавать разные логические утройства в неограниченных количествах. Это открывает огромные перспективы для лабораторного производства и исследования, так как достаточно будет купить одну микросхему и просто перепрограммировать её для любых нужд. Схема такого устройства показана на рисунке 5.

Рисунок 5 — Логическая схема построенная с помощью ротаксана.[6]

Заключение

Хотя до того как молетроника войдет в повседневную жизнь еще очень далеко, все же не стоит останавливаться на достигнутом. Разработки в этой обрасти открывают широкие перспективы в электронике, ведь молекулярные электронные устройства потребляют намного меньше энергии, чем самые экономичные из кремниевых, известных на данный момент. Эти устройства стабильны, устойчивы к проникающей радиации. Так же молекулярные устройства обладают быстродействием, на несколько превышающим самые передовые полупроводниковые приборы, ну и наконец размеры таких устройств позволяют увеличить полотность элементов на микросхеме в миллионы раз.

Список используемого материала

1. Википедия. Свободная энциклопедия. Закон мура[электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%97%D0%B0%D0%BA%D0%BE%D0%BD_%D0%9C%D1%83%D1%80%D0%B0 Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.12.2014)

2. Википедия. Свободная энциклопедия. Самосборка.[электронный ресурс] https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B0%D0%BC%D0%BE%D1%81%D0%B1%D0%BE%D1%80%D0%BA%D0%B0 Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.12.2014)

3. Нанометр. Нанотехнологичное сообщество. [электронный ресурс] http://www.nanometer.ru/2008/12/21/nems_54998.html Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.12.2014)

4. Роснано. транзистор, одноэлектронный. [электронный ресурс] http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1429 Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.12.2014)

5. S&TRF. [электронный ресурс] http://www.strf.ru/material.aspx?CatalogId=222&d_no=75823 Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.12.2014)

6. История компьютера.Молекулярная электроника [электронный ресурс] http://chernykh.net/content/view/428/635/ Заглавие с экрана. – (Дата обращения: 05.12.2014)