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

Физические основы молекулярной электроники

Наилучшие условия для передачи энергии по сопитонно­ му механизму реализуются в мягких, легко деформируемых одно­ мерных молекулярных цепочках, а также пленках или мембранах, в которых существование солитона более энергетически выгодно, чем экситона. Примером таких систем являются белковые моле­ кулы и, по-видимому, именно солитонный механизм отвечает за ряд процессов передачи информации в биологических системах. Белковую а-спиральную молекулу можно рассматривать как цепь свернутых в спираль пептидных" группировок, вдоль которой об­ разуются три цепочки водородных связей. Соответственно поми­

мо энергии индуктивно-резонансного диполь-дипольного взаимо­

действия 1 между соседними пептидными группами в одной и той

же цепочке водородных связей вводится энергия 1 для взаимо-

р

действия соседних групп различных цепочек. Соответственно для этого случая в решении уравнения Шредингера для взамодейству­

ющих двухуровневых систем возникают два типа солитонных воз­

буждений, хотя качественно характер полученных соотношений остается таким же, как в выражении (1.22). Численные расчеты, полученные для случаев более реальных и сложных моделей, с учетом тепловых колебаний, сил трения, действия внешних нео­ днородных полей не изменяют существенно выводов, полученных для описанной выше простой модели.

Смещение пептидных группировок из положения равно­ весия может изменять энергию связанных с ними электронов. При этом возникают ситуации, когда таким электронам будет энерге­ тически выгодно перемещаться вдоль этой цепочки, то есть ха­ рактер перемещения электронов будет солитоноподобным, а со­ ответствущую квазичастицу называют электро-солитоном. Если ввести вместо параметра Х, новый параметр - СВ, характеризую­ щий изменение энергии электрона при смещении пептидной груп­

пировки, то для основных характеристик электросолитона полу­

чаются следующие выражения:

.) Напомним, что пептиды - это молекулы, состоящие из остатков ами­ нокислот и образующие, как правило, линейную цепь, содержащую ами­ ногруппу (-NH2) на одном и карбоксильную группу (-СООН) на другом

конце цепи.

40

Глава 1 Возможные механизмы передачи информации в молекулярных системах

( 1.23)

Здесь Е- энергия связанного электрона, m* - эффективная мас­ са электрона. В настоящее время солитонные решения получены и при рассмотрении электронной структуры различных полиме­ ров с сопряженными связями, например транс-формы полиацети­ пена (СН2)П' имеющей два энергетически вырожденных изомера:

I-{ 11

I I

... с-с=с-с=с-с ... (11)

I I

Н Н

в такой ситуации возможно перемещение двойной угле­ родной связи вдоль полимера до места сопряжения двух изомери­ ческих форм, что эквивалентно перемещению волны электронной

плотности.

В зависимости от структуры рассматриваемых полимеров теоретически показана возможность возникновения как нейтраль­

ных, так и заряженных солитонов, с различными значениями за­

рядов ( Q = О, ± е/2, ± е) и спинов (8 = О, 1/2 ).

Аналогично, солитонные решения, возникающие при пе­ ремещении протонов, принято называть протосолитонами. В час­ тности, их появлением объясняется высокая подвижность прото­ нов, перемещающихся по цепочке водородных связей в структуре

41

Физические основы молекулярной электроники

льда. В настоящее время теоретические солитонные модели при­ влекаются для объяснения многих физических явлений в различ­ ных областях физики, химии и биологии. Однако прямые экспе­ рименты, в которых удалось бы локально возбудить солитон имен­ но в нужном месте молекулярной цепи, а затем зафиксировать его прохождение в конце цепи, отсутствуют. Непосредственное воз­ буждение светом невозможно, поскольку из-за дифракционных ограничений пучок света не может быть сфокусирован до моле­ кулярных размеров. Предлагаются варианты возбуждения соли­ тонов за счет химических реакций на специально подобранных концевых группах цепи, в частности, и в результате обмена прото­ нами между молекулами концевых групп. По-видимому, возмож­ ным вариантом было бы локальное возбуждение солитонов при перезарядке поверхностных электронных состояний или генера­

ции протонов на поверхности в структурах типа полупроводник -

молекулярные слои.

Все рассмотренные выше механимы передачи информа­ ции в той или иной степени могут реализоваться в молекуляр­ ных ансамблях, которыми являются устройства молекулярной электроники. При этом, помимо проблемы возбуждения и пере­

носа частиц или квазичастиц к элементам таких систем, весьма

сложным является вопрос об их локализации на конечном этапе передачи информации. Сложность рассмогрения этого вопроса обусловлена следующими причинами. Во-первых, наличие сла­ бых сил взаимодействия между молекулами в таких кристаллах делает естественными локализацию экситонов и носителей за­ ряда на индивидуальных молекулах. Однако, во-вторых, если

время локализаци становится соизмеримым со временем поля­

ризации электронной подсистемы кристалла (tn -- 10-16 с), то об­ разуется полярон - квазичастица, обусловленная коллективным, многоэлектронным взаимодействием. По мере локализации та­ кой частицы возникает энергия ее взаимодействия с ядерным остовом кристалла. Причем, в случае молекулярных кристаллов, необходимо рассматривать взаимодействие поляронов как с виб-

42

Глава 1 Возможные механизмы передачи информации в молекулярных системах

ронами (то есть с внутримолекулярными колебаниями), так и с фононами, обусловленными межмолекулярными, решеточными колебаниями. Следовательно, образующийся так называемый молекулярный полярон фактически является сложным электрон­ но-ви6ронным поляроном.

Поскольку теория органических молекулярных кристал­ лов является сравнительно новым направлением физики твердо­ го тела, в котором еще не разработаны строгие формализован­

ные аксиоматические теории, то при описании столь сложных

процессов, как указанная выше каскадная локализация, необхо­ димо пользоваться весьма упрощенными феноменологическими моделями. Такие модели, как правило, строятся для конкретных молекулярных ансамблей. На описании некоторых из них, кото­ рые могут, в принципе, рассматриваться как элементная база ус­ тройств молекулярной электроники, мы остановимся в следую­ щей главе.

43

Физические основы молекулярной электроники

ГЛАВА 11

ЭЛЕМЕНТНАЯ БАЗА

МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

2.1. Проблема использования

отдельных молекул и их комплексов

в качестве логических элементов

электронных устройств

Наиболее часто встречающаяся теоретическая схема по­ строения устройств молекулярной электроники включает в себя

отдельные молекулы в качестве активных элементов интеграль­

ной схемы, расположенные на молекулярном субстрате. Управле­ ние ими и передача информации осуществляется за счет возбуж­

дения электронных переходов в молекулах квантами излучения

или электронами. При этом предполагается, что молекулярные си­

стемы с их дискретными уровнями энергии идеально подходят в

качестве основных логических элементов. Однако далеко не каж­ дая молекулярная система удовлетворяет следующим требовани­

ям, предъявляемым к логическим элементам электронных уст­

ройств.

1) Логический элемент должен характеризоваться высо­ кой надежностью срабатывания при подаче управляющего воздей­ ствия. В системе одна молекула - один квант это в принципе не­ возможно из-за относительно малой вероятности перехода моле­ кулы в возбужденное состояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность, воздействуя на молекулу сразу большим числом кван­ тов. Но в этой ситуации не будет соблюдаться другое важное тре­ бование, рассмотренное ниже.

2) Средняя мощность реакции элемента должна быть со­ измерима со средней мощностью воздействия, то есть кпд пре­ образования сигнала отдельным элементом должен быть близок к

44

Глава // Элементнаябаза молекулярнойэлектроники

единице. В противномслучае вероятностьсрабатыванияэлемен­ та при объединенииэлементовв цепь будет уменьшатьсяпо мере удаления от начала цепи. Необходимо отметить, что в больших биоорганическихмолекулах кпд преобразованияможет быть очень высоким, в частности, в некоторых белках квантовый вы­ ход флуоресценцииприближаетсяк единице.

3) Реакция элемента при его возбуждении должна быть од­ нозначной. В общем случае для отдельных молекул это требо­ вание также не выполняется. При возбуждении одного из состоя­ ний многоатомной молекулы, его дезактивация может происхо­

дить как за счет различных внутримолекулярных процессов, так и

за счет передачи возбуждения на другие молекулы. (см. п.l.2). 4) Элемент должен переводиться управляющим воздей­

ствием в любое необходимое состояние и находиться в нем доста­ точно долгое (до следующего воздействия) время. Это требова­

ние для сравнительно простых молекул не выполняется: если пе­

реходом в возбужденное состояние можно управлять, то обрат­ ный переход происходит спонтанно, либо за счет плохо управляе­ мого индуцированного механизма. Время жизни возбужденных со­ стояний молекул 'tтакжевесьмамало (10-5-10-12 с). Хотя для боль­

ших биоорганических молекул время жизни, например, триплет­

ных состояний, может достигать десятков секунд.

Из сказанного выше можно заключить, что практически невозможно создать преобразующее информацию устройство, если

вкачестве элементной базы для него используются отдельные органические молекулы со сравнительно небольшим числом ато­ мов. Однако, как будет показано ниже, более сложные специфи­ ческие биоорганические молекулы или их комплексы позволяют,

впринципе, формировать молекулярные системы для переработ­ ки информации. К тому же возможно построение электронных ус­

тройств за счет п.араллельного включения отдельных достаточно больших молекул, как это происходит при функционировании не­

рвных клеток мозга, то есть путем использования целых молеку­

лярных ансамблей в качестве процессоров.

45