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

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