K donelaitis metai vasaros darbai
5 (100%) 1 vote

K donelaitis metai vasaros darbai

Molekulinė elektronika

Gilėjant mūsų supratimui apie molekulių gebėjimą pernešti elektros krūvį bei jų sąveiką su makropasauliu, vis labiau panaudojamos jų savybės ir kuriami nauji prietaisai

Įsivaizduokite iš molekulių sudarytą judesio perdavimo mechanizmą: molekulės susižadina ir pradeda osciliuoti viena kitos atžvilgiu, netekusios ar papildomai prisijungusios vieną vienintelį elektroną1; arba domino tvarka išsidėsčiusių molekulių rinkinį, kuris ims pulsuoti iš anksto numatyta tvarka, jei mechaniškai išvesime iš pusiausvyros vieną „domino kauliuko“ akį2. Be to, įsivaizduokite nanolaiduką: bent vieno atomo buvimas ar nebuvimas valdo jo elektrinį laidumą3, o laidumo mechanizmai kuriami biomolekulinio atpažinimo procesais4. Čia aprašytais molekulių elgsenos epizodais grindžiamas mechaninis molekulių perjungimas (jo naudojantis galima kurti laisvosios kreipties atminties grandines), molekuliniai-mechaniniai trijų įvadų loginiai rūšiavimo įrenginiai, vienmolekuliniai elektriniu ar magnetiniu lauku valdomi jungikliai ir viengubos spiralės DNR laidukai, kurie „įjungiami“, kai DNR molekulė įgauna dvigubos spiralės formą. Šie ir daug kitų molekulinių darinių yra pagrindiniai sparčiai besivystančios molekulinės elektronikos „personažai“.

Molekulinės medžiagos elektroninių prietaisų technologijai niekad nebuvo labai svarbios. Prieš dešimt metų jų cheminės savybės buvo ribotai panaudojamos (pvz., silanų (SixHy) ir germanų (GexHy) molekulės – kaip pirminės plonųjų puslaidininkinių sluoksnių medžiagos, ėsdiklių komponentai, rezistų žaliavos, apsauginės medžiagos ir pan.). Visa elektronikos pramonės esmė buvo dielektrikų, puslaidininkių ir metalų darinių gamyba, o fundamentalios žinios, paskatinusios kurti integrinius grandynus, buvo sukauptos dvidešimtojo amžiaus viduryje, kai buvo sukurti kietojo kūno fizikos pagrindai. 1 pav. Molekulinės elektronikos prietaisai.

(a)Šioje fotonuotraukoje pavaizduotas 64 sandūrų molekulinių grandinių rinkinys, suformuotas naudojant laidukų mikroįspaudų technologiją ir molekulių cheminį susiformavimą. Molekulių ir elektrodų sandūros sudarytos laidukų susikirtime. (b) Vienos iš molekulinės elektronikos grandinių, kuri galėtų būti naudojama kaip laisvosios kreipties atminties grandinė arba kaip loginės ir atminties grandinių derinys, mikronuotrauka. Šiose grandinėse naudojamos molekulės yra dviejų stabilių padėčių.

Per pastarąjį dešimtmetį elektronikos pramonės vaizdas iš esmės nepasikeitė. Tiesa, atsirado laidūs polimerai, bet plataus pritaikymo jiems kol kas nerasta. Tačiau manoma, kad per artimiausius 10-20 metų dėmesys molekulėms nuolat didės. Jos tyrėjus domins ne tik kaip medžiagos, kurias galima panaudoti tradicinėje elektronikoje, bet ir kaip aktyviųjų elektronikos prietaisų komponentai (žr. 1 pav.). Be abejo, šio teiginio negalima laikyti savaime suprantama išvada, bet nenuslėpsi ir to fakto, kad jau dabar šioje srityje pasiekta svarių laimėjimų, kurie ateityje dar labiau skatins molekulinės elektronikos vystymąsi.

Pažvelkime į elektroniniu mikroskopu darytą nuotrauką 2 pav. Čia pavaizduota nanolaidukų5 gardelė; laiduko skersmuo – 5 nm, gardelės konstanta – 15 nm. Įsivaizduokite, kad tokią gardelę reikėtų suformuoti iš silicio. Nesigilindami į technologijos detales, įvertinkime tokių matmenų dviejų silicio takelių sandūros ypatybes. Paprastai silicio legiruojančių priemaišų (boro ar arseno) koncentracija siekia 1018 cm-3, taigi 5 nm skersmens ir 1 mm ilgio Si segmentuose būtų vos 15-20 priemaišinių atomų, o dviejų kryžmiškų Si takelių sandūroje – vidutiniškai 0,1 priemaišinio atomo. Akivaizdu, kad tokio legiravimo lygio lauko tranzistoriai būtų nenuspėjamo veikimo. Maža to, pagaminti tokių matmenų darinius iš tradicinių elektroninių medžiagų, esant dabartiniam technologijos lygiui, nėra įmanoma6. Jei projektuojamo darinio matmenys „susitrauktų“ iki kelių dešimčių kvadratinių nanometrų, tinkamesnio „pretendento“ į šį darinį už molekulę nerastume dėl jos dydžio, gebėjimo savo atomais valdyti fizines darinio savybes ir dėl jos savybių įvairovės – perjungimo, dinaminio susiformavimo ir cheminio atpažinimo. 2 pav. Nanolaidukų, kurių kiekvienas yra apie 5 nm skersmens, rinkinys. Gardelės konstanta yra apie 15 nm. Kietojo kūno prietaisams svarbūs medžiagų parametrai, tokie kaip vidutinė priemaišinių atomų koncentracija, šiems nanometrinių matmenų tūriams neturi prasmės. Nepaisant to, tokių matmenų molekulių savybių cheminio valdymo metodai yra gerai ištyrinėti.

Nors molekulinė elektronika kaip tyrimų objektas atsirado visai neseniai, per pastaruosius kelerius metus cheminės sintezės bei kvantinės chemijos specialistai, fizikai, inžinieriai bei kitų sričių specialistai šią tyrimo sritį smarkiai praplėtė. Buvo sukurtos naujos tyrimo priemonės, ištirti nauji molekuliniai-elektroniniai dariniai, perprasti šių prietaisų kūrimo principai. Plėtojamas ir fundamentalusis mokslas, kuris bus teorinis molekulinės elektronikos pagrindas, o ir pats mokslas bei jo taikymo galimybės yra gundančiai įdomios. Šiuo metu iš molekulių bandoma kurti: jungiklius, srovės lygintuvus, tranzistorius, netiesinius elementus, dielektrikus; jas siekiama panaudoti fotovoltiniams bei
atminties efektams. Skaitytojams siūlome susipažinti su išsamiais šios srities apžvalginiais darbais7. Šiame straipsnyje apžvelgsime dabartinę molekulinės elektronikos padėtį, akcentuodami molekulės sandaros ir jos elektrinio laidumo ryšį bei molekulinių darinių panaudojimą kompiuterijoje.

Kodėl molekulinė elektronika?

Iš esmės visi elektriniai procesai, vykstantys gyvųjų organizmų ląstelėse, prasideda nuo molekulių ir jų darinių – ar tai būtų fotosintezė, ar ląstelių transdukcija. Elektronikos užduotims plėtoti molekulės gali būti panaudotos dėl šių pagrindinių privalumų:

• Dydžio. Molekulių matmenys kinta nuo 1 iki 100 nm – didelis pasirinkimas nanodariniams formuoti. Manoma, kad pastarieji būtų pigūs, efektyvūs ir ekonomiški.

• Gebėjimo susiformuoti ir atpažinti kitą molekulę. Kuriant prietaisus, galima pasinaudoti specifine molekulių vidaus sąveikos savybe susiformuoti į nanometrinių matmenų darinius. Molekulinis atpažinimas gali būti panaudotas suteikiant molekulei galimybę atlikti jungiklio ir jutiklio funkcijas.

• Dinaminės stereochemijos. Daugelis molekulių egzistuoja skirtingomis, bet stabiliomis geometrinėmis struktūromis arba izomerais (3d pav. pavaizduota tokios medžiagos – rotaksano – molekulė. Jos stačiakampis slankiojantis junginys išilgai molekulės turi dvi stabilias cheminio ryšio padėtis). Tokie geometriniai izomerai gali turėti skirtingas optines ir elektrines savybes. Pavyzdžiui, retinolio molekulės izomerai, šviesos veikiami, persijungia iš vienos stabilios padėties į kitą ir generuoja elektrinį impulsą. Tokia molekulių savybė praverstų vaizdo jutikliams kurti. 3 pav. Krūvio pernašą valdančiųjų molekulinių sandūrų pavyzdžiai.

Viršutinėje eilėje pavaizduotos įvairių lokalizuotų žemos energijos orbitalių (spalvotieji taškai) molekulės, jungiančios du elektrodus L (kairė) ir R (dešinė). Vidurinėje eilėje juodomis linijomis parodyti neperturbuoti elektrodų energijos lygmenys, raudonomis linijomis – molekulės energijos lygmenys esant prijungtajam elektriniam laukui. Apatinėje eilėje pavaizduoti atitinkami molekuliniai dariniai. (a) Tiesinė grandinė – alkanas. (b) Donoras-jungė-akceptorius (donor-bridge-acceptor) – DBA molekulė. Atstumas tarp donoro ir akceptoriaus – l, akceptoriaus ir jungės energijų skirtumas – EB. (c) Molekulinė kvantinio taško sistema. Krūvio pernašos pobūdį lemia vienintelis molekulės metalo atomas. (d) Kelių skirtingų funkcinių grupių organinė molekulė, jungianti du elektrodus. Išilgai pavaizduotos rotaksano molekulės yra daug lokalizuotų molekulinių mazgų. Du iš šių mazgų (pavaizduoti raudonai ir žaliai) sudaro sąlygas stabiliai prisijungti slankiojančiam stačiakampiam molekuliniam junginiui (mėlynos spalvos). Kitas elektrodus jungiančios sudėtingos molekulės pavyzdys būtų trumpa DNR grandinė.

• Įvairių molekulinės sintezės priemonių. Keisdami molekulių sudėtį ir geometriją, galime plačiu diapazonu valdyti jų pernašos bei optines savybes, keisti cheminį ryšį bei sandarą. Šiuo metu molekulių sintezės priemonės yra labai išvystytos.

Tačiau molekulės turi ir trūkumų. Bene didžiausias iš jų – nepatvarumas aukštesnėse temperatūrose. Bet nepaisant to, molekulės idealiai tinka elektronikos reikmėms. Apie tai savo garsiajame pranešime „Pačiame dugne – daug erdvės“ dar 1959 m. kalbėjo Richardas Feynmanas.

Molekulių krūvio pernašos mechanizmai

Molekulių sintezė ir jų sandara paprastai tiriama tirpaluose. Dešimtmečius trukusius tiriamuosius darbus vainikavo pusiau intuityvūs modeliai, kuriais mokslininkai vadovaujasi, sintezės metu valdydami molekulių fizines savybes. Pagrindinis molekulinės elektronikos uždavinys – šiuos intuityviuosius „tirpalo“ modelius perkelti į kietojo kūno prietaisus. Kai kurie molekulių dariniai buvo sukurti, pritaikant tirpalams sukurtus molekulės elektronų pernašos modelius kietojo kūno molekulinei sandūrai.

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 1282 žodžiai iš 4273 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.