Современная электроника №7/2023

СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ 14 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 7 / 2023 Одномолекулярные аналоги электронных компонентов Часть 1. Перенос заряда через одну молекулу В предыдущих номерах журнала была напечатана первая часть ознакомительного цикла публикаций « Квантовые электронные компоненты », посвящённая квантовым транзисторам . Данная статья знакомит читателей с другим широким классом наноэлектроники – одномолекулярными устройствами (single molecules device – SMD), которые основаны на свойствах органических молекул с двумя внешними электродами проводить туннельный ток . Разнообразие , универсальность , возможность контроля и манипулирования делают проводящие органические молекулы потенциально важными компонентами наноэлектронных устройств . Сегодня разработка молекулярных полупроводниковых устройств является одним из наиболее перспективных направлений в микроэлектронике . В то же время существует ряд серьёзных проблем , возникающих на пути к реальным технологическим приложениям . Прежде всего , эти трудности связаны с необходимостью конструировать , контролировать и манипулировать небольшими молекулярными структурами с высокой степенью надёжности и воспроизводимости . Виктор Алексеев 1. Введение Одномолекулярные устройства (single molecules device – SMD) пред - ставляют собой особый тип устройств , которые состоят из одной молекулы , а не из традиционных полупроводни - ковых материалов . Теоретически эти сверхкомпактные устройства могут работать с беспрецедентной скоростью и эффективностью . Первые разработки « одномолекуляр - ных полупроводниковых устройств » относятся к началу 1970- х . Отправной точкой этих исследований был поиск ответов на вопросы , как именно элек - трон в молекуле переходит с орбиты на орбиту и нельзя ли попытаться управ - лять этим процессом . Американские химики из Универси - тета Нью - Йорка Арье Авирам и Марк Ратнер в статье « Молекулярные выпря - мители », опубликованной в журнале «Chemical Physics Letters» в 1974 году , впервые предложили концепцию выпрямителя , состоящего из органи - ческой молекулы с двумя выводами для подключения внешних устройств . Таким образом , впервые было пока - зано , что органическая молекула в такой конструкции может работать как выпрямительный диод [1]. Кроме того , в этой статье , которая считается базовой в новом направле - нии «molecular electronics», были рас - смотрены также проблемы , связанные с синтезом молекул с заданными элек - тронными свойствами . Концепция молекулярных устройств , представленная в этой статье , приве - ла к разработке множества различных типов электронных молекулярных сое - динений и устройств , таких , например , как переключатели , выпрямители и активные сенсоры . В настоящее время разработка молекулярных полупрово - дниковых устройств является одним из наиболее перспективных направлений исследований в современной микро - электронике . Молекулярная электроника зароди - лась на стыке физики и химии , объеди - нив физическое понимание переноса заряда с инновационными химически - ми процессами и технологиями , позво - ляющими получать молекулы с самы - ми разнообразными свойствами . По существу , молекулы в настоящее время являются единственными наи - меньшими элементами , которые могут быть синтезированы с предваритель - но заданными физико - химическими параметрами . Кроме того , молекулы являются идеальным вариантом стан - дарта определённого вещества , гаран - тированного самой природой . Все молекулы одной и той же формулы имеют абсолютно одинаковые харак - теристики . По крайней мере , так счи - тает современная наука . С этой точки зрения молекулы могут служить иде - альным базовым материалом для соз - дания высокоточных нанополупровод - никовых устройств , предназначенных для массового производства ( рис . 1). Производительность одномолеку - лярного устройства зависит от его способности управлять потоком элек - тронов через молекулу , чего можно достичь , манипулируя химической структурой молекулы . На электронные свойства молекулы , в том числе на её способность прово - дить электричество , прежде всего , ока - зывают влияние функциональные группы , представляющие собой опре - делённые атомы или группы атомов , присоединённые к молекуле и отве - чающие за её химические свойства . Поэтому разработка одномолекуляр - ных устройств подразумевает измене - ние химической структуры молекулы путём добавления или удаления функ - циональных групп , необходимых для управления её электронными свой - ствами . Одной из основных проблем SMD является их стабильность . Молекулы Рис . 1. Молекулы могут служить идеальным базовым материалом для создания высокоточных нанополупроводниковых устройств [2]