Общие сведения о молекулярной электронике

Под молекулярной электроникой, в широком смысле этого термина, следует понимать научное направление, которое решает те же задачи, что и традиционная электроника, но при этом использует принципы молекулярного конструирования. В молекулярной электронике в настоящее время наметились два разных направления. Первое представляет собой органическую электронику – прикладную область исследований, направленную на создание молекулярных материалов для электроники, которые далее используются для создания электронных устройств, функционирующих на основе известных свойств p–n-перехода.

Второе направление представляет собой молекулярную электронику в узком смысле этого термина – область фундаментальных исследований, направленных на поиск новых принципов обработки информации с использованием отдельных молекул или их фрагментов, в том числе реализация аналога p–n-перехода или транзистора на основе отдельной молекулы. Сложными задачами здесь являются как создание отдельных молекулярных элементов, типа диодов и транзисторов, так и сборка этих элементов в функциональные устройства типа интегральных схем. В этом направлении наметился определенный прогресс, который связывают с возможностями конструирования наночастиц различной структуры, с помощью которых можно осуществлять сборку отдельных молекулярных устройств и соединять их между собой.

В качестве таких соединительных элементов могут быть использованы металлические или полупроводниковые квантовые точки, квантовые проволоки, наночастицы в форме стержней, углеродные нанотрубки, графеновые структуры. Другой не менее интересной альтернативой является молекулярная самосборка, на которой основана принципиальная возможность функционирования живой материи. В самых общих чертах идея состоит в том, чтобы заменить планарную технологию производства интегральных микросхем на принципиально новую технологию, подобную биосинтезу белков, использующую приемы матричного копирования, матричного кодирования и самосборки отдельных молекулярных блоков в протяженные 1D-, 2D- или 3D-структуры. Это направление можно условно назвать биомолекулярной электроникой.

Органическая электроника предлагает весьма привлекательную и, самое главное, дешевую альтернативу кремниевым полупроводниковым материалам при разработке транзисторов и интегральных схем, светоизлучающих диодов, солнечных батарей и фотодетекторов, хемосенсорных устройств. Суть в том, что в органической электронике также используются три типа материалов: диэлектрические, полупроводниковые и металлические, но если традиционная электроника берет в качестве диэлектрика окись кремния, в качестве полупроводника легированный кремний и в качестве металлического проводника медь, алюминий, золото, серебро и т. д., то в органической электронике все эти три типа материалов (диэлектрик, полупроводник, металл) получают путем химического «конструирования» органических молекул на основе углерода. Принципиальная возможность такого широкого варьирования электрических (и магнитных) свойств органических материалов основана на том, что, благодаря уникальной особенности электронной структуры атома углерода, существует более миллиона природных и искусственных молекулярных соединений, в то время как на основе кремния, в силу той же особенности его электронного строения, едва ли можно насчитать несколько десятков индивидуальных молекул. Важность развития данного научного направления была подтверждена присуждением Нобелевской премии по химии в 2000 году А. Хиигеру, А. МакДиармиду и Х. Ширакава за создание проводящих полимеров.

Как оказалось, электрофизические характеристики органических материалов ненамного уступают неорганическим. В частности, проводимость некоторых сопряженных полимеров (например, полиацетилена) находится на уровне серебра и меди. Несколько хуже дело обстоит с подвижностью носителей зарядов, она едва приближается к подвижности носителей в кремнии. Для создания проводящих органических материалов нужно было решить две проблемы. Во-первых, это формирование делокализованных электронных состояний, энергетических зон или уровней переноса; во-вторых, достижение высоких концентраций свободных носителей заряда.

Первая задача была решена путем синтеза полисопряженных систем, в том числе полисопряженных полимеров, а вторая задача – путем введения низкомолекулярных допантов – модифицирующих добавок, играющих роль, аналогичную роли легирующих примесей в кремнии. Отличие состоит в том, что легирующие примеси создают донорные или акцепторные уровни в запрещенной зоне кремния, а допанты приводят к изменению энергетического спектра за счет изменения собственных электронных состояний органического проводника. При этом возникают новые поляронные, биполяронные, солитонные состояния, которые определяют транспорт зарядов. Благодаря тому, что эти состояния формируются на молекулярном уровне, т. е. на масштабе размеров порядка 1 нм, в органических проводниках отсутствуют присущие кремнию ограничительные размерные эффекты – камень преткновения для развития кремниевой электроники. Неоспоримое преимущество органических материалов – простая и дешевая технология производства электронных устройств на их основе.