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

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

Введение

ческого глаза. С другой стороны, молекулярные устройства могут быть эффективными излучателями света и благодаря своим ма­

JlЫМ размерам на их основе станет возможным создавать дисплеи

с очень высокой разрешающей способностью, в том числе и трех­ мерного изображения.

Молекулярные устройства (МУ) можно было бы исполь­

зоваль также в качестве сенсоров, при этом молекулярная система

должна иметь большое количество входов, реагирующих только

па определеннный тип молекул, то есть созданных по типу "за­ мок-ключ", что обеспечило бы высокую селективность таких уст­ ройств. Такие сенсоры могли бы иметь широкий круг примене­ IIИЯ в экологии, промышленности, медицине. В последнем случае

у молекулярного сенсора имеется еще одно важное преимущество.

Ilоскольку сенсор будет выполнен из органических молекул, ме­

ликам будет значительно легче вживлять его в организм с целью

«оздания имплантируемого монитора состояния человека.

Для создания реальных устройств необходимо решение ряда принципиальных вопросов, составляющих по сути физичес­ ь ие основы молекулярной электроники. К числу таких вопросов огносятся: возможные механизмы передачи информации в моле­ 1\улярных системах; элементная база устройств молекулярной элек­

I роники, технологические приемы и принципы ее создания, спо­

«обы контроля за функционированием МУ на основе таких эле­ ментов, наконец, поиск реальных путей запоминания и перера­ t «пки информации на молекулярном уровне.

Последовательному изложению этих вопросов и посвяще­ 11t) данное пособие.

11

Физические основы молекулярной электроники

ГЛАВА I

ВОЗМОЖНЫЕ МЕХАНИЗМЫ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ В МОЛЕКУЛЯРНЫХ СИСТЕМАХ

Необходимым условием функционирования устройств мо­ лекулярной электроники (УМЭ) является возможность эффектив­ ной передачи информации между их отдельными элементами. Причем, если в современных планарных схемах расстояние меж­ ду активными элементами составляет порядка 1 мкм, то В УМЭ с увеличением степени интеграции оно может уменьшиться до 10-1 нм. В этом случае возможные механизмы передачи информации мо­ гут быть довольно разнообразными (см. табл.l), хотя и здесь ос­

новную роль играет, по-видимому, электронная проводимость.

Однако в отличие от случаев объемного либо двумерного перено­ са носителей заряда в металлических проводах или вблизи повер­

хности полупроводников, здесь реализуется электронная прово­

димость протяженных молекулярных систем, Т.е. процесс переда­

чи электронов от электронно-донорной к электронно-акцепторной

Таблица 1 Возможные механизмы передачи информации в молекулярных системах

12

Глава 1 Возможные механизмы передачи информации в молекулярных системах

группировке по цепочке атомов. Рассмотрим специфику переноса ')лектронов в таких системах более подробно.

1.1. Движение носителей заряда

в молекулярных системах

1.1.1. Два подхода к описанию переноса носителей заря­ да. Условия применимости зонной модели для молекулярных систем. При описании перемещения носителей заряда в твердых телах обычно рассматривают два предельных случая. В первом

случае движение носителя описывается как распространение де­

локализованной плоской волны в широкой по энергиии разре­ шенной зоне. Классический пример перемещения носителей та­

кого рода - движение дырок в высокоомных кристаллах герма­

пия. Здесь ширина валентной зоны составляет > - 3 эВ, и длина

свободного пробега при Т= 300 К равна 1000 А, т.е. существен­ 110 больше межатомного расстояния (2,45 А). В этом случае под­

вижность J..1 » 1 см/Вт'с', а ее температурная зависимость имеет

вид Jl ~ Т:", где п > 1. Качественно зонный перенос иллюстрирует­ ся рис.l.l. В идеальном кристалле (прямая линия на рис.l.1.а) дви­ жению электрона соответствует плоская волна без рассеяния. В

реальном кристалле всегда присутствуют локальные нарушения

симметрии его решетки, что приводит К рассеянию электронов и

уменьшению их подвижности. Основные механизмы рассеяния

следующие:

1) на фононах,

2) на собственных структурных дефектах,

3) на заряженных и нейтральных инородных примесях. При температурах, близких к комнатным, основной при-

чиной рассеяния являются колебания решетки (то есть фОНОНЫ),

поэтому в этих условиях с понижением температуры подвижность

повышается.

В другом предельном случае носитель сильно локализо­

ван и перемешается путем перескоков от узла к узлу решетки по

прыжковому механизму. Здесь ситуация с подвижностью диамет-

13