ЭЛЕКТРОНИКА И БИОЭЛЕКТРОНИКА

Физические основы

Функциональная молекулярная электроника представляет собой направление в функциональной электронике, в котором изучаются процессы переноса и хранения информационного сигнала в молекулярных системах, а также разработка молекулярно-инженерных технологий для создания приборов и устройств обработки и хранения информации.

Идеи молекулярной электроники несколько отличаются от идей микроэлектроники. В процессе создания и микроминиатюризации приборов микроэлектроники создаются технологические процессы, связанные с удалением лишнего материала, изменением проводящих свойств материала с целью создания физических барьеров и переходов. В молекулярной электронике развиваются методы конструирования н 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 инженерияи с его помощью разработана концепция создания молекулярного электронного прибора.

Молекулярный электронный прибор приобрел статус микроэлектронного прибора после того, как были изготовлены переключатели и инверторы на молекулярном уровне. Проводниками, линиями межсоединений в таких структурах служат одномерные полимеры типа трансполиацетилена (СН)_х или нитрида хлора (SN)_х. 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).

Рис. 7.1. Туннелирование электрона сквозь периодическую

молекулярную решетку

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. 7.1, а), и свободно проходят через систему потенциальных барьеров при условии равенства или превышения энергии псевдостационарного уровня (рис. 7.1, б).

Идея переключения в подобных структурах будет осуществляться, если высота барьера или глубина ямы регулируются внешними факторами. Среди таких механизмов отметим перемещение положительного или отрицательного заряда внутри молекулярной цепочки, переключение потока туннелирующих электронов путем смешения 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. 7.2).

Рис. 7.2. Молекулярные логические вентили типов И - НЕ (а)

и ИЛИ - НЕ (б)

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-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. 7.2, б). 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. Суть метода сводится к использованию нерастворимых поверхностно-активных веществ. Эти вещества формируют из двух фрагментов. Один фрагмент представляет собой гидрофильное вещество, имеющее сродство к воде, и хорошо в ней растворяющееся. Второй компонент - гидрофобный. Он не растворяется в воде и не позволяет 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.

Поиск по сайту: