15.4. Молекулярные и супрамолекулярные переключатели
Методы литографии, обычно используемые при изготовлении кремниевых ИС для компьютеров, приближаются к своим пределам в плане уменьшения размеров элементов схемы. Вместе с тем наноразмерная архитектура становится более сложной и более дорогой в изготовлении. Такая ситуация подтолкнула исследователей к разработке синтеза молекул, которые сами по себе могут служить законченным устройством, например, способны служить переключателями. Молекулярные переключатели могли бы стать основой устройств хранения информации в ИС, использующих двоичную систему.
Как работает молекулярный переключатель? Например, молекула может находиться в двух различных состояниях: А и В, и обратимо переводится внешними воздействиями S1, S2 (свет, приложенное внешнее напряжение, нагрев и т.д.) из одного состояния в другое. Очевидно, что мы имеем аналог цифрового ключа с логическими положениями «0» или «1». Однако для того, чтобы аналогия с механическим ключом была полной, переключения между состояниями А и В посредством внешних воздействий должны быть быстрыми, обратимыми, термоустойчивыми, и способными выдерживать переключения А↔В много раз.
Рис. 15.9. Схема функционирования молекулярного переключателя
Кроме того, состояния А и В должны быть различимы для некоторых зондов R1, R2. Такое зондирование называется режимом чтения.
Рис. 15.10. Переключатель на основе азобензола
Примером действующего устройства может служить переключатель на основе азобензола (рис. 15.10). К сожалению, цис-форма азобензола не является полностью термоустойчивой, и незначительное нагревание может вернуть ее в транс-форму, что препятствует практическому применению оптических методов переключения в вычислительной технике. Из представленной схемы видно, как цис-изомер восстанавливается до гидроазобензола в электрохимическом процессе путем добавления двух атомов водорода под действием более отрицательного потенциала, а затем возвращаться к транс-изомеру путем окисления, удаляющего атомы водорода.
Хиральный оптический молекулярный переключатель на основе нанотрубок для индуцирования переходов между изомерами использует свет с круговой поляризацией. Облучение молекулы светом с левосторонней круговой поляризацией вызывает вращение верхней четырехкольцевой группы от структуры правосторонней спирали к левосторонней. Свет с правосторонней круговой поляризацией вызывает обратное превращение. Для чтения состояний молекулы (т.е. зондирования R1, R2) используется линейно поляризованный свет, с помощью которого регистрируются изменения плоскости поляризации. Стереть информацию можно неполяризованным светом.
Конформационные изменения, включающие перегруппировку связей в молекуле, также могут быть основой для создания молекулярного переключателя. Для изготовления молекулярного переключателя используются и катенановые молекулы, состояние которых меняется при приложении внешней разности потенциалов. Катенановые молекулы – молекулы, в которых одно молекулярное кольцо механически сцеплено с другим кольцом.
Когда молекула окислена за счет приложенного внешнего напряжения (т.е. удаляется е−), то какая-то ее часть становится положительно ионизированной и, таким образом, за счет электростатики частично разворачивается, т.е. переходит в состояние В. Отключение разности потенциалов возвращает все на круги своя, т.е. происходит обратный разворот этой части молекулы (переход в состояние А).
Интересным аспектом данной процедуры является обнаружение электропроводности молекул. Для измерения проводимости длинных цепочек молекул использовали СTM.
В результате изменения конфигурации молекулы происходит существенное изменение проводимости, о чем свидетельствует сильное увеличение тока и, как следствие, изменение ВАХ (рис. 15.11). Базисная кривая (--) соответствует проводимости молекулы дитиола в состоянии А, кривая (−) соответствует состоянию В. Общая оценка сопротивления молекулы дает величину ~900 мОм. Однако для создания молекулярных переключателей необходимо скачкообразное изменение тока. Поэтому исследователи, разработав методику плавного изменения тока, задались вопросом – а возможно ли создать молекулу, в которой ток и, следовательно, проводимость можно было бы изменять как в выключателе, т.е. ступенчато. Оказалось, что такое возможно с помощью простой молекулы, содержащей тиоловую группу SH-.
Рис. 15.11. Вольтамперная характеристика молекулы
при изменении ее конфигурации
Рис. 15.12. Выключатель на основе тиоловой молекулы
Как видно из рис. 15.12, к среднему кольцу прикреплен донор электронов: аминогруппа (NH2)¯, «выталкивающая» электроны на линию связи колец. На другой стороне располагается акцептор электронов – нитрогруппа (NO2)¯, оттягивающая электроны с линии связи колец. В результате изображенной донорно-акцепторной конфигурации центральное кольцо будет обладать большим электрическим дипольным моментом, а ВАХ такой молекулы выглядит так, как показано на рис. 15.13.
Из рисунка видно, что ток в системе начинает течь при 1,6 В, затем скачкообразно увеличивается, достигает максимума при 2,1 В и, далее, вновь возвращается к исходному значению. Изображенная на рис.15.13 ВАХ наблюдается при Т~60 К. К сожалению, при комнатной температуре ВАХ имеет обычный, т.е. линейный вид.
Рис. 15.13. Вольт-амперная характеристика переключателя
на основе азобензола
Предложенный механизм проводимости описанных выше устройств заключается в следующем. Изначально молекула является непроводящей, а при напряжении 2,1 В молекула получает дополнительный электрон, образуя радикальный ион, и становится проводящей. При дальнейшем увеличении напряжения к молекуле добавляется второй электрон, и она вновь становится непроводящим дианионом.
Разумеется, демонстрации того, что молекула может проводить ток, и того, что этим процессом можно управлять, недостаточно для разработки нанокомпьютера. Для формирования логических элементов (например, свичей) такие молекулярные переключатели необходимо соединить между собой. Как схематически выглядит подобное устройство, видно из рис. 15.14, где изображено поперечное сечение молекулярного устройства на основе роксотана – сложной фторосодержащей молекулы. Верхний электрод Al покрыт слоем Ti, а нижний – слоем Al2O3, создающим туннельный барьер. Обычно нижний электрод такого переключателя изготавливается литографическим нанесением Al на кремниевую подложку. Затем электрод окисляется с образованием слоя Al2O3 и на него осаждают слой молекул роксотана. Далее через контактную маску наносят слой Ti~5 мкм и более толстый слой Al. В результате такое устройство будет иметь сложную ВАХ, изображенную на рис. 15.15.
Рис. 15.14. Устройство блока молекулярных переключателей
Подача напряжения в режиме чтения (переключатель замкнут) вызывает резкое увеличение тока. Для того чтобы открыть переключатель, прилагают управляющее напряжение ~ 0,7 В. При этом, как видно из ВАХ, ток в закрытом и открытом состояниях отличается примерно в 60-70 раз. Для создания матрицы логических элементов с целью применения их в конечном устройстве (например, компьютер) необходимо собрать их в массив.
Рис. 15.15. Вольт-амперная характеристика блока
молекулярных переключателей
Рис. 15.16. Логический элемент «И»
Два переключателя А и В, например, можно соединить таким образом, что они будут функционировать как логический элемент «И». Очевидно, что для получения напряжения на его выходе оба переключателя должны находиться во включенном состоянии. Выходной сигнал должен быть мал, или же его вообще не должно быть, когда оба переключателя выключены или включен только один из них. Характеристика подобного устройства изображена на рис. 15.17.
Рис. 15.17. Статические значения вольтамперной характеристики наномолекулярного логического элемента
Итак, когда оба переключателя выключены, т.е. А=В=0, тока нет. Если А=0; В=1 или же А=1; В=0, то ток очень мал.
В случае А=В=1 (оба переключателя включены) для обоих переключателей имеем значительный выходной ток.
Полученные данные убедительно демонстрируют возможность использования переключающих устройств в компьютерных технологиях будущего.
Заключение
Из прочтения настоящей книги становится очевидным, что нанотехнология охватывает обширную область научных и технических интересов. Следует понимать, что научные достижения в области нанотехнологий не являются самоцелью, а предполагают развитие техники, экономики, промышленности, наконец, изменение окружающего нас общества в лучшую сторону. Наглядно данный процесс демонстрирует следующая схема, изображенная на рис. 15.18.
Рис. 15.18. Технические перспективы применения наносустройств
Обратимся к примерам из реальной жизни. Развитие нанотехнологий (в частности, в биологии и медицине) уже привело к созданию в ряде стран новых фирм и предприятий, основанных небольшими группами исследователей из различных университетов. Причиной тому является именно квалификация персонала, поскольку, как вы уже сами поняли, в нанотехнологиях неквалифицированному работнику делать нечего.
Таким образом, например, в 1998 г. образовалась фирма Zyvex, Ричардсон, штат Техас, США. Первоначально численность персонала составляла 50 человек (т.е. руководителями и владельцами этой фирмы стали профессора и работники лаборатории, где нанотехнология была разработана). К настоящему времени персонал данной компании составляет более 5000 человек.
Существуют и другие примеры, однако, это уже предмет для отдельного обсуждения, не входящего в рамки настоящего учебного пособия. Завершая повествование, можно сказать, что грандиозные ожидания перемен во всех сферах человеческой жизни от внедрения нанотехнологий постепенно оправдываются.