|
Молекулярные и супрамолекулярные переключатели⇐ ПредыдущаяСтр 46 из 46 Методы литографии, обычно используемые при изготовлении кремниевых чипов для компьютеров, приближаются к своим пределам в плане уменьшения размеров элементов схемы. Наноразмерная архитектура становится более сложной в изготовлении и более дорогой. Это мотивировало усилия по синтезу молекул, способных служить переключателями. Молекулярные переключатели могли бы стать основой устройств хранения информации и логических схем в компьютерах, использующих двоичную систему. Молекула А, которая может находиться в двух различных состояниях, скажем, в формах А и В иобратимо переводиться внешними воздействиями, (свет, напряжение) из одного состояния в другое, может быть использована для запоминания информации. Для того, чтобы рассматривать молекулу в качестве хранилища нуля или единицы, необходимых для двоичной логики, переключение внешними воздействиями между двумя состояниями должно быть быстрым и обратимым. Оба состояния должны быть термоустойчивыми и способными переключаться в обе стороны много раз. Более того, эти два состояния должны быть различимыми для некоторого зонда R. Такое зондирование называется режимом чтения. На рис. 20.12 представлена схема основных элементов молекулярного переключателя, в котором воздействие S1, вызывает переключение из состояния 0 в состояние 1, а воздействие S2 индуцирует обратное переключение. Существует множество различных видов молекулярных переключателей.
Примером такого молекулярного переключателя может служить устройство на основе молекулы азобензола, которая имеет две изомерных формы, изображенные на рис. 20.11. К сожалению, цис-форма азобензола не является термоустойчивой, и незначительное нагревание может вернуть ее в трансформу, что препятствует практическому применению оптических методов переключения в вычислительной технике. Использование электрохимического окисления и восстановления может преодолеть эту термическую неустойчивость азобензола. На рис. 20.13 показано, как цис-изомер восстанавливается до гидроазобензола в электрохимическом процессе путем добавления двух атомов водорода под действием более отрицательного потенциала, а затем возвращается к трансизомеру путем окисления, удаляющего атомы водорода. Хиральный оптический молекулярный переключатель, изображенный на рис. 20.14, для индуцирования переходов между изомерами использует свет с круговой поляризацией (CPL).
Рис. 20.15. Фотохимическое переключение спиропирана (слева) в мероцианин (справа) ультрафиолетовым облучением энергией квантов hv1. Красный свет (энергия квантов hv2) или тепло (Δ) вызывает обратное кон-формационное изменение молекулы.
Облучение молекулы в М-форме светом с левосторонней круговой поляризацией (—)—CPL, показанной в левой части рисунка, вызывает вращение верхней четырехкольцевой группы от структуры правосторонней спирали к левосторонней (Р-форма), как показано на рисунке. Свет с правосторонней круговой поляризацией (+)-CPL вызывает обратное превращение. Для чтения состояния переключателя можно использовать линейно поляризованный свет (LPL), регистрируя изменение плоскости поляризации. Информацию можно стереть неполяризованным светом (UPL). Конформационные изменения, включающие перегруппировку связей в молекуле, также могут быть основой для молекулярного переключателя. Когда бесцветный спиропиран, показанный в левой части рис. 20.15, облучается ультрафиолетовыми квантами hv1, углеродно-кислородные связи раскрываются и образуется мероцианин, изображенный в правой части рис. 20.15. Когда мероцианин облучают видимым (красным) светом (кванты с энергией hv2) или нагревают (Δ), происходит обратная перестройка молекул и образуется спиропиран. Для изготовления молекулярного переключателя использовали и катена-новые молекулы, состояние которых меняется при подводе напряжения Катенановыми называются молекулы, в которых одно молекулярное кольцо механически сцеплено с другим кольцом, как показано на рис. 20.16. Два различных состояния переключателя длиной 1 нм и шириной 0,5 нм показаны на рис. 20.16а и 20.16 б. Для такого применения монослой катенана, за-
крепленный амфифильными фосфо-липидными противоионами, помещают между двумя электродами. Структура, показанная на рис. 20.16а, — это разомкнутое состояние переключателя, так как такая конфигурация проводит электричество хуже, чем структура, изображенная на рис. 20.166. Когда молекула окислена приложенным напряжением, которое удаляет электрон, тетратиафульвалиновая группа, содержащая серу, становится положительно ионизированной и, таким образом, электростатически отталкивается от циклофановой группы, кольцо которой содержит атомы азота. Это приводит к изменению структуры, которое по существу заключается в повороте кольца, расположенного в левой части молекулы (см. рис. 20.16). Интересный аспект этой процедуры состоит в обнаружении электропроводности некоторых молекул, хотя и не очень высокой. Для измерения проводимости длинных цепных молекул использовали STM. На поверхности золота посредством самосборки формировали монослой октантиола.. Затем часть молекул была удалена растворением и заменена 1,8-октандитио-лом, у которого серные группы расположены на обоих концах цепочки. Методом STM монослой сканировали острием, покрытым золотом, до обнаружения молекулы 1,8-октанодитиола. Затем острие приводили в контакт с концом молекулы, чтобы образовать электрическую цепь между острием и подложкой из золота. Молекулы октантиола, связанные только с нижним золотым электродом, служили молекулярными изоляторами, электрически изолируя октандитиоловые проволоки. После этого напряжение между острием и нижним золотым электродом увеличивали и измеряли ток. В результате получилось пять ясно различимых семейств кривых, каждое из которых получается из базисной кривой, изображенной на рис. 20.17 пунктирной линией, путем умножения на небольшое целое число. На рисунке приведены только верхняя и нижняя кривые. Базисная кривая соответствует проводимости одной молекулы дитиола; другие кривые соответствуют проводимости нескольких таких молекул. Следует отметить, что ток достаточно мал, а оценка сопротивления молекулы дает величину около 900 МОм. Разработав методику измерения электропроводности одной цепной молекулы, исследователи стали задаваться вопросом, можно ли создать молекулу, проводимость которой можно было бы изменять скачком как в выключателе. Они использовали относительно простую молекулу, изображенную на рис. 20.18 и содержащую тиоловую группу (SH—), которая может прикрепляться к золоту, потеряв атом водорода. Молекула 2-амино-4-этилнилфенил-4-этилнилфенилфе-нил-5-нитро-1-бензолтиолата, состоит из трех бензольных колец, последовательно связанных атомами углерода с тройными связями. К среднему кольцу прикреплен донор электронов — аминогруппа (NH2—), выталкивающая электроны на кольцо. На другой стороне кольца находится акцептор электронов — нитрогруппа (NO2—), оттягивающая электроны с кольца. В результате этого центральное кольцо обладает большим электрическим дипольным моментом. На рис. 20.19 показаны вольтамперные характеристики этой молекулы, прикрепленной обоими концами к золотым электродам.
Ток по ней начинает идти при напряжении 1,6 В, затем быстро увеличивается и резко падает при напряжении 2,1 В. Такая характеристика с отрицательным дифференциальным сопротивлением наблюдается при температуре 60 К, а при комнатной температуре зависимость имеет обычный вид. Предложенный механизм для эффекта состоит в том, что молекула изначально является непроводящей, а при напряжении, на котором наблюдается пик тока, она получает электрон, образуя радикальный ион, и становится проводящей. При дальнейшем увеличении напряжения к молекуле добавляется второй электрон и она становится непроводящим дианионом.
Разумеется, демонстрации того, что молекула может проводить электричество и того, что этой проводимостью можно управлять, недостаточно для разработки компьютера. Для формирования логических элементов (вентилей) молекулярные переключатели необходимо соединить между собой. Молекула роксатана, показанная на рис. 20.20, может менять конформацию при получении или потере электрона посредством вращения кислородного кольца в левой части рис. 20.20, подобно тому, как это происходит в катенане (рис. 20.16). Это было использовано для разработки переключающих устройств, которые можно соединять друг с другом. Схематическое изображение поперечного сечения отдельного переключателя показано на рис. 20.21. Каждое устройство состоит из монослоя молекул роксатана, помещенного между двумя параллельными электродами, изготовленными из алюминия (Аl). Верхний электрод на рисунке покрыт слоем титана (Ti), а нижний — слоем оксида алюминия (А12О3), который образует туннельный барьер. Для производства этого переключателя нижний электрод был изготовлен литографическим нанесением алюминиевых проволок диаметром 0,6 мкм на кремниевую подложку. Затем этот электрод окисляли с образованием слоя А12О3 и на него осаждали монослой молекул роксатана, показанных на рис. 20.20, в виде пленки Ленгмюра-Блоджетт. Затем через контактную маску осаждали слой титана толщиной 5 мкм и более толстый слой алюминия. На рис. 20.22 показаны вольтамперные характеристики такого устройства. Приложение напряжения -2 В режиме чтения вызывает резкое увеличение тока. Переключатель может быть открыт приложением напряжения 0,7. Ток в открытом состоянии отличался от тока в закрытом состоянии в 60-80 раз. Для создания матрицы логических элементов, имеющих перспективу применения в компьютерах, множество таких переключателей должны быть собраны в массивы. Два переключателя (А и В), соединенные, как показано в верхней части рис. 20.23, могут функционировать как логический элемент И. Для получения напряжения на его выходе оба переключателя должны находиться во включенном состоянии. Выходной сигнал должен быть малым или его вообще не должно быть, когда оба переключателя выключены, или включен только один из них. На рис. 20.23 показан выходной сигнал элемента для различных положений переключателей А и В, называемых адресными уровнями. Когда оба переключателя выключены (А = В = 0) тока нет, когда включен только один из переключателей (А = 0 и В = 1, или А = 1 и В = 0) ток очень мал. Только сочетание А = 1 и В = 1 для обоих переключателей обеспечивает значительный выходной ток, показывая, что устройство действительно может работать как логический элемент И. Эти результаты демонстрируют потенциал использования молекулярных переключающих устройств для компьютерных технологий будущего.
Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем... Что будет с Землей, если ось ее сместится на 6666 км? Что будет с Землей? - задался я вопросом... ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между... Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам... Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:
|