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

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

Глава /V ПРll11111111bl построения действующих и перспективных устройств.\10.7. электроники

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для резкого повышения степени интеграции, быстродей­ ствия и расширения функциональных возможностей существу­

ющих интегральных схем микро- и оптоэлектропики в начале

70-х годов назрела необходимость поиска новых физических принципов передачи, хранения и переработки информации. Фак­ тически это время совпадает с рождением новой области науки и техники - молекулярной электроники. Поисковые работы ве­ дущих центров молекулярной электроники в основном направ­

лены на создание трехмерных интегральных схем на основе орга­

нических макромолекулярных систем. Здесь имеются в виду как теоретические работы по разработке принципов запоминания, переработки и передачи информации на молекулярном уровне, так и экспериментальные работы по созданию молекулярной схемотехники, синтезу элементов сложных молекулярных цепей и новых органических и биоорганических соединений. Однако,

приходится констатировать, что многочисленные умозрительные

предложения в этой области, выдвинутые за послелине двадцать лет, либо остались нереализованными, либо привели к созданию моделей устройств молекулярной электроники. пока не способ­

ных конкурировать с существующими микроэлектропными ана­

логами.

Мы рассмотрели и другой, более реальный в настоящее время путь -- использованиеуже развитой ппанариойтехнологии

изготовленияполупроводниковыхсхем и созданиеслоистыхструк­

тур полупроводник-диэлектрикИ3 неорганических полупровод­

ников и адсорбированныхна их поверхностиорганических:\10J1~­ кул или полимолекулярныхслоев. В этом направлении наиболее перспсктивныминам представляютсяработы 110 созданию прип­ ципиально новых элементов памяти и сенсорных систем (так на­ зываемые комбинированные сенсоры), которые детально рассмот­ рены в заключительной главе книги.

161

Физические основы молекулярной электроники

Элементы молекулярной электроники, построенные по пла­ нарной технологии, включают в себя развитые межфазные грани­ цы. Подобные системы являются удобной моделью для исследо­ вания процессов переноса энергии и заряда, флуктуационных про­ цессов, поверхностных бифуркаций (нестабильностей) и др. Эти физические явления могут в значительной степени определять функционирование устройств нанометрических размеров для за­ писи, хранения и переработки информации. Изучение флуктуаци­ онных и размерных эффектов в нанометрических структурах, от­ крывает возможности создания принципиально новых информаци­ онных сред. Это дает дополнительный импульс в развитии элект­ роники молекулярных систем, а также твердотелъной нано- и кри­

оэлектроники.

162