Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164

г.с. Плотников, В.Б. Зайцев

ФИЗИЧЕСКИЕ основы

МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Москва Физический факультет МГУ

2000

УДК 539.2:68] .3:547.1 (075.8) ББК 22.36:32.97

г.с. п л от н и к ов, В.Б. Зай Ц е в. Физические основы мо­ лекулярной электроники- М.: Физический факультет МГУ: 2000.-

164 с. ISBN 5-2] 1-04058-9

в учебном пособии рассмотрен широкий круг вопросов, каса­ ющихся механизмов передачи информации в молекулярных системах. Детально описаны принципы построения элементной базы устройств молекулярнойэлектроникии технологическиеприемы синтеза нанострук­ тур, используемыхв таких устройствах.

Для студентовстаршихкурсов, аспирантови научныхработников физических специальностей. Книга может заинтересовать химиков, биофизиков,биохимикови других специалистов,сталкивающихсяв своих исследованиях с проблемами физики молекулярных нанометрических систем, тонких пленок и межфазных границ.

Учебное издание

ПЛОТНИКОВ Геннадии Семенович

ЗАЙЦЕВ Владимир Борисович

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙЭЛЕКТРОНИКИ

ЛР 021293 от 18.06.98

Подписано в печать 3.11.2000. Формат 60х881 /16'

Бумага офсетная N2 1. Печать офсетная. Объем 10,25 п.л, Тираж 500 экз. Заказ 7342

Физический факультет МГУ 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ им. М. В. Ломоносова

Отпечатано в Производственно-издательском комбинате ВИНИТИ 140010, Люберцы, Октябрьский пр-т, 403.

Тел. 554-21-86

е Физический факультет МГУ: 2000

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ

3

Физические основы молекJ!!1!!PНОЙ электроники

4.1. Возможности применения упорядоченных органических пленок при создании устройств молекулярной электроники ... 126

4

Предисловие

ПРЕДИСЛОВИЕ

Предлагаемое учебное пособие написано на основе курса лек­ ЦИЙ, прочитанных авторами на физическом факультете МГУ им. М. В. Ломоносова и в Ульяновском филиале МГУ данный курс включен также в число основных курсов, читаемых для студентов и аспирантов учебно­ научного центра "Химия и физика полимеров и тонких органических пленок", созданного в рамках программы "Интеграция" на базе физичес­ кого факультета и факультета ВМК МГ~ Института кристаллографии РАН, Института элементоорганических соединений РАН и ряда других научных и учебных организаций.

В книге рассмотрен широкий круг вопросов, касающихся меха­ низмов передачи и преобразования информации в молекулярных систе­ мах. Наряду с транспортом электронов рассмотрены имеющие большое значение в функционировании устройств молекулярной электроники бе­ зызлучательный перенос энергии, экситонные и солитонные процессы. Детально описана возможная элементная база устройств молекулярной

электроники и технологические приемы синтеза наноструктур, исполь­

зуемых в таких устройствах. Рассмотрены вопросы электроники молеку­

лярных систем на поверхности полупроводников, а также принципы по­

строения действующих и перспекгивных устройств молекулярной элект­

роники.

Книга предназначается для студентов старших курсов, аспиран­ тов и научных работников физических специальностей. Ряд разделов может заюпересовать химиков, биофизиков, биохимиков и других спе­ циалистов, сталкивающихся в своих исследованиях с проблемами физи­ ки молекулярных нанометрических систем, тонких пленок и межфазных

границ.

Авторы выражают глубокую благодарность профессорам ка­ феды общей физики и молекулярной электроники П. К. Кашкарову и В. Ф. Киселеву, взявшим на себя труд детально ознакомиться с этой кни­ гой и высказавшим ценные замечания, а также всем коллегам по кафед­ ре, участвовавшим в дискуссиях по обсуждающимся в книге вопросам,

Опубликование книги стало возможным благодаря финансовой поддержке, полученной по программам "Интеграция" и "Университеты России".

г. С. Плотников, В. Б. Зайцев

5

Физические основы молекулярной электроники

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

6

Е- энергия электрона, локализованного в данном узле

Е- диэлектрическая проницаемость среды

7

Физические основы молекулярной электроники

ВВЕДЕНИЕ

Будущее современной микроэлектроники связано с увели­

чением степени интеграции ее элементов, скорости и надежности

перера6отки информации. Уже сейчас планарная технология дош­ ла до субмикронного разрешения. Дальнейшие перспективы свя­

зываются с переходом на молекулярный уровень запоминания и переработки информации. Действительно, неуклонное возраста­ ние сложности и быстродействия планарных интегральных схем наоснове кремния не может продолжаться до бесконечности; вско­ ре на этом пути встанет барьер, обусловленный фундаментальны­ ми законами физики. Уже при производстве кристаллов для запо­ минающих устройств (ЗУ) емкостью 1 Мбайт (что соответствует плотности элементов l06cm-2 ) возникли значительные трудности. Технология доведена до того предельного уровня, при котором процент выходагодных устройств еще остается приемлемым. Этот уровень определяется подвижностью носителей в кремнии, дли­ ной диффузии, дефектами поверхности и слоя оксида и многими другими факторами.

Теоретически увеличить быстродействие устройств (при той же степени интеграции) примерно на порядок позволяет пе­

реход к использованию вместо кремния другого полупроводнико­

вого материала, например, арсенида галлия (GaAs), обладающего более высокой подвижностью носителей заряда. Однако с этим

материалом оказалось сложно работать, его собственное окисное

покрытие очень некачественное, что определяет ряд серьезных

технологических проблем при создании интегральных схем. По­ этому, хотя за последние 15 лет в исследование GaAs вложено бо­ лее 1 млрд. долларов, сверхбольшие интегральные схемы (СБИС)

на основе этого материала используются в основном в военной области. Здесь их дороговизна компенсируется низким энергопот­ реблением, быстродействием и высокой радиационной устойчи­ востью. Однако, и при разработке устройств на GaAs лимитирую­ щими будуг ограничения, обусловленные как фундаментальными

8

Введение

физическими принципами, так и технологией изготовления. По мнению большинства специалистов, предел плотности интегра­ ЦИИ в планарной технологии соответствует 107 см'. Хотя суще­ ствует ряд гипотетических проектов, например, создание прибо­ ров на основе эффектов одноэлектронного туннелирования в джо­ тсфсоновских контактах при гелиевых температурах (так называ­ смая криоэлектроника), в которых предполагаемая степень интег­ рации достигает 109 см:". Однако эти проекты пока весьма доро­ гостоящие и далеки от практической реализации.

В связи с описанными выше проблемами в последние годы всдется поиск принципиально новых решений, которые привели бы к значительному прогрессу в микроэлектронике. Одно из этих направлений, основанное на попытках использовать отдельные мо­ лскулы (главным образом органические) в качестве элементной ()азы микроэлектронных устройств, получило название "молеку­ чярная электроника". для органических веществ в конденсиро­ ванном состоянии (молекулярные кристаллы, упорядоченные плен­ 1\11, полимеры и др.) характерны слабые межмолекулярные взаи­ модействия, что дает возможность оптимально сочетать индиви­ луальные свойства молекул и коллективные свойства агрегатов.

. )'1'0 позволяет, учитывая огромное разнообразие органических со­ единений И сравнительную простоту их синтеза, надеяться на со- щание на базе твердых органических веществ устройств с прин­ I гипиально отличными и более широкими, чем традиционные, воз­

:\10ЖНОСТЯМИ.

Возможные варианты создания устройств молекулярной »гсктроники (УМЭ) (по английски - МЕО - molecular electronic (Icvice) обсуждаются с 1974 года, когда ведущие ученые фирмы IIJM А. АвирамиМ. Ратнер предложилииспользоватьорганичес­ ьис молекулыв качествеэлементнойбазы микроэлектроники.Как « ) гмсчал другой пионер в этой области, биохимик Мак-Алир, плот­ пость размещения молекулярных элементов в трехмерной схеме t )удет составлять 1012-1015 мм", что В 106 раз выше, чем в нервных 'ншокнах, при скорости передачи информации также в 1Образ боль­ 111l:. Для решения этой проблемы нужны усилия широкого круга

9

Физические основы молекулярной электроники

ученых, работающих в области академических знаний от колло­ идной химии и биологии до теоретической физики. Причем ис­ пользуемые подходы - это не бионика, а конструирование на ос­ нове органических и биологических материалов принципиально новых устройств. Подобно многим другим новым подходам и технологиям, молекулярную электронику невозможно было вы­ вести за пределы чисто концептуальной стадии без развития дру­ гих базовых технологий, решения ряда принципиальных науч­ ных вопросов и обеспечения необходимого финансирования раз­ работок. В настоящее время эти трудности роста в значительной степени преодолены. Существует уже более десятка научно-тех­ нологических центров по разработке УМЭ, ежегодные конфе­ ренции по молекулярной электронике (в 1999 году прошла уже 13-я такая конференция) собирают сотни специалистов в этой области, а финансирование разработок за рубежом соизмеримо с затратами в области традиционных технологий микроэлектро­

ники.

в настоящее время главные усилия разработчиков направ­ лены на создание молекулярного компьютера. Для этого необхо­

димо создать вентильные элементы, элементы памяти и техноло­

гию размещения их в трехмерной структуре. Последнее представ­

ляет дополнительные возможности, поскольку при этом отпадает

необходимость использовать структуры памяти с линейной адре­ сацией. Станет возможным реализовать ассоциативную память большей емкости и системы памяти с большим числом межпроцес­ сорных коммуникаций, подобных нейронной сети, что имеет прин­ ципиальное значение для разработки развитых программных сис­ тем искусственного интеллекта и для создания биокомпьютеров.

Применение молекулярной электроники открывает также широкие возможности для развития новых технологий. Благода­ ря высокой чувствительности молекулярных электронных уст­ ройств к свету, их можно использовать для создания эффектив­ ных преобразователей солнечной энергии, моделирования процес­ са фотосинтеза, разработки нового класса приемников изображе­ ния, принцип действия которых будет напоминать работу челове-

10