Молекулы как элементы устройств памяти, логики и отображения информации

Молекулярный транзистор

В углеродную цепь электропроводной полимерной молекулы можно химически "встроить" звено, разделяющее непрерывную цепь -МО на две части и в то же время являющееся выборочно чувствительным к тому или иному внешнему влиянию. Реагируя на это влияние изменением плотности распределения электронов на своих МО, это звено может существенно изменять электропроводность молекулы. В этом случае молекула может выступать в роли чувствительного элемента, превращающего изменения внешнего фактора в соответствующие изменения электрического тока ( рис. 4.12). Такая молекула играет роль "молекулярного вентиля", управляемого тем или иным внешним фактором. Уже синтезированы и исследованы полимерные молекулы, реагирующие на электрохимические, магнитные, механические, оптические и на специфические химические воздействия.

Рис. 4.12. Функциональная схема одного из основных элементов молекулярной электроники ("металл – молекула – металл")

В технике построения молекулярных логических элементов чаще всего изучают варианты построения вентилей, управляемых электрическим потенциалом. Одна из возможных реализаций такого "молекулярного транзистора" показана на рис. 4.13. На подложке был сформирован металлический затвор, на него нанесен слой диэлектрика, на котором методами нанолитографии были сформированы золотые электроды истока и стока. Тонкий мостик между ними полностью разрывался путем испарения с помощью электронного луча или пропускания импульса электрического тока. В разрыв между электродами была высажена молекула полипиридила. Снимок одной из пар таких электродов, полученный в атомном силовом микроскопе, показан на рис. 4.13 справа.

Рис. 4.13. Слева – структура экспериментального молекулярного транзистора. Справа – микрофотография электродов, сделанная в атомном силовом микроскопе

Вольтамперные характеристики такого молекулярного транзистора при различных значениях напряжения между затвором и стоком показаны на рис. 4.14. Вдоль горизонтали отложено напряжение (в милливольтах), приложенное к молекуле, вдоль вертикали – электрический ток, который течет сквозь нее.

Рис. 4.14. Вольтамперные характеристики экспериментального молекулярного транзистора при различных значениях напряжения на затворе

Видно, что ВАХ молекулы асимметрична. В большинстве случаев это – следствие асимметрии встроенного в молекулу чувствительного звена. При напряжении = 75 мВ ток сквозь молекулу изменяется в 6 раз – от 100 пА при потенциале затвора = – 1 В до 600 пА при потенциале затвора = – 0,4 В. В режиме, когда = 50 мВ, а ток = 350 пА, на транзисторе рассеивается мощность 17,5 пВт.

О времени переключения такого "транзистора" и о его частотной характеристике пока не сообщается. Судя по всему, они определяются в основном задержками на цепях передачи сигналов (), поскольку время перестройки электронных молекулярных орбиталей составляет порядка 10^-14 с.

Из "молекулярных транзисторов" такого типа можно, конечно, построить функционально полную систему логических элементов по принципам, аналогичным описанным в предыдущих лекциях. Основной вопрос заключается в разработке эффективной "молекулярной технологии" изготовления таких логических схем, нужной системы межсоединений и более сложных устройств на их основе. Над созданием такой технологии, пригодной для промышленного производства, и работают сейчас научные сотрудники и инженеры.

Молекулы как элементы для сети клеточных автоматов

Заметим, что, используя деформацию и сдвиг МО под действием внешнего электрического поля, потенциально можно формировать не только схемы традиционной логики, но и эффективные схемы из клеточных автоматов. На рис. 4.15 слева показана, например, структурная химическая формула молекулы, которая может играть роль описанного в п. 4.4 простейшего двоичного элемента для сети клеточных автоматов. Боковые группы , присоединенные к бензольному кольцу, становятся здесь "донорами". Два электрона, по одному из каждой из них, при комнатных температурах легко переходят на не занятую связывающую МО (LUMO) и могут свободно перераспределяться по ней, т.е. по всей молекуле. Из-за кулоновского отталкивания относительно устойчивыми оказываются лишь 2 состояния, когда эти электроны располагаются в противоположных "углах" молекулы.

Рис. 4.15. Слева – структура молекулы, способной играть роль элемента в сети клеточных автоматов; справа – условное изображение такого элемента в разных логических состояниях

Один из вариантов кодирования этих состояний и условное изображение такого простейшего двоичного элемента для сети клеточных автоматов показаны на рис. 4.15 справа. Под действием внешнего электрического поля электроны занимают энергетически более выгодное положение. Поэтому молекула в целом ведет себя аналогично одноэлектронному двоичному автомату, описанному в лекции 4 курса "Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков" . Правда, автомат этот не классический, а квантовый и, значит, может находиться не только в указанных двух "чистых", но и в смешанных состояниях, что существенно изменяет и функционирование сети таких клеточных автоматов.

Молекулы как основа устройств визуального отображения информации

Некоторые молекулы уже давно используются в информатике для построения жидкокристаллических индикаторов (ЖКИ, англ. Liquid Crystal Displays, LCD) – одного из наиболее распространенных сейчас видов устройств для визуального отображения информации. Их используют в наручных часах, мобильных телефонах, в портативных интеллектуальных сенсорах, в ноутбуках, мониторах компьютеров. Такие индикаторы потребляют мало энергии, имеют высокое отношение полезной площади к объему, легки, надежны в работе и относительно недороги.

В этих устройствах используют свойство удлиненных молекул типа изображенных на рис. 4.16 согласованно ориентироваться и, будучи электрическими диполями, изменять свою ориентацию в электрическом поле. Целое число на рис. 4.16 показывает количество повторяющихся звеньев в полимерной молекуле ().

Рис. 4.16. Химические структурные формулы некоторых молекул, используемых в ЖКИ

Раствор таких молекул помещают между двумя прозрачными стеклянными пластинами. На поверхности пластин создан микрорельеф в виде вытянутых в одном направлении канавок, благодаря которым все удлиненные молекулы ориентируются возле поверхности именно в этом направлении. Микрорельеф и, следовательно, ориентация молекул возле поверхности второй стеклянной пластины перпендикулярны к первой. Благодаря этому в промежуточных молекулярных слоях ориентация молекул плавно меняется ( рис. 4.17,а). Поэтому при прохождении плоско поляризованного света сквозь упорядоченный таким образом жидкий кристалл плоскость поляризации света поворачивается на – от ориентации П1 к ориентации П2. Если на ЖК материал наложить внешнее электрическое поле, то все молекулы, будучи электрическими диполями, поворачиваются в направлении этого поля. Жидкий кристалл становится однородно ориентированным, вследствие чего поворот плоскости поляризации света исчезает.

Рис. 4.17. (а) Условное изображение ориентации молекул в соседних молекулярных слоях. Они образуют завитую подобно спирали структуру, которая при прохождении света Св поворачивает плоскость его поляризации П1 в направлении П2. (б) Конструкция ЖКИ

Типичная структура ЖКИ показана на рис. 4.17,б. Он состоит из поляризатора света 1, стеклянной пластины 2, на нижнюю поверхность которой нанесен прозрачный электрод ( или ), из стеклянной пластины 5, на верхней поверхности которой сформированы сегментные электроды и контактные площадки на периферии (вне поля зрения) с выводами 7. Между стеклянными пластинами 2 и 5 размещена изолирующая рамка 3, которая задает толщину (порядка 10 мкм) ЖК материала 4, залитого между ней и стеклянными пластинами. Ниже стеклянной пластины 5 размещаются анализатор 6 (такой же пленочный поляризатор, как и 1, но в нем плоскость поляризации развернута на ) и отражатель света 8.

Когда между электродами на пластинах 2 и 5 электрическое напряжение отсутствует, описанная структура функционирует так. Внешний свет проходит сквозь поляризатор 1 и пластину 2. В ЖК материале 4 плоскость поляризации света поворачивается на , совпадает с ориентацией анализатора 6, и поэтому свет легко проходит сквозь него, отражается от слоя 8, на обратном пути снова проходит сквозь анализатор 6 и ЖК материал 4. Здесь плоскость его поляризации еще раз поворачивается на и поэтому на выходе совпадает с ориентацией поляризатора 1. В результате отраженный внешний свет воспринимается глазами в виде сплошного светлого фона.

Если на какой-либо сегментный электрод подать напряжение, то все молекулы над ним переориентируются в направлении электрического поля, и спиральная ориентация молекул исчезает. Соответственно не происходит поворот плоскости поляризации света. Поэтому после прохождения ЖК материала 4 свет остается поляризованным перпендикулярно к ориентации анализатора 4. Свет поглощается в нем, и участок поля дисплея над таким электродом становится темным. Такое изображение называют "позитивным". Если ориентации поляризатора 1 и анализатора 6 сделать одинаковыми, то будет формироваться "негативное" изображение: все поле дисплея будет казаться темным, а над электродами, на которые подано напряжение, будут наблюдаться светлые области.

Иногда вместо отражателя 8 в ЖКИ устанавливают плоский источник света (электролюминесцентный, светодиодный и т.п.). Такие ЖКИ ("с подсветкой") хорошо работают и при отсутствии внешнего освещения.

ЖКИ с молекулами типа показанных на рис. 4.16 имеют один недостаток, который препятствует построению быстродействующих экранов отображения информации. Такие молекулы относительно медленно возвращаются в состояние спиральной ориентации после отключения электрического поля. Время восстановления составляет порядка 20 мс. В последние десятилетия были найдены молекулы типа флуоробифенила ( рис. 4.18), которые в жидкокристаллическом состоянии демонстрируют спонтанную ориентацию и являются сегнетоэлектриками.

Рис. 4.18. Химическая структурная формула молекул флуоробифенила

Малая задержка поворота этих молекул из одной ориентации в другую (порядка 1 мкс) позволяет строить на их основе телевизионные экраны с весьма динамичным изменением изображений.

Для построения таких экранов используют матричную организацию электродов ( рис. 4.19). В цветном экране каждый элемент изображения ("пиксель") состоит из трех прозрачных электродов. На рисунке левый верхний пиксель выделен штриховой прямоугольной рамкой. Над элементами устанавливаются светофильтры, один из которых пропускает красный, второй – желто-зеленый, третий – синий свет. Такие прозрачные электроды формируют на обеих стеклянных пластинах, между которыми находится ЖК материал (см. рис. 4.17,б). На одной стеклянной пластине, кроме того, формируют горизонтальные, а на другой – вертикальные шины.

Запись информации производится построчно. Сначала напряжение подается на строку Стр1, потом на строку Стр2, потом – на Стр3 и т.д. В период подачи напряжения на строку на соответствующие вертикальные шины подают импульсы, которые открывают соответствующие транзисторы. От амплитуды соответствующего импульса зависит напряжение, до которого заряжается конденсатор, образованный соответствующей парой электродов. А от этого напряжения зависит ориентация молекул в соответствующей ЖК ячейке и интенсивность проходящего сквозь нее света. Цвет и яркость каждого пикселя зависят от интенсивности света, который проходит через ЖК ячейки, – красного, желто-зеленого и синего света.

Рис. 4.19. Структура ЖК экрана для формирования телевизионных изображений

Подобным же образом на основе молекул могут строиться также электрически управляемые "транспаранты" для устройств групповой оптической обработки информации.

Становление "молекулярной технологии"

Мы уже отмечали, что основная задача на пути практического внедрения молекулярной элементной базы информатики заключается в разработке эффективной "молекулярной технологии" изготовления сложных логических схем, запоминающих и других устройств высокого уровня интеграции с высокой плотностью компоновки. Напомним в связи с этим, какими же технологиями получения молекул и формирования молекулярных структур уже сейчас владеет человечество.

Во-первых, это хорошо развитые технологии химического, биохимического и электрохимического синтеза молекул. Каких вершин они достигли, показывают синтезы таких супрамолекулярных структур, как упомянутые в предыдущей лекции катенаны и ротаксаны. А в области биохимии есть уже такое могучее оружие, как генная инженерия. Указанные технологии позволяют промышленно вырабатывать в нужных количествах любые молекулярные фрагменты для элементов информатики.

Во-вторых, это "высокие" прецизионные технологии наноэлектроники. Промышленные проектные нормы в указанной области уже сейчас достигли 14-32 нм. И это позволяет с такой же точностью формировать на подложках интегральных схем "опорные точки" для адресного высаживания молекул, а также системы промежуточных входных/выходных шин для блоков молекулярной логики или молекулярной памяти.

В-третьих, это технологии осаждения на поверхность металлов молекул-распознавателей, синтеза супрамолекулярных структур типа "хозяин-гость", а также комплементарных участков молекул. Благодаря очень избирательной химической активности названных структур имеется возможность "маркировать" определенные точки на подложке интегральной схемы, на металле, определенные звенья в макромолекулах, на длинных полимерных молекулах, куда потом избирательно, сами по себе, могут "адресно" высаживаться лишь комплементарные молекулы или "специализированные" наночастицы. Такие структуры называют "якорными группами", так как комплементарная молекула может присоединиться к ним подобно тому, как судно становится на якорь.

Так называемая "контейнерная химия" разработала технологии создания молекул-контейнеров, способных избирательно присоединять и переносить с собой на нужное место другую молекулу.

Все это, вместе взятое, потенциально создает предпосылки такой технологии, когда план формирования молекулярного информационного устройства можно будет заранее разработать на компьютере, там же смоделировать его работу и потом шаг за шагом реализовать, используя достижения наноэлектроники, химии и биохимии.

Для тестирования устройств на разных стадиях их реализации можно использовать дополнительные люминесцентные звенья молекул, специально встроенные так, чтобы после присоединения молекулы к запланированному месту люминесценция гасилась, изменяла свой цвет или становилась значительно интенсивнее. Молекулы, таким образом, сами будут сигнализировать технологу о ходе самоорганизующихся процессов "молекулярного монтажа" структуры.

Однако пока что это – дело будущего, возможно, дело ваших рук и ума, господа студенты. Ради этого настойчиво работают сейчас в мире десятки научно-технических фирм, тысячи ученых и инженеров.