Щука А.А. Электроника (2005) (1152091), страница 161
Текст из файла (страница 161)
Электрически механизлз переключения на молекулярном уровне эквивалентен изменению валентности молекул. Валентность же связана с тупнелированием электронов через неширокие периодические решетки, образованные чолекулами (рис. 7.!). б) а) Рнс. 7Л. Туннелнрованне электрона сквозь периодическую молекулярную решетку Электрон способен преодолеть периодическую молекулярную решетку только в точ слу чае, если его энергия равна или больше энергетического барьера внутри решетки. Электроны не могут преодолеть молекулярную периодическую решетку, если их энергия соответствует величине каждого энергетического барьера вн>три решетки (рис.
7.1, а): '" свободно проходят через систему потенциальных барьеров при условии равенства илг~ пРевышения энергии псевдостацнонарного уровня(рис. 7 1, б). 749 7. Функциональная молекулярная электроника Идея переключения в подобных структурах будет осуществляться, если высота барьера или глубина ямы регулируются внешними факторами. Среди таких механизмов отметим перемещение положитсльного илн отрицательного заряда внутри молекулярной цепочки, переключение потока туннелируюших электронов путем смещения высоты псевдоэнергетических барьеров. Зтот метод развивает схемотехнические принципы обработки информации и ее хранения. Молекулярный аналог элементарной логической ячейки И вЂ” НЕ строится на базе тетра- мерной производной с диазосвязями (рис.
7.2). Периодический потенциал формируется четвертичными атомами азота, входящими в структуру. Две из четырех контрольных групп могут управляться потоками заряда через цепочки (СН)х путем нейтрализации положительного заряда. Молекулярная ячейка типа ИЛИ вЂ” НЕ представляет собой набор колец фталоцианида галлия, связанных фтором. Соединения типа )ч( — К обеспечивают заземление и связь с отрицательным потенциалом, а также с выходным выводом (Я)С)„(рис.7.2, б).
Эти базовые элементы мокнут стать составными частями биологических компьютерных систем. Размеры структур логических ячеек могут составлять менее одной сотой размера полупроводниковой логической ячейки. Ожидаемая плотность размещения составит !О вентизгей)см'. 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.
а) б) Рис. 7.2. Молекулярные логические вентили типов И вЂ” НЕ (а) и ИЛИ вЂ” НЕ (б) Часть (и Функциональная электроника )хдетоды агрегации определенного числа молекул нескольких типов или межмолекуляр ной самосборки позволяют получать заданные размеры и форму функционального эле мента за счет выбора параметров, участвующих в самосборке молекулы, создать серию функциональных элементов без разброса параметров со строгой атомной детализацией, Для получения сверхтонких пленок используется мелюо Леягянора . — Ьлодэкеюлг. Суть метода сводится к использованию нерастворимых поверхностно-активных веществ. Эти вещества формируют из двух фрагментов. Один фрагмент представляет собой гидро фильное вещество, имеющее сродство к воде, и хорошо в ней растворяющееся.
Второй компонент — гидрофобный. Он не растворяется в воде и не позволяет молекуле поверх постно-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 перемешаться в одном или двух направлениях подобно частице. Перенос солитона связан с возмущением, которое меняет положение молекулярных, так называемых к-орбиталей между атомами углерода.
В центре солитона существует движущаяся мелгфсокоя или междолияяоя граница между эквивалентными фазами А и В (рис. 7.3, а). Прохождение солитона через сопряженную систему приводит к переходу между фазами.4 и В и к обмену одинарных и двойных связей. Солитоны могут быть интерпретированы как топологические узлы валентной к-электронной системы Вслелствие врожденности основного состояния электропроводящих полимеров солитоны мокнут свободно перемещаться вдоль цени сопряжений подобно волне плотности х-электронов (рис.
7.3). Скорость перемещения солитонов близка к скорости звука. в) а) б) Рис. 7.З. Генерация и распространение сслигоиа в попиацвтилвновей цепи (а, б) интерпретация в аиде волны возмущения (в) Солитон облалает свойствами квазичастицы, имеет определенную энергию, формУ, мо мент импульса. На молекулярном уровне также наблюдается реверснрование солитонов Рашичшот два режима отражения солитонов, Две трансполиацетиленовые цепочки со прягаются с трициклическим пентоином. Солитон проходит, отражаясь от пентоина словно от стенки (рис. 7.4, а).
другой вариант предусматривает использование гидриро ванного каротена в качестве реверсивной среды (рис. 7,4, б). В этом случае солитон обхо дит молекулу по часовой стрелке. Движение валентных я-электронов происходит по про 7. Функциональная молекулярная электроника нумерованному порядку. Движение электрона со стрелкой под номером )О может произойти только после того, как завершится движение со стрелкой !. Солитон проходит по одной цепочке дважды.
а) б) Рис.т.я. Процесс реверсирсввния сслитснов 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 - 1О + 10 с. Основным эффектом при этом является быстрое резонансное и одновре- -ю меино однонаправленное туниелирование 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, поляризовавщего 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 О,! — 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 К а энергетический барьер по полю составляет то в обратном направлении этот барьер будет определяться величиной Е„й = Е„, + е 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.
Кентинуалъные среды Ленгмюровские пленки представляю~ собой многофункциональную коитинувльную среду. На основе пленок Леигмюрв — Блоджетг 1ЛБ) можно создать молекулярно-гладкую Часть IК Функциональная электроника тбх континуальную среду со свойствами проводника, подзатворного диэлектрика, плазмо стойкого резистора,пироэлектрика и биосенсора(рис.
7.5). б) е) д) Рис. 7.6. Высаживаемые иа различные подложки пленки Лечгмюра — Бподжетт, состоящие из разного типа молекул (е, б, е, г), и создание хоитинуапьных сред на их основе (д) 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.
б) а) е) Рис. 7.В. СтруктуРы полимерных хонтииуальиых сред: г — полиэтилен (трансформа); б — полиэтилен (цисформа); г — полипролл, г — полифииилен Квазиодномерный ор~ анический полимер полиацетилен может быть легирован донорамн (К, )ча, Ы) и акцепторами (Вг, Аэр„РГ„), и имеет слабое взаимодействие электроно~ с решеткой. Цепочки образуют поликристаллические волокна диаметром 20 нм. Пленка полиацстилс на представляет собой переплетенные волокна (паутина), Различают две модификации т. Функциональная молекулярная электроника полиацетилена: цис- н трансизомеры.
Полиацетнлены могут быть получены в виде молекулярных кристаллов диацетилена (ьтономера]. Возможно получение пленок из поликристаллов полиацетилена. Полипролл представляет собой пленки с локальным кристаллическим порядком. В них можно осуществить регулярность в располоткенни легируюших примесей и стехиометричность состава легированных материалов. Полифинилены существуют в виде порошков и пленок.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
