Высокопроводящие состояния

Предположения о том, что молекулы могут обладать способностью, проводить электрический ток, высказывали Сент Дьерди и Малликен еще на рубеже 50х гг. XX в., но обычно возникновение молекулярной электроники принято связывать с опубликованием в 1974 г. работы [1], в которой была выдвинута идея молекулярного выпрямителя (диода) — молекулы, моделирующей p - n переход, в полупроводниках. Чтобы обладать необходимыми свойствами, такая молекула должна содержать мощные донорные и акцепторные группы, разделенные блокирующим сопряжением сигмаспейсером. В настоящее время молекулярная электроника превратилась в широко разветвленную мультидисциплинарную область исследований, охватывающую создание и применение молекулярных устройств в качестве диэлектриков, переключателей тока, транзисторов, светоизлучающих диодов, сенсоров и др. [2-5].В широком смысле молекулярную электронику можно определить как область применения молекул и молекулярных материалов, способных принимать, хранить и обрабатывать информацию. Создание широкого спектра переключателей и нанопроводников обеспечило возможность формирования на их основе молекулярных логических устройств. Схема такого гибридного устройства, созданного в лабораториях фирмы «Hewlett—Packard» (США) — демультиплексора, позволяющего с помощью нескольких (k) обычных проводников на кристалле кремния управлять 2 k нанопроводниками, и ключа, содержащего проводящую молекулу, показана на рисунке 1.

Рис. 1.Схема демультиплексора (a) и адаптированная схема молекулярного ключа — основного элемента «кроссбар»-архитектуры, разрабатываемой фирмой «Hewlett-Packard» (b): 1 — замкнутое состояние, 2 — разомкнутое состояние, 3 — молекулярный переход, 4 — нанопровода [5].

Подавая напряжение на нанопроводники, разделенные молекулярными слоями, можно переводить ключ из замкнутого («on») в разомкнутое («off») состояние. Из таких ключей можно собирать высокоемкие устройства памяти для молекулярных компьютеров, создание которых ожидается в течение ближайшего десятилетия [6-10]. Неудивительно, что возможность использования молекулярных и супрамолекулярных структур для электроники будущего и применения в качестве элементной базы вычислительных систем следующего поколения привлекает пристальное внимание исследователей. Самые сложные и совершенные электронные процессы в природе, включая фотосинтез и передачу нервных сигналов, происходят на молекулярном уровне, а выбор природы всегда оптимален. Молекулярные материалы имеют ряд важных преимуществ по сравнению с традиционными макроматериалами.

Во-первых, молекулярный размер – это область от 1 до 100 нм, благодаря чему может быть обеспечена наиболее высокая плотность молекулярных диодов и транзисторов в интегральной схеме и, следовательно, достигнута наиболее высокая производительность молекулярной вычислительной системы. Во-вторых, молекулярные структуры обладают широким спектром оптических, электрических и магнитных свойств, а неисчерпаемые возможности органического синтеза позволяют широко модифицировать строение молекул и «настраивать» эти свойства в нужных пределах и направлениях. В-третьих, для конструирования молекулярных устройств могут быть использованы молекулярные механизмы самосборки и молекулярного распознавания.

Вся современная электроника основана на применении полевых кремниевых транзисторов, и увеличение производительности компьютеров прямо связано с увеличением плотности размещения этих транзисторов на поверхности интегральной схемы – чипа компьютера, т.е. с уменьшением размера транзистора. Возможности миниатюризации полевого транзистора приближаются к своему пределу, что вызвано не техническими проблемами, а фундаментальными физическими причинами. Главным ограничением является толщина проводящего оксидного слоя [11-13]. При ее уменьшении примерно до 5 нм возникают неконтролируемые эффекты туннелирования электронов и перегрева. Наиболее тонкая современная технология – это 45-нанометровые транзисторы. В 2012 г. должен быть достигнут предел миниатюризации кремниевых компьютеров, и элементную базу молекулярных компьютеров составят «умные» (smart) бистабильные молекулярные и супрамолекулярные структуры. Бистабильность – это возможность существования в двух (или нескольких) термодинамически устойчивых состояниях, которым отвечают локальные минимумы на поверхности потенциальной энергии (рис. 2).

Рис. 2.Поверхность потенциальной энергии бистабильной молекулярной структуры, реализующей обратимые перегруппировки между изомерными формами Аи Впод действием внешних стимулов [5].

В терминах информатики такие структуры ассоциируются с понятиями логического нуля и единицы, а перегруппировки бистабильных структур с информационными переходами между нулем и единицей [14-16]. Переключение между устойчивыми состояниями бистабильных структур осуществляется при помощи различных внешних воздействий, и переход от одного изомерного состояния к другому сопровождается изменениями физических свойств и даже появлением новых качеств, присущих только одному из изомеров. Это создает удобные условия для считывания информации, записанной посредством внешнего воздействия на исходную структуру (рис. 3).

Рис. 3.Переключаемые свойства бистабильных структур.

Предполагают, что общая схема будущего молекулярного компьютера в принципе будет аналогична компоновке кремниевых компьютеров и будет составлена из тех же главных частей. Логические вентили, созданные на базе бистабильных молекул, обеспечат согласованную работу всех компонент молекулярного компьютера (рис. 4).

Рис. 4. Основные компоненты молекулярного компьютера.

Молекулярные переключатели можно использовать для конструирования различных логических вентилей (logic gates), что означает принципиальную возможность построения вычислительной системы на базе молекулярных элементов. Все вычислительные системы основаны на использовании логических операций, формулируемых в рамках Булевой алгебры — алгебры высказываний. Простейшие операции — И (AND), ИЛИ (OR), НЕ (NOT) — требуют одного ввода (input) и дают один выход (output). Более сложные операции-цепи — НЕТ-И (NAND), НЕТ-ИЛИ (NOR), ИСКЛЮЧИТЬ-ИЛИ (XOR) и другие — осуществляются при помощи нескольких вводов. К созданным в настоящее время молекулярным логическим устройствам относятся мультиплексоры и демультиплексоры [17-20]. На рисунке 5 показано, как можно сформировать простые логические вентили NOT и NOR на основе фотохромной спиропирановой системы [21, 22]. Вводом служит облучение раствора спиропирана УФ-светом, которое приводит к раскрытию 2 Н -пиранового цикла.

Рис. 5.Спектр поглощения мероцианиновой формы.

Выход (результат вызванной облучением фотоперегруппировки) считывается по появлению интенсивного поглощения мероцианиновой формы в видимой области спектра (рис. 5). Когда УФ-источник выключен, видимый свет проходит сквозь ячейку с неокрашенной спироспирановой формой и сохраняется 100% циклической формы. Это состояние можно обозначить как ввод – «0», выход – «1». При включении УФ-источника (ввод – «1») происходит фотоизомеризация и возникает окрашенная мероцианиновая форма (в фотостационарном состоянии имеется ~3% неокрашенной формы). Видимый свет практически не проходит сквозь ячейку. Это состояние можно обозначить как ввод – «1», выход – «0».