WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Далее рассмотрены подходы к интеграции молекулярных функциональных элементов, показана перспективность использования процессов самоупорядочивания. В частности, сделан вывод о том, что для реализации первых гибридных молекулярно-твёрдотельных интегральных схем достаточно решить задачу увеличения площади бездефектного самоупорядоченного монослоя до возможностей промышленной литографии. Поскольку в свете последних успехов технологии молекулярного импринтинга следует ожидать существенного расширения возможностей промышленной литографии, то указанная задача может получить решение уже в ближайшее время.

В заключительной части рассматриваются схемотехнические архитектуры, оптимизированные под специфику молекулярной элементной базы. К таким архитектурам относятся квантово-точечные клеточные автоматы, коммутированные массивы и архитектура NanoCell. Приводятся основные достоинства и недостатки указанных архитектур.

Во второй главе представлены общие сведения о эпоксидиановой смоле, обсуждается экспериментальная работа В.К.

Неволина 1989 года, согласно которой молекулы эпоксидиановой смолы, находясь в условиях электрического поля туннельного зазора, способны образовывать упорядоченные пространственные структуры, приведены результаты численного моделирования молекулы эпоксидиановой смолы, результаты по экспериментальному исследованию условий организации молекулярных проводников в матрице эпоксидиановой смолы, результаты исследования различных типов туннельных зондов по критерию выполнения условий формирования молекулярного проводника, описывается метод измерения сопротивления единичного молекулярного проводника, рассматриваются экспериментальные свидетельства осуществления в молекулярных проводниках баллистического электронного транспорта.

Численное моделирование электронной структуры и дипольных свойств молекулы эпоксидиановой смолы было осуществлено средствами пакета программ Chem3D. В результате моделирования были рассчитаны следующие основные свойства молекулы (степень полимеризации молекулы равна двум). Длина молекулы составляет 3,94 нм, собственный дипольный момент равен нулю, наибольшее значение диагонального тензора поляризуемости составляет 1113 а.е.

(рис. 1).

Рис. 1. Шаростержневая модель молекулы эпоксидиановой смолы На основе Ван-дер-Ваальсовой поверхности получена модель АСМ изображения молекулы (рис. 2).

Рис. 2. Модель АСМ изображения молекулы эпоксидиановой смолы, (соответствует радиусу закругления зонда 0,1 нм) Согласно результатам расчёта молекулярных орбиталей, верхние занятые орбитали относятся к -типу и достаточно близки по энергиям (энергетический зазор между соседними орбиталями составил ~0,1 эВ, что, судя по косвенным признакам, близко к величине погрешности используемой модели). На рис. 3 в качестве примера приведено изображение HOMO-1 (орбиталь расположенная на уровень ниже наивысшей занятой).

Рис. 3. HOMO-1 орбиталь молекулы эпоксидиановой смолы (молекула представлена при помощи проволочной модели; видна часть молекулы) Было обнаружено, что -орбитали молекулы характеризуются значительной делокализацией, охватывающей бензольные кольца и концевые эпокси-группы. Высказано предположение, что в случае, если данные эпокси-группы будут находиться в ковалентной связи с металлическими электродами, возможно перекрытие электронных облаков молекулы с решёткой металла.

Показано, что присоединение к эпокси-группе молекулы трёхатомного кластера меди приводит к значительной реконфигурации молекулярных орбиталей. Энергия последней занятой орбитали (HOMO) поднимается с -8,1 эВ до -6,0 эВ, энергия 2-х нижних свободных орбиталей (LUMO и LUMO-1) падает c -0,85 и -0,7 до -3,1 и -2,2 эВ соответственно, при этом делокализация указанных -орбиталей дополнительно увеличивается и захватывает присоединённый металлический кластер. Таким образом, растёт как вероятность инжекции электронов на свободные LUMO-орбитали, так и вероятность сброса электронов с занятых HOMO-орбиталей в зону проводимости металла (т.е. вероятность инжекции дырок). На рис. 4 в качестве примера приведена HOMO-орбиталь системы молекула – кластер.

Рис. 4. HOMO-орбиталь молекулы связанной с трёхатомным кластером меди (связь осуществлена через левую эпокси-группу) На основании полученного значения поляризуемости молекулы эпоксидиановой смолы и условия подавления внешним электрическим полем вращательных степеней свободы молекул, осуществлён расчёт величины критического поля формирования молекулярного проводника. Данная величина составила порядка 3107 В/м, что совпало с экспериментальными значениями, полученными как для дискретного молекулярного проводника, сформированного между туннельным зондом и подложкой, так и для композитного материала (гл. 4).

Посредством варьирования величины туннельного зазора и геометрии зонда показано, что кроме условия достаточной напряженности электрического поля существует также условие достаточной локализации этого поля вдоль оси формируемого проводника. В неоднородном поле поляризованные молекулы матрицы испытывают как ориентацию вдоль силовых линий, так и смещение в направлении градиента поля. Поэтому, если поле организовано таким образом, что его градиент направлен к некоторой оси, то молекулам будет энергетически выгодно выстраиваться на этой оси. После того как это произойдёт, диполь-дипольное взаимодействие молекул друг с другом обеспечит формирование молекулярного проводника.

По результатам исследования туннельных зондов двух типов – вольфрамовых, приготовленных методом электрохимического травления, и платино-иридиевых, приготовленных механическим методом, предложены зонды гибридного типа, объединяющие преимущества W и Pt/Ir-зондов. А именно: воспроизводимые малый радиус закругления (разработанная методика обеспечивала r 60 нм) и большое аспектное соотношение W-зондов, отсутствие поверхностных окислов и наличие выступающей группы атомов у Pt/Ir-зондов.

Приготовление гибридных зондов основано на формировании средствами одноточечной туннельной установки металлического наномениска между W – зондом и Pt/Ir-подложкой, с последующим вытягиванием и разрывом данного мениска (вытягивание мениска осуществляется в условиях проходящего по нему электрического тока определённой величины). Показано, что данные гибридные туннельные зонды в наибольшей степени отвечают задаче формирования молекулярных проводников (в частности, длина формируемых проводников достигала 600 нм). Также было отмечено, что все зонды, прошедшие вышеописанную операцию, радикально увеличивали свою разрешающую способность в СТМ, вплоть до атомного разрешения на высокоориентированном пирографите.

Представлены три типа свидетельств осуществления в молекулярных проводниках баллистического транспорта электронов.

Данные свидетельства основаны на предельном токе единичного молекулярного проводника, величине его сопротивления и зависимости сопротивления от длины.

В описание метода измерения сопротивления единичного молекулярного проводника входят следующие основные особенности.

Отверждение полимерной матрицы практически не влияло на величину проводимости исследуемых структур и позволяло получать стабильные молекулярные проводники, поскольку исключалось их разрушение тепловым движением молекул и дрейфом электродов. Кроме того, становилась возможной контролируемая механическая деформация проводников, посредством объемного расширения матрицы при ее нагреве. По мере расширения отвержденной матрицы электроды молекулярного проводника испытывают смещения относительно друг друга. При достижении определенной температуры матрицы на временных зависимостях наблюдалась серия спонтанных ступенчатых переключений сопротивления структуры, последовательно переводящих ее из низкоомного состояния в высокоомное (рис. 5).

Характерные особенности переключений согласуются с предполагаемым механизмом формирования молекулярного проводника из совокупности параллельных молекулярных цепочек (единичных молекулярных проводников), поочередное включение и выключение которых обуславливает наблюдаемые ступенчатые изменения сопротивления. Каждая ступенька, таким образом, несет информацию о вкладе в общую проводимость структуры соответствующей молекулярной цепочки (или группы цепочек, если переключение было коллективным).

(б) (а) Рис. 5. (а) Пример осциллограмм напряжения измерительной диагонали моста при критической температуре (исходная температура 294,8 К, критическая температура 299,2 К); масштаб по оси времени – 1 мс/деление; по оси напряжений – мВ/дел; (б) Внешний вид структуры, содержащей молекулярный проводник Анализ переключений сопротивления молекулярного проводника показал, что по мере расширения полимерной матрицы существует диапазон состояний, в котором величины этих переключений являются делителями некоторой общей величины, значение которой составило около 13 кОм (среднее отклонение от кратности составило около 15%). Данная величина может быть интерпретирована как сопротивление одной молекулярной цепочки.

За пределами указанного диапазона состояний имели место следующие особенности. На низкоомном этапе переключения сопротивления, когда общее количество проводящих молекулярных цепочек ещё велико, и относительный вклад отдельных цепочек незначителен, имеющаяся погрешность измерения не позволяла однозначно определить для величин переключений общее делимое. В то время как на высокоомном этапе наблюдалось увеличение значения общего делимого по мере расширения полимерной матрицы. Такое поведение может быть обусловлено деформацией переключаемых молекулярных цепочек со стороны расширяющейся матрицы.

Пропускание электрического тока высокой плотности через структуру позволяет осуществлять нагрев отдельных слоев матрицы, расположенных в непосредственной близости к электродам, что локализует воздействие на молекулярные цепочки и уменьшает их деформацию. В экспериментах, проведенных по данной методике, величина общего делимого также составила около 13 кОм, среднее отклонение от кратности снизилось до 8%, а кроме того, уменьшилось минимальное количество одновременно переключаемых молекулярных цепочек, которое достигло 3-х штук.

Таким образом, было показано, что сопротивление единичного молекулярного проводника в его исходном, недеформированном состоянии соответствует кванту сопротивления Rq = h/2e2 12,9 кОм.

Показано, что баллистическая природа проводимости подтверждается также экспериментами по определению величины предельного тока структуры, которая составила 200-300 мА. Оценки, проведенные на основе данной величины, показывают, с запасом на несколько порядков, что область диссипации энергии электронами пространственно разнесена с молекулярным проводником и находится в металлических электродах. Количество параллельных молекулярных цепочек, составляющих молекулярный проводник, рассчитанное из соотношения сопротивления одной цепочки и сопротивления всей структуры, составило 2-3 тыс. цепочек, что совпало с результатом оценки количества цепочек на основе соотношения радиуса закругления зонда и поперечного размера молекулы эпоксидиановой смолы.

Предельный ток одной молекулярной цепочки составил порядка 100 мкА. Данная величина совпала с предельным током коротких однослойных углеродных нанотрубок, проводимость которых также относят к баллистическому типу. Данное обстоятельство свидетельствует об общности механизмов нарушения условий баллистического транспорта в различных по природе 1D проводниках при сверхкритических токах.

Описаны эксперименты по наблюдению сопротивления структуры в процессе наращивания ее молекулярного проводника в неотвержденной эпоксидиановой матрице. В них неоднократно наблюдалось отсутствие изменения сопротивления (с точностью до единиц процентов) при увеличении длины проводника от единиц до сотен нанометров, что подтверждает отсутствие рассеяния в молекулярных цепочках в рассматриваемых пределах их длин.

В третьей главе представлены результаты исследования планарных молекулярных проводников, сформированных между ориентированными углеродными нанотрубками.

Формулируется содержание проблемы перехода от молекулярного проводника между туннельным зондом и подложкой, к проводнику между предварительно сформированными планарными электродами. Поскольку для формирования молекулярного проводника в полимерной матрице требуется электрическое поле определенной конфигурации, то первостепенную роль играет геометрия электродов. В случае зонда и подложки их геометрия обеспечивала требуемую локализацию электрического поля для зазоров, не превышающих нескольких нанометров, поэтому для формирования более протяженных молекулярных проводников требовался постепенный отвод зонда.

Показано, что использование в качестве планарных электродов углеродных нанотрубок, обладающих нанометрвыми размерами поперечного сечения и высоким аспектным соотношением, позволяет получать молекулярные проводники в предварительно сформированных зазорах протяженностью как минимум до 400 нм.

Отмечено, что в общем случае использование углеродных нанотрубок в качестве электродов целесообразно также в силу их высокого структурного совершенства, обеспечивающего с одной стороны малый разброс параметров химических или физических связей, образуемых с исследуемыми молекулами, а с другой стороны – высокую электрическую эффективность нанотрубных электродов.

Описывается методика получения структур с электродами на основе ориентированных углеродных нанотрубок, включающая следующие основные шаги: нанесение углеродных нанотрубок на проводящие дорожки, расположенные на диэлектрической подложке;

разрезание нанотрубок в области диэлектрика посредством локального анодного окисления (ЛАО), инициируемого зондом атомно-силового микроскопа (АСМ), либо посредством травления фокусированным ионным пучком (ФИП). Исходные нанотрубки разделяются таким образом на две взаимно ориентированные части (рис. 6).

(а) Рис. 6. Разрезание нанотрубок (б) средствами АСМ (а) и средствами ФИП (б) Приводятся следующие выявленные закономерности процесса модификации углеродных нанотрубок (УНТ). В случае ЛАО величина критического напряжения окисления демонстрировало чувствительность к тому, находятся ли модифицируемые нанотрубки в одиночном состоянии или объединены в пучок. В обоих случаях на зонд подавались импульсы отрицательного потенциала амплитудой от –6 до –10 В и длительностью до 100 мс. Количество требуемых импульсов возрастало по мере увеличения диаметра пучка.

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»