ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Лекция

ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

План

1 Физические основы молекулярной электроники

2 Континуальные среды

3 Динамические неоднородности

4 Устройства молекулярной электроники

5Устройства автоволновой электроники

Литература

1. Щука А.А. Функциональная электроника: Учебник для вузов: - М.: МИРЭА, 1998.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Функциональная молекулярная электроника представляет собой направление в функциональной электронике, в котором изучаются молекулярные системы в процессе переноса и хранения информационного сигнала и в котором разрабатываются молекулярно-инженерные технологии для создания приборов и устройств обработки и хранения информации.

Идеи молекулярной электроники коренным образом отличаются от идей микроэлектроники.

В процессе создания приборов микроэлектроники применяются технологические процессы, связанные с удалением лишнего материала, изменением проводящих свойств материала с целью создания физических барьеров и переходов.

В молекулярной электронике развиваются методы конструирования и изготовления органических молекул с заданными свойствами, методы агрегации молекул нескольких типов. Первые методы связаны с созданием материалов с заданными электрическими свойствами путем подбора размеров молекул, их формы, взаимного пространственного их расположения, параметров различных функциональных групп молекул. Этот метод получил название молекулярная инженерия и с его помощью разработана концепция создания молекулярного электронного прибора.

Концепция "молекулярный" электронный прибор приобрела практическое применение только после того, как разработчики изготовили "переключатели" и "инверторы" на молекулярном уровне. Проводниками, линиями межсоединений в таких структурах служат одномерные полимеры типа трансполиацетилена (СН)_X или нитрида хлора (ClN)_X. (SN)_X. Электрически механизм переключения на молекулярном уровне эквивалентен изменению валентности молекул. Валентность же связана с туннелированием электронов через неширокие периодические решетки, образованные молекулами (рис. 7.1).

Электрон способен преодолеть периодическую молекулярную решетку только в том случае, 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 внутри решетки (рис. 1 .а), и свободно проходят через систему потенциальных барьеров при условии равенства или превышения энергии псевдостационарного уровня (рис. 1.б).

Рисунок 1 – Туннелирование электрона сквозь периодическую молекулярную решетку

Переключения в подобных структурахвозможны, если высота барьера или глубина ямы регулируются внешними факторами. К механизмам изменяющим высоту барьера или глубину ямы можно отнести перемещение положительного или отрицательного заряда внутри молекулярной цепочки, переключение потока туннелирующих электронов путем смещения высоты псевдоэнергетических барьеров. Этот метод развивает схемотехнические принципы обработки информации и ее хранения.

Молекулярный аналог элементарной логической ячейки "И-НЕ" строится на базе тетрамерной производной с диазосвязями (рис. 2).

Рисунок 2 – Молекулярный логический вентиль типа "И-НЕ"

Периодический потенциал формируется четвертичными атомами азота, входящими в структуру. Две из четырех контрольных групп могут управляться потоками заряда через цепочки (SN)n (СН)_Х путем нейтрализации положительного заряда.

Молекулярная ячейка типа "ИЛИ-НЕ" представляет собой набор колец фталоцианида галлия, связанных фтором. Соединения типа Ni-S обеспечивают заземление и связь с отрицательным потенциалом, а также с выходным выводом (SN)_n (рис. 3).

• 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 вент./см³. Недостаток: наличие токоведущих дорожек из молекулярных цепочек.

Возникают традиционные для схемотехнических решений недостатки, а также появляются новые, 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.

Рисунок 3 – Молекулярный логический вентиль типа "ИЛИ-НЕ"

Для получения сверхтонких пленок используется метод Лэнгмюра-Блоджетт Суть метода сводится к использованию нерастворимых поверхностно-активных веществ.

Нерастворимые поверхностно-активные вещества формируют из двух фрагментов (рис. 4)..

Один фрагмент представляет собой гидрофильное вещество, имеющее сродство к воде, и хорошо в ней растворяется.

Второй компонент — гидрофобный. Он не растворяется в воде и не позволяет молекуле поверхностно-активного вещества погрузиться в воду.

Пленки Лэнгмюра-Блоджетт, состоящие из разного типа молекул и высаживаемые на различные подложки (а, б, в, г), и создание континуальных сред на их основе

Рисунок 4 – Формирование поверхностно-активных веществ

Находящиеся на поверхности воды ПАВ расположены неравномерно в виде островков. Однородную по плотности пленку формируют с помощью подвижного барьера. Толщину пленки (число слоев) контролируют специальными весами .

Формирующиеся на поверхности воды однородные мономолекулярные пленки могут быть перенесены на твердые структуры подложки с различными типами слоев. При опускании подложки к сухой поверхности «цепляются» молекулы гидрофобного компонента (рис. 5а). При вытаскивании подложки из воды к мокрой поверхности подложки крепятся молекулы гидрофильного компонента (рис. 5б).

Рисунок 5 – Перенос мономолекулярных пленок на твердую подложку: а) нижний слой гидрофобный; б) нижний слой гидрофильный

В случае опускания в воду подложки и последующем ее поднимании на поверхности формируются два внутренних гидрофильных монокулярных слоя (рис.6).

Рисунок 6 – Формирование двух внутренних гидрофильных слоев на поверхности подложки

Возможно получение пленок, состоящих из нескольких мономолекулярных разнотипных слоев (рис. 7).

Рисунок 7 – Структура многослойной пленки из мономолекулярных разнотипных слоев