Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 34
Текст из файла (страница 34)
Здесь используются нелегированныеили слаболегированные полимеры. В настоящее время созданы полностью полимерные фотодиоды и солнечные элементы на полимерных p–n-переходах с достаточно высоким КПД.Перспективная и быстро развивающаяся область —органические светодиоды. Целью многих разработок является создание дешевых источников освещения, цветныхплоских дисплеев и органических светодиодов. Эффективность органических преобразователей электрическойэнергии в световую достигла уровня лучших неорганических. К преимуществам органических светодиодов относятся низкая стоимость и возможность получать большие190НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальностьповерхности, например, для освещения панелей и стен.Возможно применение органических светодиодов в пло&ских цветных дисплеях, которые будут тоньше и дешев&ле, чем жидкокристаллические. Уже разработаны светя&щиеся дорожные знаки, плоские дисплеи в различныхприборах. Разрабатываются телевизионные плоские эк&раны, светящиеся белым светом.Принцип работы органического светодиода очень прост.Прибор состоит из проводящего полимера в качестве элек&трода с одной стороны, полупроводникового полимера вцентре и второго электрода (металлического). При подаченапряжения на структуру отрицательный металлическийэлектрод инжектирует в средний слой электроны, поло&жительный электрод — дырки.
При рекомбинации заря&дов испускается излучение. Эффективность преобразова&ния электрической энергии в световую — от 4 до 20%, чтосравнимо с параметрами кристаллических светодиодов.Полимерные светодиоды могут в перспективе произво&диться быстро, дешево и в больших количествах.7.8.2.МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА(МОЛЕТРОНИКА)Молетроника — это электроника, в которой в качест&ве элементов микроэлектронных схем используются отдель&ные органические молекулы или даже их фрагменты.Идеи молекулярной электроники возникли еще в 70&е гг.XX в. Теоретически было показано, что различные моле&кулы могут проводить ток или быть изоляторами, дейст&вовать как диоды, элементы памяти, транзисторы. Одна&ко эксперименты с отдельными молекулами в те годы быличрезвычайно трудными.В последние годы резко возрос интерес к молекуляр&ным устройствам.
Во&первых, в связи с приближающим&ся пределом миниатюризации технологии ИМС на крем&нии ведется поиск новых решений, которые привели бы кпрогрессу в микроэлектронике. Во&вторых, появилисьновые экспериментальные средства в нанотехнологиях,дающие возможность оперировать отдельными молекула&Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ191ми и создавать к ним контакты. Интерес к молекулярнойэлектронике обусловлен перспективами, которые откро%ются, если отдельные молекулы можно будет использо%вать в качестве базовых элементов электронных схем.
Воз%никает реальная перспектива создания 3%мерных схем сосверхвысокой плотностью элементов, чрезвычайно высо%ким быстродействием, низким энергопотреблением.Основная трудность использования отдельных моле%кул — отсутствие соответствующей схемотехники.
Моле%кулярные устройства должны представлять собой сложныеразветвленные цепи из различных атомных группировок.Методы синтеза таких устройств пока не разработаны.В настоящее время в мире существует более десятканаучно%технологических центров, занимающихся разра%боткой устройств молекулярной электроники. Ежегоднопроводятся конференции, собирающие сотни специали%стов.
Финансирование разработок за рубежом соизмери%мо с затратами в области традиционных технологий мик%роэлектроники. Главные усилия разработчиков направ%лены на создание молекулярного компьютера.7.8.3.МОЛЕКУЛЫПРОВОДНИКИИ МОЛЕКУЛЫИЗОЛЯТОРЫСуществует много видов молекул%проводников. Рольтаких проводников наилучшим образом выполняют длин%ные стержнеобразные молекулы с чередующимися оди%нарными и двойными (или тройными) связями углерода.На рис.
7.28 показаны примеры таких молекул: а — по%лиен (CnHn+2), б — полифениленэтинилен.В таких молекулах внешние, так называемые молеку%лярные, p%орбитали электронов атомов углерода распростра%няются по всей молекуле (делокализованные орбитали).абРис. 7.28Структура молекул полиена (а) и полифениленэтинилена (б)192НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 7.29Структура молекулыCnH2n+2Это и обеспечивает возможность переноса электронов про#водимости вдоль всей молекулы, т. е.
электропроводностьмолекулы.Простейший пример молекул#изоляторов — алканыCnH2n+2 (рис. 7.29). Связи С–С и С–Н образованы локали#зованными молекулярными s#орбиталями. Подобные мо#лекулы ток не проводят.7.8.4.МОЛЕКУЛЫДИОДЫНа рис. 7.30а показана модельная молекула, состоя#щая из двух фрагментов: 1 — тетрацианохинодиметан (ак#цептор) и 2 — тетратиофульвален (донор), соединенныхсистемой метиленовых мостиков (3).абРис. 7.30Схема молекулы, обладающей свойством диода (а);упрощенная энергетическая схема этой молекулы (б)193Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИАкцептор (1) имеет низколежающую свободную орби$таль p1, донор (2) имеет свободную орбиталь с более высо$кой энергией p2. Донор и акцептор разделены изолирую$щей подгруппой (3). Молекула помещена между двумя ме$таллическими электродами с уровнями Ферми EF1 и EF2.В металлах (при низких температурах) заполнены прак$тически все состояния до EF1 и EF2. Рис.
7.30б соответст$вует отсутствию напряжения между электродами.Если на электрод 1 подать «минус», а на электрод 2«плюс», то уровень EF1 поднимется, и электроны будутпереходить из металла 1 на свободный уровень p1. Уро$вень EF2 понизится, на него будут уходить электроны сзанятого уровня p¢2. На освободившийся уровень туннели$руют электроны, перешедшие на p1. Ток течет от электро$да 1 к электроду 2, электроны при движении понижаютэнергию на каждой ступени.Если изменить полярность электродов, то на свобод$ный уровень p2 электроны из металла 2 пойдут при гораз$до большем напряжении, так как уровень p2 расположенвысоко.
Таким образом, имеет место односторонняя про$водимость.7.8.5.МОЛЕКУЛЫТРАНЗИСТОРЫПринципиальная схема молеку$лярного транзистора приведена нарис. 7.31.Молекулярный транзистор — ана$лог полевого транзистора. Током вканале между истоком и стоком управ$ляет электрическое поле затвора. За$твором служит подложка сильнолеги$рованного Si. Подложка покрыта сло$ем SiO2 толщиной 30 нм. На диоксиднаносилась полоска золота шириной~200 нм и толщиной ~10–15 нм. По$лоска, выполнявшая роль проводящейпроволочки, очищалась и помеща$лась в раствор металлоорганическихРис. 7.31Схема молекулярноготранзистора194НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ.
Введение в специальностьмолекул, содержащих ион Co2+, в ацетонитриле. Затем ме#тодом электромиграции (см. след. главу) на проволочке (по#лоске) создавался разрыв шириной ~1–2 нм. Образовавшие#ся кусочки золота (1 и 2, см. рис. 7.31) служили истоком истоком. В момент разрыва одна из молекул втягивается по#лем золотых электродов в разрыв и прикрепляется конца#ми — атомами серы — к электродам.Полученный молекулярный транзистор — одноэлек#тронный.
Островом служит ион кобальта, между ионом иэлектродами имеются туннельные барьеры. Если величи#на напряжения на затворе меньше некоторого критиче#ского значения (|Uзк| = 1,0 B), то на вольт#амперных харак#теристиках наблюдаются области кулоновской блокады(см.
рис. 7.22а). При |Uз| ³ |Uзк| блокада прорывается и токчерез транзистор течет даже при очень малых смещениях(напряжениях между истоком и стоком). После прорываблокады величина тока через молекулы составляет несколь#ко десятых нА при напряжении смещения около 0,1 В, со#противление транзистора лежит в пределах 0,1–1 ГОм.Таким образом, посредством изменения напряженияна затворе транзистор можно переключать из непроводя#щего состояния в проводящее.В этом разделе был рассмотрен один из вариантов моле#кулярного транзистора.
В настоящее время существует не#сколько вариантов таких устройств и способов их изготов#ления.7.8.6.МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ПАМЯТИСуществуют классы молекул, которые могут находить#ся в двух стабильных состояниях с различными значения#ми электропроводности. Такие молекулы могут быть ис#пользованы в качестве переключателей или элементовпамяти. На рис. 7.32 показан пример катенановой моле#кулы (катенановыми называются молекулы, в которыходно молекулярное кольцо механически сцеплено с дру#гим кольцом), состояние которой меняется при подаченапряжения. Длина молекулы — 1 нм, ширина — 0,5 нм.На рис.
7.32а представлено разомкнутое состояние; вэтом состоянии молекула проводит ток хуже, чем при вза#Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ195Рис. 7.32Схематическое представление одного из вариантовмолекулярного элемента памятиимном расположении колец, изображенном на рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
