МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА

МОЛЕКУЛЯ́РНАЯ ЭЛЕКТРО́НИКА, на­прав­ле­ние элек­тро­ни­ки, изу­чаю­щее прин­ци­пы дей­ст­вия, син­тез и при­ме­не­ние оди­ноч­ных мо­ле­кул и их ан­самб­лей как функ­цио­наль­ных эле­мен­тов элек­тро­ни­ки с це­лью соз­да­ния но­вой эле­мент­ной ба­зы – мо­ле­ку­ляр­ных элек­трон­ных уст­ройств. Сфор­ми­ро­ва­лась во 2-й пол. 20 в. на сты­ке мик­ро­элек­тро­ни­ки, мо­ле­ку­ляр­ной фи­зи­ки, кван­то­вой и струк­тур­ной хи­мии. М. э. раз­де­ля­ет­ся на две са­мо­стоя­тель­ные, но свя­зан­ные ме­ж­ду со­бой об­лас­ти: на­но­мо­ле­ку­ляр­ную элек­тро­ни­ку, цель ко­то­рой – дос­ти­же­ние ми­ни­маль­но до­пус­ти­мых раз­ме­ров элек­трон­ных уст­ройств (тран­зи­сто­ров, эле­мен­тов па­мя­ти и др.), со­пос­та­ви­мых с раз­ме­ром оди­ноч­ных мо­ле­кул, и мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ную элек­тро­ни­ку, ори­ен­ти­ро­ван­ную на соз­да­ние элек­трон­ных схем, сол­неч­ных ба­та­рей, фо­то­чув­ст­вит. эле­мен­тов, хи­мич. сен­со­ров и т. п. на ос­но­ве мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур.

Идея ис­поль­зо­ва­ния мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур в ка­че­ст­ве ак­тив­ных эле­мен­тов мик­ро­элек­тро­ни­ки впер­вые вы­ска­за­на Р. Фейн­ма­ном в 1957. На­ча­ло ста­нов­ле­ния М. э. от­но­сят к 1974, ко­гда бы­ла опуб­ли­ко­ва­на ра­бо­та А. Ави­ра­ма и М. Рат­не­ра «Мо­ле­ку­ляр­ный вы­пря­ми­тель», где пред­ла­га­лось ис­поль­зо­вать мо­ле­ку­ляр­ную сис­те­му, со­стоя­щую из до­нор­ной и ак­цеп­тор­ной час­тей, ко­то­рые со­еди­не­ны ме­ти­ле­но­вым мос­ти­ком, по­ме­щён­ную ме­ж­ду дву­мя элек­тро­да­ми. Боль­шую роль в раз­ви­тии М. э. сыг­рал Ф. Л. Кар­тер, ко­то­рый вы­дви­нул идею соз­да­ния мо­ле­ку­ляр­ных «со­ли­тон­ных пе­ре­клю­ча­те­лей» и вы­сту­пил ор­га­ни­за­то­ром ме­ж­ду­нар. кон­фе­рен­ций по М. э., по­свя­щён­ных пер­спек­ти­вам раз­ви­тия элек­тро­ни­ки, соз­да­нию элек­трон­ных уст­ройств, ис­поль­зую­щих кван­то­вые яв­ле­ния, и пе­ре­хо­ду в свя­зи с этим к но­вой (мо­ле­куляр­ной) тех­но­ло­гии. Пер­спек­тив­ность раз­ви­тия М. э. обу­слов­ле­на как осо­бен­но­стя­ми строе­ния мо­ле­ку­лы, пред­став­ляю­щей со­бой «иде­аль­ную кван­то­вую струк­ту­ру», так и боль­шим раз­но­об­ра­зи­ем мо­ле­ку­ляр­ных струк­тур и про­сто­той их мо­ди­фи­ка­ций, что, в свою оче­редь, да­ёт боль­шое раз­но­об­ра­зие фи­зич. эф­фек­тов, ко­то­рые мо­гут быть реа­ли­зо­ва­ны в по­доб­ных сис­те­мах на атом­ном (и мо­ле­ку­ляр­ном) уров­не.

Особенности технологии

Важ­ная осо­бен­ность тех­но­ло­гии М. э. – спо­соб­ность ато­мов и мо­ле­кул при оп­ре­де­лён­ных усло­ви­ях са­мо­про­из­воль­но со­еди­нять­ся в за­дан­ные мо­ле­ку­ляр­ные об­ра­зо­ва­ния (т. н. прин­цип са­мо­сбор­ки), что яв­ля­ет­ся сред­ст­вом ор­га­ни­за­ции ис­кусств. кван­то­вых струк­тур. Имен­но син­тез мо­ле­ку­ляр­ной сис­те­мы в про­цес­се са­мо­сбор­ки обес­пе­чи­ва­ет иден­тич­ность со­б­ран­ных ан­самб­лей (и, со­от­вет­ст­вен­но, раз­ме­ров эле­мен­тов), на­дёж­ность и эф­фек­тив­ность про­те­ка­ния кван­то­вых про­цес­сов и функ­цио­ни­ро­ва­ния элек­трон­ных уст­ройств. Эти фак­то­ры оп­ре­де­ля­ют гл. от­ли­чие мо­ле­ку­ляр­ной тех­но­ло­гии от по­лу­про­вод­ни­ко­вой и обу­слов­ли­ва­ют пре­иму­ще­ст­ва и пер­спек­ти­вы мо­ле­ку­ляр­но­го под­хо­да к по­строе­нию элек­трон­ных уст­ройств.

Раз­ви­тие мо­ле­ку­ляр­но­го под­хо­да в ми­к­ро­элек­тро­ни­ке тре­бу­ет ре­ше­ния ря­да про­блем в трёх осн. на­прав­ле­ни­ях: син­тез но­вых мо­ле­кул, спо­соб­ных хра­нить, пе­ре­да­вать или пре­об­ра­зо­вы­вать ин­фор­ма­цию; раз­ра­бот­ка ме­то­дов ор­га­ни­за­ции мо­ле­кул в суп­ра­мо­ле­ку­ляр­ные ан­самб­ли и мо­ле­ку­ляр­ные элек­трон­ные уст­рой­ст­ва; раз­ра­бот­ка фи­зич. прин­ци­пов функ­цио­ни­ро­ва­ния со­от­вет­ст­вую­щих уст­ройств. В на­стоя­щий мо­мент, как и в бли­жай­шем бу­ду­щем, преж­де­вре­мен­но го­во­рить о соз­да­нии мо­ле­ку­ляр­ных элек­трон­ных уст­ройств, ра­бо­таю­щих на ос­но­ве функ­цио­ни­ро­ва­ния оди­ноч­ных мо­ле­кул, од­на­ко ре­аль­но го­во­рить об ис­поль­зо­ва­нии мо­ле­ку­ляр­ных сис­тем, в ко­то­рых внут­ри­мо­ле­ку­ляр­ные эф­фек­ты име­ют мак­ро­ско­пич. про­яв­ле­ние (т. н. ин­тел­лек­ту­аль­ные ма­те­риа­лы). Соз­да­ние ин­тел­лек­ту­аль­ных ма­те­риа­лов (мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ная элек­тро­ни­ка) – ес­те­ст­вен­ный и не­об­хо­ди­мый пе­ри­од в раз­ви­тии элек­тро­ни­ки, который яв­ля­ет­ся оп­ре­де­лён­ной ста­ди­ей в пе­ре­хо­де от по­лу­про­вод­ни­ко­вой тех­но­ло­гии к мо­ле­ку­ляр­ной.

Перспективы развития и применение

Один из пер­вых и важ­ных ша­гов в раз­ви­тии М. э. – соз­да­ние мо­ле­ку­ляр­ных про­во­дов, по­зво­ляю­щих свя­зать отд. мо­ле­ку­лы как ме­ж­ду со­бой, так и с внеш­ни­ми элек­тро­да­ми элек­трон­ных уст­ройств. Из­вест­но, что прак­ти­че­ски все мо­ле­ку­ляр­ные со­еди­не­ния яв­ля­ют­ся ди­элек­три­ка­ми. Од­на­ко в нач. 1970-х гг. бы­ли отк­ры­ты то­ко­про­во­дя­щие по­ли­ме­ры, на­зывае­мые так­же ор­га­нич. ме­тал­ла­ми. Даль­ней­шие ис­сле­до­ва­ния по­ка­за­ли, что су­ще­ст­ву­ет боль­шой класс со­пря­жён­ных по­ли­ме­ров и род­ст­вен­ных им со­еди­не­ний с од­но­мер­ной мо­ле­ку­ляр­ной струк­ту­рой, ко­то­рые при оп­ре­де­лён­ных ус­ло­ви­ях мо­гут об­ла­дать про­во­ди­мо­стью, близ­кой к про­во­ди­мо­сти ме­тал­лов (Х. Ши­ра­ка­ва, А. Хи­гер и А. Мак­ди­ар­мид; Но­бе­лев­ская пр., 2000). Столь не­обыч­ные свой­ст­ва со­пря­жён­ных по­ли­ме­ров и род­ст­вен­ных им ма­те­риа­лов, ко­то­рые мо­гут ис­поль­зо­вать­ся в ка­че­ст­ве мо­ле­ку­ляр­ных про­во­дов, в зна­чит. ме­ре обу­слов­ле­ны фи­зич. свой­ст­ва­ми од­но­мер­ных сис­тем и свя­заны с эф­фек­том элек­трон­ной струк­тур­ной не­ус­той­чи­во­сти (т. н. пай­ер­лсов­ская не­ус­той­чи­вость). Про­во­ди­мость од­но­мер­ных сис­тем край­не чув­ст­ви­тель­на к струк­ту­ре и за­ря­до­во­му со­стоя­нию мо­ле­ку­ляр­ных бло­ков, из ко­то­рых со­сто­ит по­ли­мер. Напр., дос­та­точ­но до­пи­ро­вать со­пря­жён­ный по­ли­мер ио­на­ми с кон­цен­тра­ци­ей 0,1%, что­бы из­ме­нить его про­во­ди­мость на 10 и бо­лее по­ряд­ков. Это да­ле­ко не един­ст­вен­ный спо­соб управ­ле­ния про­во­ди­мо­стью по­ли­ме­ра. Ис­поль­зо­ва­ние струк­тур­ной не­ус­той­чи­во­сти од­но­мер­ных сис­тем в ка­че­ст­ве ос­но­вы фи­зич. прин­ци­па функ­цио­ни­ро­ва­ния уст­ройств М. э. по­зво­ля­ет про­ек­ти­ро­вать соз­да­ние но­вых ин­тел­лек­ту­аль­ных ма­те­риа­лов с не­обыч­ны­ми свой­ст­ва­ми для мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ной элек­тро­ни­ки.

Вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность мак­ро­ско­пич. про­во­ди­мо­сти со­пря­жён­ных по­ли­ме­ров к за­ря­до­во­му со­стоя­нию и струк­тур­ным осо­бен­но­стям ин­ди­ви­ду­аль­ных мо­ле­ку­ляр­ных групп мо­жет быть ис­поль­зо­ва­на так­же при соз­да­нии элек­трон­ных уст­ройств на­но­мо­ле­ку­ляр­ной элек­тро­ни­ки – как один из спо­со­бов счи­ты­ва­ния мик­ро­ско­пич. свойств и со­стоя­ния отд. мо­ле­кул или мо­ле­ку­ляр­ных об­ра­зо­ва­ний. Уни­каль­ные свой­ст­ва со­пря­жён­ных по­ли­ме­ров и род­ст­вен­ных ма­те­риа­лов яв­ля­ют­ся как бы свя­зую­щим мос­ти­ком ме­ж­ду мик­ро­ско­пич. ми­ром ин­ди­ви­ду­аль­ных свойств мо­ле­кул и мак­ро­ми­ром ре­аль­но из­ме­ряе­мых фи­зич. ве­ли­чин. Это по­зво­ля­ет ис­поль­зо­вать прак­ти­че­ски все ра­нее раз­ра­бо­тан­ные фи­зич. мо­де­ли элек­трон­ных мо­ле­ку­ляр­ных уст­ройств, функ­цио­ни­рую­щих на уров­не оди­ноч­ных мо­ле­кул.

Не­смот­ря на боль­шие уси­лия по раз­ви­тию М. э. на­но­мет­ро­во­го диа­па­зо­на, прак­тич. ре­зуль­та­ты да­ле­ки от во­пло­ще­ния. Бо­лее ус­пеш­но в ком­мерч. от­но­ше­нии раз­ви­ва­ет­ся мак­ро­мо­ле­ку­ляр­ная элек­тро­ни­ка. При­ме­ром мо­гут слу­жить мо­ле­ку­ляр­ные све­то­из­лу­чаю­щие дио­ды с эф­фек­тив­но­стью, пре­вы­шаю­щей 20%, ко­то­рые на­хо­дят ши­ро­кое при­ме­не­ние в со­то­вых те­ле­фо­нах, циф­ро­вых фо­то­ап­па­ра­тах; го­то­вит­ся про­из-во дис­пле­ев и те­ле­ви­зо­ров. На­ча­то про­из-во по­ли­мер­ных сол­неч­ных ба­та­рей с эф­фек­тив­но­стью, пре­вы­шаю­щей 3%, что с учё­том низ­кой стои­мо­сти ис­ход­ных ма­те­риа­лов и из­го­тов­ле­ния де­ла­ет его весь­ма вы­год­ным. Мо­ле­ку­ляр­ные тех­но­ло­гии ши­ро­ко ис­поль­зу­ют­ся так­же при соз­да­нии хи­мич. сен­со­ров.

Ус­пеш­но раз­ви­ва­ет­ся про­из-во элек­трон­ных схем на ос­но­ве по­ли­мер­ных ма­те­риа­лов; ра­бо­чая час­то­та та­ких схем пре­вы­ша­ет 10 МГц. Их из­го­тов­ля­ют с по­мо­щью спец. струй­ных прин­те­ров, в ко­то­рых в ка­че­ст­ве чер­нил ис­поль­зу­ют­ся рас­тво­ры разл. по­ли­ме­ров, вы­пол­няю­щих функ­ции ли­бо ди­элек­три­ка, ли­бо по­лу­про­вод­ни­ка или про­вод­ни­ка. По­ли­мер­ные элек­трон­ные схе­мы при­ме­ня­ют­ся, напр., при про­из-ве ра­дио­час­тот­ных иден­ти­фи­кац. уст­ройств, ко­то­рые по­зво­ля­ют счи­ты­вать дан­ные об объ­ек­те бес­кон­такт­ным ме­то­дом, на рас­стоя­нии. Та­кие уст­рой­ст­ва ис­поль­зу­ют­ся при из­го­тов­ле­нии ра­дио­час­тот­ных штрихко­дов на то­ва­рах, при пе­ча­ти де­неж­ных ку­пюр, авиац. и ж.-д. би­ле­тов и т. п.

Ве­дёт­ся раз­ра­бот­ка и под­го­тов­ка произ-ва мо­ле­ку­ляр­ной ре­зи­стив­ной па­мя­ти – про­то­ти­па ис­кусств. си­нап­са и ней­ро­на. Соз­да­ние сред­ст­ва­ми М. э. ис­кусств. ней­ро­нов, разл. ти­па сен­со­ров, вклю­чён­ных в еди­ную сеть, по­зво­лит реа­ли­зо­вать по­тен­ци­аль­ные воз­мож­но­сти, за­ло­жен­ные в ней­ро­ком­пь­ю­тер­ную идео­ло­гию, по­лу­чить прин­ци­пи­аль­но но­вый тип ин­фор­ма­ци­он­но-вы­чис­лит. сис­тем и по­дой­ти вплот­ную к ре­ше­нию про­бле­мы ис­кусств. ин­тел­лек­та.