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

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспективныхустройств,\10.7 электроники

а

б

v=o-----

Рис.4.12. а -- схематическоеизображениеэлектронныхуровней молекуляр­ ного выпрямителяпри нулевом напряжении;б --- сдвиг уровнейэнергии моле­ кулярного выпрямителяпри приложениипрямого напряжения, обеспечиваю­ щий прохождениеэлектрона посредствомтрех туннельных переходовА', В', С/ . А и С --- высшие занятые уровни, В и D -- уровни акцептора и донора [6]

I

I

Акцептор Затвор Донор

РисА.13. Схема уровней гипотетического молекулярного выирямителя, работающего в режиме перекиючающего 'Элемента. Выброс электрона из молекулы-затвора делает возможным туннельный процесс при ври­ ложении прямого напряжения по схеме. изображенной на рис.4.12 [6]

151

Физические основы молекулярной электроники

Необходимо отметить, что хотя со времени опубликования первых работ Авирама и Ратнера прошло более двух десятков лет,

в литературе до сих пор предлагаются лишь теоретические моде­

ли устройств для переработки информации на молекулярном уров­ не. При этом можно выделить два основных принципа, на кото­ рых базируется работа предлагаемых УМЭ: 1) концепция управ-

и

в

111

ВЫХОД

РИС.4.14. Схема молекулярного элемента НЕ-И: а - система потенци­

альных ям, соответствующих положительно заряженным гетероцикли­

ческим группировкам; б - структурная формула молекулярного элемен­ та; в -- принципиальнаяэлектрическаясхема элементаНЕ-И [6]

152

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспективныхустройств.мол. электроники

ляющих группировок, 2) концепция солитонного переключения. В первом случае предполагается создание молекулярной систе­ мы, в которой реализуется резонансный туннельный механизм электронной проводимости (см. 1.1.5). Даже небольшой сдвиг энергетических уровней в одной из потенциальных ям делает невозможным резонансное туннелирование по такой цепи. При­ мер устройства типа И-НЕ, основанного на этом принципе, при­ веден на рис.4.14. В данном случае положительнозаряженныеаро­

матические гетероциклические группировки являются потенци­

альными ямами для электронов, а диазогруппировки - потенци­

альными барьерами. Если на один из входов, связанный с арома­ тической молекулой, подать электрон, то ее энергетическая струк­ тура меняется, и электроны основной цепи теряют возможность свободно проходить через цепочку потенциальных барьеров. В дру­ гих вариациях подобных устройств электронная структура управ­ ляющей группировки менялась либо под действием приложенно-

153

Физические основы молекулярной электроники

го электрического поля, либо в результате изомеризации при ос­ вещении или других воздействиях.

Концепция солитонного переключения предполагает на­ личие в цепи, по которой возможно прохождение солитона, моле­ кулярного фрагмента, переключающегося из одного состояния в другое. Рассмотрим возможную молекулярную модель, иллюст­ рирующую этот принцип (рис.4.15). В данном случае в состав по­ лиеновой цепи включена молекула 1,l-N, N-диметил-2-нитроэте­ намина, прерывающая фотоизомеризацию.Если в полиеновой цепи проходит электросолитон,то происходитзамена всех двой­ ных связей на одинарныеи наоборот, в том числе и в выделенном фрагменте. В результате фотопревращениев нем становится не­ возможным, что может быть индикатором прохождениясолито­ на. С другой стороны, исходная фотоизомеризацияможет изме­ нять электроннуюструктуру фрагментатаким образом, что пос­

ледующеепрохождениесолитонатакже становитсяневозможным.

Другойвариантмолекулярногопереключагелябыл краткорассмот­ рен нами в П.4.3. и проиллюстрированна рис.4.11.

В последнее время предпринимаютсяактивные попытки создания элсментов для переработки информации, которые дей­ ствовали бы на основе химическихсигналов. Как отмечалосьра­ нее, такой способ передачи и обработки информациис успехом используетсяживыми объектами, начиная от простейшихи кон­ чая наиболее высокоорганизованнымивидами живой материи. Обработкаинформациив виде химическихсигналовоттачивалась в течениимногих миллионовлет эволюцииживых форм, поэтому повторитьили смоделироватьее в лабораторныхусловиях, а тем более в виде готовыхпереключательныхустройств- задача нео­ быкновенно сложная. Одним из возможных принципов для созда­

ния логических элементов такого типа является использование

молекул ротаксанов и полиротаксанов.

Переключение из одного состояния в другое в элементе

на основе ротаксанов происходит за счет изменения положения

циклического компонента (так называемой "бусины") относи-

154

Глава /V Принципыпостроениядействующихи перспективныхустройствМОЛ. электроники

тельно линейного компонента("нити"), на который "нанизана" бусина. В качестве примерарассмотримсистему, состоящуюиз трех компонент:циклическойпроизводнойфепилена(1) (рис.4.16) и двух линейных молекул - производной бензидина (2) и про­ изводной бифенола (3). В нормальном состоянии в такой систе­ ме циклический компонент 1 оказывается "нанизанным" на це­ почку 2 и находится между двумя бензольными кольцами. При добавлении к смеси кислоты происходит протонизация NH групп в соединении 2, и молекула J переходит в другое устойчивое со­ стояние - между двумя бензольными кольцами цепочки 3. Та­ кой переход является обратимым и управляется кислотно-щелоч­ ным баллансом среды. В ходе такой реакции значительно меня­ ются оптические свойства смеси. Так, например, полоса погло­ щения компонента 2 с присоединеной "бусиной" 1 имеет макси-

++

D I

++

2

РИС.4.16. Циклическая производная фенилсна (/), про­ изводная бснэидина (2), производная бифенола (3)

155

Физические основы молекулярной электроники

+

+

РИС.4.17. Схема переключающегося эле­ мента на основе полиротаксановой цепи

мум В области 690 нм, а для цепочки3 с присоединеным (1) мак­ симум поглощения наблюдается при 480 нм. Это дает возмож­ ность считыватьинформациюоптическимспособом.Однакопо­ ведение такой системы и, в частности, относительныйпроцент переключенийзависитот концентрациикомпонент,что представ­

ляет дополнительныетрудностидля построениялогическогоэле­

мента. Чтобы избежать этих трудностей, были синтезированы специальныеротаксаны,содержащиеобе группы - бензидино­ вую (2) и бифенольную (3) - в одной цепочке (рис. 4. 17). В исходном состоянии такой системы соотношение количества "бу­ син" 1, "нанизанных" на группы 2 и 3, составляет 5: 1. После про­ тонизации (или окисления) NH групп это соотношение стано­ вится равным О: 1. То есть единственное место, где при этом мо­ жет закрепляться кольцо 1, - это бифенольная группа. Синтез полиротаксанов позволяет создавать цепи различной длины и

сложности, которые могут выполнять различные логические

функции за счет передачи сигнала переключения вдоль цепей.

4.5. Проблема ввода-вывода информации в устройствах молекулярной электроники

Поскольку процессы хранения и переработки информации в устройствах молекулярной электроники носят специфический характер, встает проблема сопряжения таких устройств с тради-

156

Гuша/V Принцилы построения действующих и перспектинных )'( трои тв \10.7 ..электроники

ционными электроннымисистемами, использующимисяв насто­

ящее время. То есть всегда необходимыпреобразователисигнала из одной формы в другую, позволяющиеперерабатывагьинфор­ мацию в системах, состоящих из нескольких частей, каждая из которых работаетна основе различных физическихпринципов и

оперирует принципиальпоразными типами сигналов.

Устройствапреобразованиясигнала частичноуже обсуж­ дались в предыдущих параграфах этой главы. Например, в п.4.2 изложены основные возможные способы иреобразованиясигна­ ла из химической формы в электрическую. В таб.4.3 отражены основныетипы и некоторыеконкретныепримеры преобразовате­ лей. Кроме того, запись оптическойинформациив молекулярные системы памяти, обсуждавшаясяв п.4.3, тоже является преобра­ зовапием сигнала из одной формы в другую.

Другаясторонаэтой проблемы- построение систем вы­ вода и отображения информации -- тоже может быть решена с помощью устройств молекулярнойэлектроники.Для этого раз­ рабатываютсяустройствадвух типов, которые могут лечь в ос­ нову построениясверхтонкихмониторов.Первыйтип - )ТО уже упоминавшиеся в 4.1 ориентирующие подложки для жидкокри­ сталлических паиелей. Помимо пассивной роли, такая подлож­ ка может служить для вывода информации на экран, изменяя его отражательные свойства. Так были получены "электронные таб­ летки"- экраны небольшого размера из специальных киральных

жидких кристаллов, которые могут менять тип симметрии в зави­

симости от ориентации подложки, меняя при этом окраску за счет

изменения Брегговского отражения. Любое воздействие на ориен­ тирующую подложку, способное менять ее упорядоченность, на­ пример, вызывая конформационные перестройки, влечет за собой перестройку жидкокристаллической пленки. Такие таблетки на полиимидной и других подложках позволяют записать с помощью лазера и отобразить очень большой объем информации, в резуль­ тате чего они получили название "газеты будущего".

Очень перспективным материалом для таких структур ЯВ­ ляются азо-красители. Если азо-краситель растворен в полимер-

157

Физические основы молекулярной электроники

ной матрице, сотавляющей ориентирующую подложку, то при ос­ вещении такой структуры поляризованным светом происходит транс-цис конформациопная перестройка молекул красителя в по­ лимерной матрице. Это, в свою очередь, за счет дисперсионных

сил вызывает значительное изменение структуры нанесенного

сверху жидкого кристалла. Ориентация является стабильной и может быть мгновенно изменена за счет соответствующего излу­ чения. Такие структуры могут создаваться и на гибкой полимер­ ной подложке, что делает их еще более удобными для использова­ ния. Они также являются кандидатами на применение в качестве хранилищ информации с большой плотностью записи.

Второй тип устройств отображения информации - это активные излучающие устройства на основе р-n переходов, со­ зданные из органических материалов. В настоящий момент суще­

ствует три основных подхода к построению светодиодов из орга­

нических материалов: создание тонких пленок путем осаждения

органических молекул из вакуума, нанесение пленок органичес­

ких полимеров с помощью центрифуги и, наконец, технология ПЛБ. Оптимизация каждого из подходов по контроллируемости параметров получаемых устройств, по их производительности и цене решит, какой из подходов будет в будущем применен в се­ рийных приборах.

Органический светодиод - это многослойная структура, пример которой показан на рис. 4.18. Она состоит из двух элект­ родов с одним или более органическимислоями между ними. От­ рицательный электрод инжектируетв структуру электроны, кото­ рые затем "стекают" через положительныйэлектрод. Однако удоб­ нее рассматривать положительный электрод как эмиттер дырок. Электроны и дырки должны попасть в излучающий слой и обра­ зовать там локализованныеэкситоны. Образованиюэкситоновспо­ собствует наличие в этом слое электронныхловушек. Затем экси­

топы распадаются, в результате чего происходит излучение света.

Следовательно, используемая структура должна быть построена так, чтобы выполнять функции инжекции и транспорта носите­ пей заряда, а также создания и распада экситонов. Инжекция НО-

158

Глава /1/ Принципы построения действующих и перспективных устройств .'110.7 электроники

Катод Излучающий слой

Рис.4.18. Структура светодиода на основе органических материалов

сителей обычно определяется относительным сродством к элект­ ронам. Большинство металлов могут инжектировать дырки в орга­ нические материалы, так как имеют более высокое сродство к элек­ трону. Обычно в качестве инжектора дырок используется прозрач­ ный слой оксида индия-олова, который способен пропускать из­ лучаемый свет. В последнее время было получено значительное

улучшение характеристик светодиодов за счет применения поли­

мерных положительных электродов на основе полианилина. От­ рицательный электрод должен иметь более низкое сродство к элек­ трону, чем основной светоизлучающий слой. Это условие обеспе­ чить намного труднее. Ранее для этого электрода использовался кальций. Но его высокая реакционная способность ограничивала надежность получавшихся устройств. В последнее время были

созданы органические материалы с очень высоким сродством к

электрону, которые способны работать с алюминиевым отрица­

тельным электродом.

После того как электроны и дырки инжектированы в уст­ ройство, органические материалы обеспечивают их транспорт, а также рождение и распад экситонов. Устройства, в которых в ка­

честве излучающего и проводящего дырки слоев используются

различные органические пленки, напыленные из вакуума, иссле-

159

Физические основы молекулярной электроники

дуются с 1987 г. Достигнут значительый прогресс в получении высоких значений эффективности светодиодов, в понижении рабочих напряжений, а также в выборе цвета излучения. Из-за слишком большой ширины линий экситонной люминесценции

последнего удалось достичь только с помощью построения

структур типа интерферометра Фабри-Перо с подстройкой цве­ та излучения за счет изменения толщины устройства. В резуль­ тате были получены устройства с эффективностью несколько Люмен на Ватт и со сроком службы в несколько тысяч часов.

Начиная с 1990 г. исследуются светоизлучающие струк­ туры на основе полимерных материалов, в основном поли-фе­ пиленвипилена. Такие пленки одновременно выполняют роль излучающего элемента и функцию транспорта дырок от поло­ жительного электрода. В результате падает необходимость ис­ польэоваиия дополнительного слоя. Устройства с использова­ нием полимерных пленок обходятся гораздо дешевле, чем с мо­

лекулярными пленками, 110 их производительность также су­

шественно уступает производительноси последних. Химичес­ кое молифицирование полимерных пленок позволяет, как и в случае с молекулярными пленками, добиваться изменения цвета свечения. В результате были получены излучательпые устрой­ ства с эффективностью до нескольких Люмен на Ватт, однако

они в десятки раз менее долговечны, чем аналоги на молеку­

лярных пленках.

Альтернативным подходом к созданию устройств на основе полифеииленвипилепа и его производных является ЛБ­ технология. IlJIБ ЯВJIЯIОТСЯ удобным материалом благодаря хо­ рогпей контролируемости толщины и ориентации слоев. Кро­ ме того В Л Б технологии расходуется на порядок меньше по­

пимериого вешества-осповы, являющегося на настоящее вре­

м я очен ь лорогостояшим. Были исследованы различные ва­ рианты усл ройств на основе псполимсризовапных и полиме­ ризо ванны х ПЛ Б различного состава. Получены различные

пвста изиучеиия.

160