Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Молекулярные и супрамолекулярные переключатели





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.

 

Рис. 20.13.Схема управления процессом переключения азобензола посредством фотоизомеризации (верх рисунка) и элект­рохимии (низ рисунка), позволяющая реа­лизовать двухрежимный переключатель.

Рис. 20.12. Схематическое представление элементов молекулярного переключателя. Внешнее воздействие S1 изменяет состояние молекулы из 0 в 1, a S2 возвращает молекулу в состояние 0.  

 

 


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-

Рис. 20.16.Иллюстрация способного к пе­реключению катенана, изменяющего кон-формацию при приложении напряжения, которое вызывает окисление (—е-) от верх­него (• •) изомерного состояния к нижнему (•), и восстановление (+е-) для обратного превращения.

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.

 

Рис. 20.17.Вольтамперные характеристики октантиолового монослоя на золотой под­ложке, полученные с помощью покрытого золотом STM-острия. В действительности были получены пять кривых, но показаны только две из них: самая нижняя (—) и са­мая верхняя (—). Сплошная кривая соот­ветствует четырехкратному увеличению тока по сравнению с штриховой базисной кривой.

 

 

Рис. 20.18.Схема электронного переклю­чателя, выполненного на проводящей мо­лекуле, прикрепленной концами к золо­тым электродам. Первоначально молекула является непроводящей, но при достиже­нии напряжением значения, достаточного для добавления к молекуле электрона с электрода, она становится проводящей. Дальнейшее увеличение напряжения опять делает ее непроводящей из-за добавления второго электрона.
Рис. 20.19.Вольтамперные характеристики электронного переключателя, изображен­ного на рис. 20.18.

 

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 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.

       
   
 
Рис. 20.22.Вольтамперные характеристики молекулярного переключателя, изобра­женного на рис. 20.21.
 

 







ЧТО И КАК ПИСАЛИ О МОДЕ В ЖУРНАЛАХ НАЧАЛА XX ВЕКА Первый номер журнала «Аполлон» за 1909 г. начинался, по сути, с программного заявления редакции журнала...

Живите по правилу: МАЛО ЛИ ЧТО НА СВЕТЕ СУЩЕСТВУЕТ? Я неслучайно подчеркиваю, что место в голове ограничено, а информации вокруг много, и что ваше право...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2024 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.