Введение. 10 страница

Весьма перспективными являются полимерные сегнетоэлектрические пленки, нанесенные на поверхность кремния. Пленки наносятся методом литья из раствора винилиденфторида CH2-CF2 и трифторэтилена CH2-F2-CHF-CF2 в ацетоне с последующим осаждением при температуре + 20...22 °С. Толщина пленок лежит в пределах от 6 до 20 мкм.

На пересечении информационных полей электрических и магнитных свойств диэлектриков (см. Рисунок - 7.2) располагаются сегнетомагнитные кристаллы. Отличительной особен­ностью структуры сегнетоэлектриков является сосуществующие магнитная и электрическая взаимопроникающие решетки. Они образованы частицами, несущими электрические и магнитные дипольные моменты.

В диэлектриках этого класса обнаружен магнитоэлектрический эффект. Его сущность состоит в том, что в веществах определенной симметрии при наложении электрического поля появляется намагниченность, пропорциональная полю, и при приложении магнитно­го поля появляется электрическая составляющая, пропорциональная полю.

Сегнетомагнетики перспективны для устройств функциональной электроники второго поколения, где возможна интеграция эффектов и явлений за счет присутствия в среде спонтанной поляризации Рs и спонтанной намагниченности Ms. К сегнетомагнетикам прежде всего относятся перовскитные соединения типа ферровольфрамат [Pb(Fe2/3W1/3)O₃] и феррониобат свинца [Pb(Fe1/2Nb1/2)O₃], а также феррит висмута (BiFeO₃), ренийсодержащие перовскиты (Sr₂CoRe0₆, SrNiReO₆), сегнетомагнитные борациды (Mg₃B₇O₃Cl) и т. п.

Континуальные среды, соответствующие ячейкам информационного поля с координатами 1.1—4.1, 1.3—4.1, 1.3—4.3, 1.1—4.3 (см. Рисунок - 3.2), обладают магнитострикционными свойствами, а расположенные в информационном поле 2.1—4.1, 2.3—4.1, 2.1—4.3, 1.1- 4.3 — магнитокалорическими.

Менее изучены свойства континуальных сред на пересечении оптических взаимодействий с механическими, тепловыми, электрическими и магнитными.

В ячейках с координатами 1.2—5.1 и 1.2—5.2 среды обладают упругооптическим эф­фектом, с координатами 2.1—5.1 и 2.1—5.2 —термооптическим эффектом (см. Рисунок - 3.2).

Свойства сред, расположенных в ячейке 3.1—5.1, описываются эффектом Поккельса — n=f(E) и эффектом Керра – n=f(E2). Среды, обладающие фоторефрактивным эффек­том Dn=f(I), расположены в ячейках с координатами 5.1—5.3. Проведенный системный анализ диэлектрических континуальных сред позволяет более эффективно осуществлять их выбор для перспективных процессоров и запоминающих устройств.

7.1.3. Генераторы динамических неоднородностей

Генерирование динамических неоднородностей в диэлектрических континуальных средах осуществляется физическими полями. Динамические неоднородности в устройствах диэлектрической электроники, как правило, не перемещаются в континуальной среде. Информационный сигнал передается за счет изменения локальных физических свойств среды, прежде всего за счет локальных полей. При приложении электрического поля с помощью статических неоднородностей соответствующей конфигурации к сегнетоэлектрику в нем генерируется неоднородность в виде домена определенной поляризации. При приложении электромагнитного поля к сегнетоэлектрикам (например, KDP, ADP и др.) можно получить динамические неоднородности, изменяющие оптическую плотность сре­ды и способствующие линейному преобразованию падающего излучения. В любом слу­чае реализуется элемент конструкции -— генератор динамических неоднородностей.

7.1.4. Другие элементы приборов

В приборах и устройствах диэлектрической электроники управление динамическими неоднородностями, как правило, носит статический характер и осуществляется с помощью меняющихся физических полей, в зависимости от типа выбранной динамической неодно­родности.

Детектором динамических неоднородностей является, как правило, локальная область, изменяющая свои свойства под действием физических полей. Считывание информации можно осуществлять и сканирующим детектором. В этом случае имеет смысл говорить о распределенном детекторе.

7.2. Приборы и устройства функциональной диэлектрической электроники

7.2.1. Слоистые структуры

В приборах диэлектрической функциональной электроники используются, как правило, слоистые структуры. Слой активного диэлектрика применяется для хранения или обработки информации, а ввод и детектирование информации осуществляется в других слоях с соответствующими статическими неоднородностями.

Например, в структурах "сегнетоэлектрик—полупроводник" используется эффект поля. В этом случае свойства полупроводника определяются состоянием поляризации сегнетоэлектрика.

Если сегнетоэлектрик деполяризован (Р = 0), то на границе раздела "сегнетоэлектрик— полупроводник" n-типа нет изгиба зон (Рисунок - 3.4, а). Собственный уровень Ферми ЕСF представляет собой прямую линию, а основные носители смешаны в полупроводнике с неосновными. При поляризации сегнетоэлектрика (-Р) у границы раздела в полупровод­никовом слое образуется слой накопления основных носителей. Происходит изгиб зон, включая уровень Ферми, и при этом поверхностная плотность больше объемной плотно­сти (Рисунок - 7.4, б).

Если переполяризовать сегнетоэлектрик (+ Р) то у границы раздела в полупроводнике образуется слой обеднения основными носителями. Зоны изогнуться в противоположную сторону и поверхностная плотность будет меньше объемной плотности зарядов (Рисунок - 7.4, в).

В таких структурах информация, соответствующая одному из направлений вектора спон­танной поляризации, может быть считана по изменению поверхностного потенциала по­лупроводника. Время перезаписи информации определяется временем переполяризации.

В таких слоистых средах большое значение имеют электрические поля в сегнетоэлектриках. Поле спонтанной поляризации должно быть меньше коэрцитивного. В этом случае энергия переключения знака поляризации меньше затрачиваемой энергии. Одновременно должно соблюдаться условие, при котором уровень коэрцитивного поля меньше уровня электрического пробивного поля. Это условие позволит производить переполяризацию сегнетоэлектрика без его разрушения.

Управляемость поверхностным потенциалом полупроводника в структуре типа "металл – сегнетоэлектрик – полупроводник" (МСЭП-структура) существенным образом зависит от качества границы раздела, от фиксированного в сегнетоэлектрике заряда, заряда, захваченного на поверхностных состояниях QCЭ, и заряда, захваченного на поверхностных со­стояниях Qss

Рисунок - 7.4. Изменение свойств полупроводника при изменении поляризации сегнетоэлектрика

Весьма перспективной является структура "сегнетоэлектрик – фотополупроводник". Та­кая структура помещается между оптически прозрачными проводящими электродами. При локальном освещении полупроводника его сопротивление уменьшается, и все напряжение между проводящими электродами падает на слой сегнетоэлектрика. В освещенных областях сегнетоэлектрик переполяризуется. Возникающее пространственное распределение поляризации сегнетоэлектрика соответствует распределению освещенно­сти и позволяет осуществить оптическое считывание.

7.2.2. Устройства памяти

Использование диэлектрических материалов при создании запоминающих устройств весьма перспективно для создания новых приборов, характеризующихся энергонезависимостью, высоким выходным сигналом, устойчивостью к воздействию перегрузок и радиации. По функциональному назначению эти устройства близки к репрограммируемым полупроводниковым ЗУ (РПЗУ). Одними из первых устройств этого типа были сегнетоэлектрические ЗУ, изготовленные на поликристаллической сегнетокерамике типа цирко-ната-титаната свинца (PZT-керамика).

Запоминающее устройство изготовлялось на основе керамической пластины 2 в форме диска или прямоугольника, фрагмент которого изображен на рис, 3.5. Термическим на­пылением в вакууме на внешнюю поверхность наносились металлические электроды в форме секторов или прямоугольников 1. С другой стороны наклеивался сплошной элек­трод из латуни или инвара 3, который служил общим электродом и для еще одной пластины PZT-керамики 4 с сплошным электродом 5, присоединенной снизу. Такая слои­стая структура из двух типов сегнетоэлектриков с электродами между ними представляет собой твердотельную память на диэлектрике.

Рисунок - 7.5. Фрагмент устройства памяти на сегнетоэлектрической PZT-керамике

Первоначально сегнетоэлектрик имеет остаточную поляризацию, например, отрицательную, при которой вектор остаточной поляризации -Р2 направлен вниз. Этому состоянию памяти можно приписать хранение во всех разрядах информационных нулей. Это же со­стояние можно сформировать путем переполяризации секторов (разрядов) памяти, пода­вая отрицательный импульс напряжения с помощью коммутаторов 6 и 7.

Программирование запоминающего устройства происходит путем записи двоичной еди­ницы информации в соответствующий разряд памяти (+ Р2). С этой целью туда необхо­димо подать положительный импульс напряжения соответствующей комбинацией ком­мутаторов 6 и 8. Амплитуда и длительность положительного импульса определяется процессом локальной переполяризации сегнетокерамики. После снятия напряжения записи заданное направление поляризации сохраняется в силу гистерезисных свойств сегнетоке­рамики.

Процесс считывания двоичной информации основывается на пьезоэлектрических свойст­вах сегнетокерамики. Так, если к электродам 3 и 5 сегнетокерамики 4 приложить напря­жение с помощью коммутатора 9, то возникнет механическая деформация. Импульс де­формации от изгибающего элемента 4 пройдет через сегнетокерамику 2 и индуцирует на секторных электродах заряд, соответствующий ранее записанной двоичной информации. Этот заряд может быть считан как соответствующий ему потенциал с помощью коммута­тора 6 и, таким образом, расшифрована ранее записанная информация. Такая память на изгибающем элементе требует довольно больших входных сигналов (~ 15 В), способных вызвать значительные механические деформации и, соответственно, большие значения выходных сигналов (~ 2 В).

В процессе совершенствования конструкции сегнетокерамику 2 и 4 изготавливают из нескольких различных составов, с разными значениями коэрцитивной силы, что позволя­ет оптимизировать соотношения между амплитудами импульсов записи и считывания информации, выбирать резонансный или нерезонансный режим работы.

Такие достаточно надежные и помехоустойчивые устройства могут использоваться для задания времени срабатывания. Описанные ЗУ отличаются простотой в обращении, имеют малую стоимость, простую конструкцию, высокую радиационную стойкость. Со временем эта конструкция стимулировала развитие идеи создания пьезоэлектрической вычислительной среды (ПЭВС) с функциями запоминающих устройств. При этом использовалось два типа динамических неоднородностей — сегнетоэлектрические домены для хранения информации и акустические волны для обработки информации.

Важно отметить, что в этом случае решается принципиально новая технологическая задача: активная диэлектрическая континуальная среда в виде твердых тел заменяется аналогичной пленочной структурой. При этом необходимо воспроизвести сегнетоэлектрические свойства в тонких континуальных слоях. Сложность заключается в том, что физическая природа сегнетоэлектричества формируется дальнодействующими силами дипольного происхождения. Радиус действия таких сил определяется корреляционной длиной. В этом случае толщина слоев сегнетоэлектрика должна на порядок превышать корреляционную длину и составлять 100 - 500 нм. При этом необходимо достаточно точно воспроизвести стехиометрии трех-, четырех- и более компонентного состава. В этих пленках должны быть сохранены физические свойства объемного материала. При этом одновременно уменьшаются управляющие электрические и механические напряжения, оптические и акустические потери, улучшаются другие потребительские свойства.

Вопросы получения промышленных пленок сегнетоэлектриков являются специальной, технологической проблемой. Информационным значениям "0" или "1" соответствует раз­ность фаз считываемого сигнала в 2π, что соответствует направлениям поляризации + Р2 в отдельных ячейках памяти.

Разработанные пьезокеромпческие матрицы (ПКМ) функционируют на принципе импульсного или резонансного считывания информации и напоминают конструкцию, рассмотренную на рис 3.5.

Считывание информации происходит без ее разрушения с тактовой частотой до 1 МГц, определяемой временем переполяризации (~ 50 мкс). Допускается 106 - 108 циклов перезаписи информации. Разработаны интегральные ПКМ емкостью более 512 бит с напряжением перезаписи ~ 4В, работающие в интервале температур 80 - 200 °С, выдерживающие ударные нагрузки до 3x104 g и отличающиеся высокой радиационной стойкостью.

Следует отметить возможность увеличения на порядок плотности записи информации без увеличения числа ячеек памяти. В основе лежит физический принцип переключения поляризации из состояния - Р2 в состояние + Р2. Из-за отсутствия абсолютного порога переключения можно один бит информации, например "1", разложить на амплитудный многоуровневый аналоговый сигнал и воспользоваться законами многозначной логики. Так, в ПКМ достаточно легко обеспечить 20 уровней ± ∆Р2 во всем диапазоне ± Р2 с разрешением цифроаналогового преобразования 10-1 В. Одним из основных требований к сегнетоэлектрическим материалам таких ПКМ является обеспечение коэффициента прямоугольности петли диэлектрического гистерезиса 0,85 ≤КПР = Р2/ РS < 1.

Весьма перспективным материалом для ЗУ являются сегнетоэлектрические пленки на основе нитрата калия (КNО3). Они отличаются малым временем переключения ~ 10-9 с, высокой тактовой частотой ~ 108 Гц, малыми геометрическими размерами доменов, позволяющими получить размер ячейки ~ 20 мкм2 и, соответственно, достичь степени интеграции 108—1010 бит/см2. Емкостные элементы функциональной электроники нашли перспективное применение в устройствах памяти схемотехнической электроники.

Известно, что одним из существенных недостатков существующих схем памяти является отсутствие энергозависимости. Разработано несколько подходов к созданию энергонезависимых схем памяти. Лучший результат дает технология осаждения на поверхность тонкой пленки цирконата титаната свинца (ЦТС или РZТ), с помощью которой формируются сегнетоэлектрические конденсаторы. Такие конденсаторы соответствующим образом поляризуются и, имея высокое значение диэлектрической проницаемости (ε 1200), обеспечивают определенное состояние ЗУ при частом отключении питания.

Керамика цирконат титанат свинца (РZТ) обладает высоким удельным сопротивлением (изолятор), термической и химической стойкостью, высокой механической прочностью. Температура фазового перехода РZТ-керамики составляет 330 °С, и поэтому такие схемы могут работать в температурном диапазоне - 180...+ 320 °С. Пробивное напряжение таких схем составляет ~ 40 В, диэлектрическая проницаемость выше 1,2 103, что позволяет резко повысить плотность интеграции по сравнению с известными схемами ДОЗУ.

Таким образом, динамические неоднородности в виде сегнетоэлектрических доменов, встроенных в устройства схемотехнической электроники, позволяют получить их новое качество, существенно улучшить выходные характеристики.

7.2.3. Процессоры

Значительный интерес представляют процессоры для обработки больших информационных массивов, реализованные на принципах функциональной электроники. Это обусловлено тем, что такие устройства позволяют обрабатывать информацию в аналоговом виде, одномоментно либо весь массив, либо его часть. Результирующая информация может быть преобразована в цифровую форму. Возможна операция выделения разностной информации между двумя и более временными состояниями информационного массива.

Процессоры можно реализовать на слоистых структурах типа "сегнетоэлектрик—фотополупроводник". С обеих сторон такой структуры напыляются проводящие пленки, причем со стороны фотополупроводника пленка должна быть оптически прозрачной. При формировании на слое фотополупроводника оптического информационного массива на слоистую структуру одновременно подается "записывающий" импульс напряжения. В освещенных участках сопротивление фотополупроводника резко уменьшается, и все приложенное напряжение падает на слое сегнетоэлектрика. Под засвеченными местами сегнетоэлектрик переполяризуется. В темных местах сопротивление фотополупроводника велико и все напряжение падает на него. Сегнетоэлектрик под темными местами не переполяризуется. Возникает пространственное распределение поляризации сегнетоэлектрика, соответствующее распределению освещенности.

Таким образом, оптический информационный массив преобразован в электрически заряженный информационный массив, который может быть легко считан. Стирание записанной информации может быть осуществлено путем засветки всей поверхности фотополупроводника с одновременной подачей импульса напряжения, противоположного по знаку записывающему импульсу. Это позволяет перевести сегнетоэлектрик в исходное состояние. Такая структура является основой для создания оптических процессоров сигналов с промежуточным запоминанием информации, систем отображения информации.

Оптоэлектронные свойства материалов определяются характером переориентации доменов над воздействием поляризующего электрического поля. Домены образуют зерна, размер которых определяется характеристиками материала. Так для цирконататитаната свинца, легированного лантаном (ЦТСЛ, РLZТ), размер зерна составляет несколько микрон и включает в себя до десятка сегнетодоменов. Простейший тип переориентации доменов под действием электрического поля приводит к изменению вектора поляризации на противоположное (180°). Однако режим поворота доменов каждого элемента сопряжен с трудностями нормирования матрицы таких элементов с множеством электродов.

Устройство на основе метода преимущественной ориентации доменов с помощью механического напряжения, создаваемого деформацией пластины, получило название ФЕРПИК (FERPIC, FERroelectric PICture). Его структура приведена на Рисунок - 3.6. Проведем анализ работы процессора в терминах модели прибора функциональной электроники.

Рисунок - 7.6.Устройство обработки информации типа ФЕРПИК: 1 — прозрачные проводящие электроды; 2 — фотопроводник; 3 — сегнетокерамика; 4 — прозрачная подложка; 5 — облучение через маску; 6 — облучение сканированием; 7 — переключатель режимов работы; 8 — источники напряжения

В качестве основной континуальной среды используется сегнетоэлектрик 3 в виде ЦТСЛ-керамики [(Pb0,99Zr0,65Ti0,35)0,93La0,07O3] со средним размером зерна 1,0—1,5 мкм. В такой среде динамические неоднородности представляют собой субмикронные сегнетоэлектрические домены. Континуальная среда подвергается смещению деформацией, что позволяет сориентировать домены вдоль оси напряжения. Континуальная среда сопряжена, с одной стороны, фотополупроводником Z, с другой — прозрачным проводящим электродом 1 и прозрачной подложкой 4, несущей механические нагрузки. Прозрачный электрод 1нанесен и с другой стороны фотопроводящего слоя.

Запись информационного массива осуществляется путем освещения устройства через транспарант 5, либо сканированием модулируемого по амплитуде (или по растру) лазерного луча. Управление записью осуществляется полями. На керамическую пластину подается напряжение + 70 В. В местах засветки уменьшается сопротивление фотопроводящего слоя, и величина напряженности электрического поля достаточна для поворота доменов на 90°. По окончании сканирования информационный массив записан в виде распределения доменов различных направлений поляризации. В этом случае можно говорить, что одновременно произошло детектирование информационных сигналов. Заметим, что оптическое пропускание устройства типа ФЕРПИК зависит от состояния доменов.

Записанную информацию можно считать, соединив электроды (поставив переключатель 7 в среднее положение и осветив устройство пучком монохроматического света). При этом достигается разрешение ~ 40 лин/мм, эффективность считывания ~ 10% и контраст 10:1.

Стирание информационного массива можно осуществить путем освещения всей поверхности и одновременной подачей на слоистую структуру отрицательного напряжения (-35 В). При этом динамические неоднородности в виде сегнетоэлектрических доменов возвращаются в исходное состояние. Это устройство обработки информации в русской терминологии называют еще "Сегнот" — сегнетоэлектрическое отображение.

В дальнейшем эта конструкция процессора стимулировала появление аналогичных устройств на основе слоистых структур "сегнетокерамика—фотопроводник". К ним относятся, например, КЕРАМПИК (CERAMPIC, CERAMic PICture), континуальной средой в котором служит крупнозернистая керамика (Pb0,99La0,77Zr0,65Ti0,35)0,93O3 с размером зерен ~ 3,0 мкм.

В процессоре такого типа в качестве континуальной среды используется сегнетокерамика толщиной 250 мкм, обладающая свойством локально деформироваться и, таким образом, распределение поверхностной деформации соответствует распределению переполяризовавшихся участков. Амплитуда деформации составляет 0,5 мкм и шлирен-методом можно получить увеличенное изображение в отраженном свете с разрешением до 100 лин/мм.

Слоистая структура может применяться в качестве оптических процессоров, в частности для преобразования входного некогерентного изображения в выходной когерентный сигнал, что используется в голографических ЗУ. Весьма перспективно применение таких структур в процессорах сложения и вычитания информационных массивов. В этих устройствах используется способность сегнетоэлектрика к устойчивому частичному переключению в пределах от - PS до +PS под действием электрического поля.

В устройстве, аналогичном известной конструкции ФОТОТИТУСа, операции сложения изображений можно применять для увеличения отношения сигнал/шум в процессе обработки изображений. Операцию вычитания изображений можно использовать для обращения изображения — преобразования позитивного изображения в негативное, дифференцирования изображения, выделения слабоконтрастных контуров.

Слоистые структуры типа "сегнетоэлектрик—фотополупроводник" можно использовать в основе устройств памяти, оптических процессоров, устройств отображения информации.

8 Функциональная молекулярная электроника

8.1 Физические основы

Функциональная молекулярная электроника представляет собой направление в функциональной электронике, в котором изучаются процессы переноса и хранения информационного сигнала в молекулярных системах, а также разработка молекулярно-инженерных технологий для создания приборов и устройств обработки и хранения информации.

Идеи молекулярной электроники несколько отличаются от идей микроэлектроники. В процессе создания и микроминиатюризации приборов микроэлектроники создаются технологические процессы, связанные с удалением лишнего материала, изменением проводящих свойств материала с целью создания физических барьеров и переходов.

В молекулярной электронике развиваются методы конструирования и изготовления органических молекул с заданными свойствами, методы агрегации молекул нескольких типов. Первые методы связаны с созданием материалов с заданными электрическими свойствами путем подбора размеров молекул, их формы, взаимного пространственного их расположения, параметров различных функциональных групп молекул. Этот метод получил название молекулярная инженерия и с его помощью разработана концепция создания молекулярного электронного прибора.

Молекулярный электронный прибор приобрел статус микроэлектронного прибора после того, как были изготовлены переключатели и инверторы на молекулярном уровне. Проводниками, линиями межсоединений в таких структурах служат одномерные полимеры типа трансполиацетилена (СН)_Х или нитрида хлора (SN)_X. Электрически механизм переключения на молекулярном уровне эквивалентен изменению валентности молекул. Валентность же связана с туннелированием электронов через неширокие периодические решетки, образованные молекулами (рис. 8.1).

Рисунок 8.1 – Туннелирование электрона сквозь периодическую молекулярную решетку

Электрон способен преодолеть периодическую молекулярную решетку только в том случае, если его энергия равна или больше энергетического барьера внутри решетки. Электроны не могут преодолеть молекулярную периодическую решетку, если их энергия соответствует величине каждого энергетического барьера внутри решетки (рис. 8.1, а), и свободно проходят через систему потенциальных барьеров при условии равенства или превышения энергии псевдостационарного уровня (рис. 8.1, б).

Идея переключения в подобных структурах будет осуществляться, если высота барьера или глубина ямы регулируются внешними факторами. Среди таких механизмов отметим перемещение положительного или отрицательного заряда внутри молекулярной цепочки, переключение потока туннелирующих электронов путем смещения высоты псевдоэнергетических барьеров. Этот метод развивает схемотехнические принципы обработки информации и ее хранения.

Молекулярный аналог элементарной логической ячейки И — НЕ строится на базе тетрамерной производной с диазосвязями (рис. 8.2).

Периодический потенциал формируется четвертичными атомами азота, входящими в структуру. Две из четырех контрольных групп могут управляться потоками заряда через цепочки (СН)_х путем нейтрализации положительного заряда.

Молекулярная ячейка типа ИЛИ — НЕ представляет собой набор колец фталоцианида галлия, связанных фтором. Соединения типа Ni — S обеспечивают заземление и связь с отрицательным потенциалом, а также с выходным выводом (SN) _n (рис. 8.2, б). Эти базовые элементы могут стать составными частями биологических компьютерных сис­тем. Размеры структур логических ячеек могут составлять менее одной сотой размера полупроводниковой логической ячейки. Ожидаемая плотность размещения составит 10¹⁸ вентилей/см³. При всей привлекательности такой идеи молекулярных схем (даже с точки зрения использования при, создании компьютеров) в ней содержится врожденный порок схемотехники. Речь идет о тех же схемотехнических решениях, тех же проводах, хотя это уже не пленочные токоведущие дорожки, а молекулярные цепочки. Все это не исключает возможность возникновения традиционных для схемотехнических решений недостатков, а также новых, специфика которых состоит в налаживании надежных кон­тактов между отдельными соединениями.

Рисунок 8.2 – Молекулярные логические вентили типов И — НЕ (а) и ИЛИ — НЕ (б)

Методы агрегации определенного числа молекул нескольких типов или межмолекуляр­ной самосборки позволяют получать заданные размеры и форму функционального эле­мента за счет выбора параметров, участвующих в самосборке молекулы, создать серию функциональных элементов без разброса параметров со строгой атомной детализацией.

Для получения сверхтонких пленок используется метод Ленгмюра — Блоджетт. Суть метода сводится к использованию нерастворимых поверхностно-активных веществ. Эти вещества формируют из двух фрагментов. Один фрагмент представляет собой гидро­фильное вещество, имеющее сродство к воде, и хорошо в ней растворяющееся. Второй компонент — гидрофобный. Он не растворяется в воде и не позволяет молекуле поверх­ностно-активного вещества погрузиться в воду. Формирующиеся на поверхности воды однородные мономолекулярные пленки могут быть перенесены на твердые структуры подложки с различными типами слоев.

8.1.1. Динамические неоднородности

Передача информации в молекулярной электронике осуществляется ансамблями электронов или солитонов.

В масштабах микромира под солитоном понимают структурное возмущение, способное перемещаться в одном или двух направлениях подобно частице. Перенос солитона связан с возмущением, которое меняет положение молекулярных, так называемых -орбиталей между атомами углерода. В центре солитона существует движущаяся межфазная или междолинная граница между эквивалентными фазами A и В (рис. 8.3, а). Прохождение солитона через сопряженную систему приводит к переходу между фазами А и В и к обме­ну одинарных и двойных связей.

Солитоны могут быть интерпретированы как топологические узлы валентной π-электронной системы.

Вследствие врожденности основного состояния электропроводящих полимеров солитоны могут свободно перемещаться вдоль цепи сопряжений подобно волне плотности π-электронов (рис. 8.3). Скорость перемещения солитонов близка к скорости звука.

Рисунок 8.3 – Генерация и распространение солитона в полиацетиленовой цепи (а, б); интерпретация в виде волны возмущения (в)

Солитон обладает свойствами квазичастицы, имеет определенную энергию, форму, момент импульса. На молекулярном уровне также наблюдается реверсирование солитонов.

Различают два режима отражения солитонов. Две трансполиацетиленовые цепочки сопрягаются с трициклическим пентоином. Солитон проходит, отражаясь от пентоина словно от стенки (рис. 8.4, а). Другой вариант предусматривает использование гидрированного каротена в качестве реверсивной среды (рис. 8.4, б). В этом случае солитон обходит молекулу по часовой стрелке. Движение валентных π-электронов происходит по про нумерованному порядку. Движение электрона со стрелкой под номером 10 может про­изойти только после того, как завершится движение со стрелкой 1. Солитон проходит по одной цепочке дважды.