Файл: Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164.pdf

Глава 11 Элементная база молекулярной электроники

2.5. Создание устройств молекулярной электроники на основе синтеза линейных

и разветвленных высокомолекулярных систем

ОДНИМ из основных технологических приемов при созда­ нии объемных схем молекулярных устройств является использо­ вание способа Меррифилда, дополненного набором различных уп­ равляющих воздействий (рис.2.5). Сущность метода Меррифил­ да, разработанного для получения полипептидов с заданной пос­

ледовательностью аминокислог, состоит в ТОМ, что растущая за

счет реакции с находящимся в ЖИДКОЙ среде очередным реаген­ ТОМ цепь все время химически связана с некоторой твердой поли­ мерной матрицей. Поскольку прикрепленные к полимеру проме-

Рис. 2.5. Блок-схема возможного технологического процесса син­ теза молекулярной ЭВМ по методу Меррифила: 1 - управляющая ЭВМ, 2 - реакционный объем, 3 - банк реагентов, 4 - блок датчиков, 5-8 - методы активного воздействия: 5 - лазерное стимулирование реакций, 6 - рентгеновская литография, 7 -- электрохимическиеметоды воздействия,8 - прочие методы [DЗ]

59

Физические основы молекулярной электроники

жуточные и конечные продукты не переходят в раствор, упроща­

ется управление синтезом (он может быть автоматизирован), по­ вышается выход, исключается "отравление" реагентов, упроща­ ется очистка реакционного объема.

В настоящее время работы в области синтеза молекуляр­ ных устройств ведутся весьма активно. В Центре Молекулярной Электроники фирмы IBM Доктор Линдсей (Lindsay) создал уп­ равляемый компьютером синтезатор, предназначенный для кон­

струирования сложных молекул, являющихся компонентами лю­

бого компьютера на молекулярной основе. В процессс синтеза базовая молекула химически присоединяется к пластиковой сфе­ ре малого диаметра: в реакторной камере содержатся тысячи та­ ких сфер. Добавление химических соединений в реакторную ка­ меру осуществляется специализированнымроботом под управле­ нием ЭВМ. С помощью компьютерапроизводитсятакже контроль

температуры, кислотности среды и т.д. и периодически анализи­

руется продукт реакции для того, чтобы обеспечить правильное его формирование. В ходе определенной последовательности хи­ мических реакций, предварительно смоделированных на ЭВМ, к базовой молекуле, прикрепленной к пластиковой сфере, добавля­ ются новые молекулы. В процессе синтеза, который может длить­ ся несколько дней, под управлением компьютера будут построе­

ны очень сложные молекулы; каждая из этих молекул окажется

точной копией прототипа, описание которого хранится в памяти

машины.

Синтез осуществляется по модульному принципу. На пер­

вом этапе синтезируются молекулярные вентили различных ти­

пов. На втором этапе из этих вентилей конструируются более слож­ ные соединения (субкомпоненты), которые приблизительно соот­ ветствуют таким устройствам, как триггеры, счетчики и Т.п. По­ лученные субкомпоненты можно затем использовать для констру­ ирования законченных устройств, таких как предполагаемый ком­ пьютер на молекулярной основе.

60

Глава // Элементнаябаза молекулярнойэлектроники

для выполнения каждого шага синтеза необходимо чет­

кое пониманиехимическихпроцессов и поведениямолекул, чего

нельзя достичь без машинного моделирования. Кроме того, для сложного синтеза необходимо, где это возможно, использовать процессысамоорганизации(см. п.2.7).

В данномслучаесамоорганизацияозначает,что в ходесин­ тезадобавочныезвеньябудутавтоматическиприкреплятьсяк мо­ лекулярномусоединениюв нужных местах. Таким образом, вы­ ходнойпродукткаждойреакциибудетсамоорганизовыватьсятак, чтобы полностью определять ход последующихреакций. Затем результирующеесоединение "упакует себя", то есть плотно рас­ положитсяна поверхностиподложки, на которой будет построе­

на система.

2.6. Упорядоченные молекулярные пленки

на поверхности твердых тел

Создание биокомпьютера на основе описанной в П.2.5 тех­ нологии - дело более или менее отдаленного будущего, посколь­

ку в настоящее время отсутствует реальная молекулярная элемен­

тная база и схемотехника, Но уже сегодня существует потребность создания значительно более простых молекулярных устройств, необходимых ДЛЯ изучения свойств молекулярно конденсирован­ ных систем и ряда практических приложений.

Для создания этих устройств необходимы методы конст­ руирования молекулярных ансамблей, обладающих заданными функциями. Наиболее простым и эффективным из них признана технология пленок Ленгмюра-Блоджетт (ПЛБ). Она состоит в формировании упорядоченных слоев амфифильных молекул на поверхности жидкой субфазы с последующим переносом их на твердую подложку. Послойный перенос пленки обеспечивает упо­ рядоченность ПЛБ в направлении нормали к подложке. Указан­ ная упорядоченность является фундаментальным физическим свойством этих объектов.

61

Физические основы молекулярной электроники

2.6.1. Методика синтеза пленокЛенгмюра-Блоджетт. В 1935 году Ленгмюр и Блоджетг разработали способ персноса на твердую подложку мономолекулярной пленки, образовавшейся на поверхности воды. Идея метода состоит в том, чтобы, сформиро­ вав на поверхности воды монослой в определенном фазовом со­

стоянии, многократно провести сквозь него твердую подложку,

ориентированную вертикально. Поверхностное натяженис при этом должно быть постоянным.

В исследованиях образования на поверхности воды МО­ номолекулярных пленок обычно получают информацию отно­

сительно ориентации молекул, величины молекулярного взаимо­

действия, площади приходящейся на одну молекулу (0'). Одним

из наиболее простых и в то же время информативных присмов

анализа поведения нерастворимых поверхностно-активных ве­

ществ (ПАВ) на жидких поверхностях является метод построе­ ния изотерм П - 0', где П - поверхностное давление, оказывас­ мое монослоем ПАВ на барьер. Величину П можно опрсдслить, используя соотношение П = УО - у, где уо - поверностнос натя­ жение чистой воды, а у - поверхности, покрытой пленкой. В зависимости от поверхностного давления состояние слоя ПАВ на границе жидкость - воздух может меняться от "двумерного газа" до "двумерного твердого тела", соответствующего монослою плотно упакованных молекул на поверхности жидкости. Данные фазовые переходы на границе раздела были впервые детально изу­ чены в работах Ленгмюра и Адамсона.

При погружении гидрофобной подложки в воду на ней фор­ мируется краевой контактный угол е > 900, и амфифильные моле­ кулы (см. п. 2.3.2) оказываютсяориентированнымигидрофобны­ ми группами по направлениюк подложке. В результатедиполь­ дипольноговзаимодействияпроисходитсвязываниемолекулс под­ ложкой (рис. 2.б,а). Если теперь извлекать подложкус уже нане­ сенным одним слоем молекул, то контактный угол становится меньше 900, поскольку полярные группы первого слоя обеспечи-

62

Глава 11 Элементная база молекулярной электроники

,

Рис. 2.6. Перепое монослоев на твердую подложку поХ-типу (а) И по У-типу (б)

вают ее гидрофильность. Второй монослой ориентирован гидро­ фильными группами к первому слою. Такие пленки носят назва­ ние структур У-типа, у них период трансляции по нормали равен удвоенной длине молекулы (рис. 2.6,6). При получении У-струк­ 1УР автоматически выполняется условие гидрофильности или гид­ рофобности подложки для каждого последующего переносимого монослоя, поэтому технология получения таких пленок наиболее

проста.

Существует еще два типа структур ПЛБ: пленки Х-типа с ориентацией молекул гидрофобными группами к подложке и z- типа, ориентированные полярными головками к ней. Получение структур двух последних типов требует значительных технологи­ ческих ухищрений при подготовке подложек и в процессе пере­

носа пленок на их поверхность.

Получение структур х- и Z-типа возможно с помощью мо­ дифицированного метода, называемого методом Ленгмюра-Ше-

63

Физические основы молекулярной электроники

Рис. 2.7. Получение упорядоченных молеку­ лярных пленок по методу Лэнгмюра-Шеффера

фера или "горизонтального лифта". В нем монослой, находящий­ ся в твердой двумерной фазе (в начальной стадии персхода от жидкокристалличной к твердой), переносится на гидрофобную подложку касанием сверху. Гидрофобные хвосты амфифильных молекул просто прилипают к подложке за счет адгезии (рис.2.7). Для получения Z-СТРУКТУРЫ подложка подводится к монослою

снизу ИЗ воды.

В настоящее время разработаны различные варианты ленг­

мюровских установок, полностью автомагизированных, с компью­

терным управлением, осущесгвляется их промышленное производ­

ство. Имеются установки, позволяющие чередовать слои двух раз­ ЛИЧНЫХамфифилъныхвеществ. Втакихустановкахповерхность суб­ фазы разделена неподвижным барьером, по разные стороны которо­ го находятся еще два подвижных барьера. Различные вещества на­ носятся на изолированные поверхности субфазы, и создаются необ­ ходимые условия для их переноса. При этом возможны дваварианта движения образца. В первом случае образцы фиксируются на повер­ хности вращающегося барабана, причем погружение образцов осу­ ществляется через монослой одного вещества, а подъем - через мо-

64

Глава 11 Эяементная база молекулярной электроники

нослой другого вещества. Во втором случае имеется устройство, пе­ ремещающее образец в любую часть поверхности ванны с заданной

последовательностью.

2.6.2. Другие методы молекулярного наслаивания. Методы формирования тонких поверхностных фаз получили широкое разви­ тие в микроэлектронной планарной технологии. Наиболее совершен­ ные покрытия образуются путем эпитаксии, то есть в результате про­

цесса наращивания монокристаллических слоев вещества, при ко­

тором кристаллографическая ориентация формируемого слоя повто­ ряет ориентацию подложки. При этом различают гетероэпитаксию и гомоэпитаксию. В первом случае вещества подложки и наращива­

емого слоя различны, а во втором - одинаковы по своему химичес­

кому составу. Эпитаксия возможна из любой фазы: газовой, жидкой или твердой.

Эпитаксиальные методы также делятся на физические и химические. К физическим относятся методы термического осаж­

дения из молекулярных пучков в вакууме, мгновенного испаре­

ния, а также катодного распыления и осаждения. Все эти методы

предполагают нагрев поверхности и осажденного вещества до вы­

соких температур (800-1300 ОС). В настоящеевремя наибольшеерас­ пространение получил электронно-лучевой способ нагрева, так на­ зываемая молекулярно-лучеваяэпитаксия. Химические методы ос­ нованы на осаждении из газовой фазы на поверхность вещества, по­ лученного в результате химических реакций. Причем температура данного процесса определяется кинетикой химической реакции. В определенных случаях температура может быть достаточно низкой (менее 200 ОС).

Фактически частным случаем химических эпитаксиальных методов является весьма перспекгивный метод молекулярного на­ слаивания, который позволяет наносить на поверхность как органи­ ческие, так и неорганические пленки в результате двухстадийного химического синтеза. Метод основан на химическом замещении во­ торода поверхностных гидроксильных групп летучими фрагмента­ ми наслаиваемой пленки. Например, возможен низкотемператур-

65