8.1.2. Континуальные среды
Ленгмюровские пленки представляют собой многофункциональную континуальную среду. На основе пленок Ленгмюра — Блоджетт (ЛБ) можно создать молекулярно-гладкую континуальную среду со свойствами проводника, подзатворного диэлектрика, плазмостойкого резистора, пироэлектрика и биосенсора (рис. 8.5).
Рисунок 8.5 – Высаживаемые на различные подложки пленки Ленгмюра — Блоджетт, состоящие из разного типа молекул (а, б, в, г), и создание континуальных сред на их основе (д)
На рис. 8.6 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.
Рисунок 8.6 – Структуры полимерных континуальных сред: а — полиэтилен (трансформа); 6 — полиэтилен (цисформа); в — полипролл; г — полифинилен
Квазиодномерный органический полимер полиацетилен может быть легирован донорами (K, Na, Li) и акцепторами (Br, AsF5, PF6), и имеет слабое взаимодействие электронов с решеткой.
Цепочки образуют поликристаллические волокна диаметром 20 нм. Пленка полиацетилена представляет собой переплетенные волокна (паутина). Различают две модификации полиацетилена: цис- и трансизомеры. Полиацетилены могут быть получены в виде молекулярных кристаллов диацетилена (мономера).
Возможно получение пленок из поликристаллов полиацетилена. Полипролл представляет собой пленки с локальным кристаллическим порядком. В них можно осуществить регулярность в расположении легирующих примесей и стехиометричность состава легированных материалов. Полифинилены существуют в виде порошков и пленок. Это далеко не полный перечень сред. Число известных синтезированных органических веществ превысило пять миллионов.
8.1.3. Другие элементы приборов
Динамическими неоднородностями типа электронов и солитонов можно управлять. В молекулярной системе, в которой двойная связь является частью большой полиацетиленовой цепочкой, под воздействием поляризованной фотоактивации включается процесс переноса электронов (рис. 8.7). При прохождении солитона (см. нижнюю цепочку) фото-активационный процесс становится невозможным.
Рис. 8.7 – Молекулярный детектор солитонов
Другими словами, солитон включает реакцию внутреннего переноса заряда, а изменения в спектре поглощения олефина может служить детектором, регистрирующим прохождение солитона.
Генерация солитонов осуществляется в процессе протонного туннелирования, например, между вторичным анином и кетонной группой трансполиацетилена в присутствии электрического поля.
Итак, показана возможность генерации, управления и детектирования солитонов. Солитон, являясь динамической неоднородностью, способен переносить информацию; с его помощью можно и хранить информацию.
8.2. Молекулярные устройства
Хранение бита информации в солитонной памяти определяется наличием или отсутствием солитона, а число хранимых битов зависит от скорости распространения солитона и длины сопряженного полимера (рис. 8.8). Сопряженный полимер связывает генератор солитонов (ГС) и электронный туннельный переключатель (ТП). Показана возможность накопления четырех битов информации. При одновременном прибытии положительного и отрицательного солитонов срабатывает туннельный переключатель. Солитонные устройства памяти не имеют высокого быстродействия, однако, отличаются высокой плотностью хранения информации. Оценки показывают, что если расстояние между солитонами составляет ~ 200 Ǻ, а расстояние между центрами цепочек ~ 50 Ǻ, то информационная емкость близка к ~ 1018 бит/см3.
Рисунок 8.8 – Схема устройства памяти, реализованная на солитонах
В устройствах памяти могут быть использованы и пленки Ленгмюра:— Блоджетт. Каждая молекулярная система имеет свою частоту поглощения. Запись информации осуществляется избирательно в ансамбль молекул трехмерной молекулярной пленки с помощью лазерного излучения определенной частоты. Считывание информации осуществляется за счет обратных физических явлений. Использование свойств молекулярных структур позволяет создать трехмерные запоминающие устройства высокой информационной емкости.
Существуют различные идеи построения молекулярных компьютеров. Их микросборка, например, может быть осуществлена химическим осаждением из газовой фазы. Последовательность химических превращений при создании молекулярной вычислительной машины рассчитывается по заданному алгоритму.
В итоге к базовой молекуле добавляются все новые и новые звенья, формируются проводники, изоляторы, вентили, компоненты вычислительных устройств. Так, например, размер молекулярного вентиля может быть меньше одной сотой микрометра, а плотность сборки может достичь 1018 вентилей/см3.
Процессор и память гипотетического молекулярного компьютера занимают объем ~ 1 см2 и монтируются на криостате, который предотвращает нагрев контактов и снижает химическую активность молекул. Для уменьшения количества межсоединений предусматривается использование оптических каналов для ввода-вывода информации. Обработка информационных массивов молекулярными системами имеет ряд особенностей, среди которых важнейшими являются:
гигантский параллелизм переработки информации;
высокая эффективность преобразования информации;
значительная информационная сложность исходных операций;
способность к изменчивости и эволюции молекулярных компонентов устройств переработки информации и эволюционному обучению (самообучению) устройств;
динамические механизмы переработки информации, основанные на сложных нелинейных процессах.
Другим примером высокой производительности может служить процессор, реализованный на пленках Ленгмюра — Блоджетт. На таких пленках можно создать молекулярные системы с высокой степенью параллелизма обработки информации и большой вычислительной мощностью.
В качестве примера приведем идею сложения двух образов, проецируемых на искусственную мембрану типа ленгмюровской пленки со встроенными молекулами фотоактиви-руемого фермента (динамические неоднородности). В этом случае выходной сигнал, представляющий собой концентрацию продукта ферменто-активной реакции, будет пропорционален сумме оптических сигналов на входе системы.
Оценки показывают, что при поверхности пленки ~ 1 см2 и при разрешающей способности 10 мкм число ячеек составит 106. Каждая ячейка будет содержать ~ 104 ÷ 105 молекул фермента при 1% заполнении поверхности. Если оценить время операции в одной ячейке даже ~ 10-2 с, то, учитывая высокую степень параллелизма обработки информации (~ 106), эффективное время одной операции составит ~ 10-8с. Другими словами, обработка больших информационных массивов методами ФЭ позволяет предельно распараллеливать информацию в процессе ее обработки. Современные компьютеры не имеют такой производительности при обработке больших массивов информации.