Самоорганизация сложных структур из отдельных кирпичиков мироздания – мечта химиков всего света. Ближайшее время время от времени даже молвят о самоорганизации микрочастиц в сложные системы – так именуемую «серую слизь». Она будет способна не только лишь без помощи других расти и восстанавливаться, да и делать те либо другие функции, запрограммированные создателем.
Хотя до лемовской «благосферы» нам ещё далековато, в почти всех отраслях возникновения схожих технологий ожидают уже очень издавна.
Сначала, в полупроводниковой микроэлектронике, освоение которой все более тонких методик травления кремниевых пластинок не может длиться вечно.
Даго де Леув, заведующий лабораторией Молекулярной электроники в Институте новых материалов имени Фрица Цернике, и его коллеги, посреди которых есть и наши сограждане, в первый раз на самом деле проявили, что путь снизу ввысь – самосборка электрических микросхем из отдельных молекул – вероятен.
Им удалось вынудить «самособраться» микросхему из нескольких сот частей.
Устройство имеет интегрированный генератор времени, память, четырехбитный счетчик, декодер и модулятор загрузки и способно выдавать информацию в двоичном коде со скоростью 1 кбит/сек. Это сопоставимо с рабочими чертами экспериментальных устройств на базе технологии толстых пленок органических полупроводников той же степени электрической трудности.
Результаты работы учёных размещены в последнем выпуске Nature. Статья обрисовывает способ получения самособирающегося мономолекулярного слоя полупроводниковых молекул на поверхности диоксида кремния.
Как показал коллектив ученых, параметрами электропроводности такового слоя можно управлять так же, как это происходит в полевых транзисторах.
Естественно, речь пока не идёт о том, чтоб практически засыпать в пробирку реактивы, поболтать её и достать готовые микросхемы. Но чтоб сделать устройство, оказалось довольно взять стандартную кремниевую пластинку, покрыть её слоем диэлектрика (оксидом кремния) и разметить золотые электроды для каждого элемента цепи стандартными литографическими способами. После чего пластинку расположили в раствор органических молекул, которые сами выстроились на поверхности диэлектрика в плотный слой шириной всего в одну молекулу и равномерно «прилипли» к поверхности за счет поликонденсации.
Фото микросхемы, самособранной на подложке из оксида кремния // de Leeuw et al., Nature 455, 956–959 (2008).
Работы по развитию способов самосборки микросхем ведутся с 70-х годов прошедшего столетия, но до сего времени ученым не удавалось получить не то что самособранные микросхемы, но даже главный элемент схожих электронных цепей – полевой транзистор на базе самособранного полупроводникового монослоя. Тут следует верно осознавать отличие от органических полупроводниковых микросхем, получаемых способом трафаретной либо микропечати. В этой стандартной в наши деньки технологии слой имеет толщину порядка 1-го микрона. Полупроводниковые же монослои состоят из единичного слоя молекул на поверхности; их толщина – в сотки раз меньше и не превосходит нескольких нанометров.
Мысль мономолекулярных самособирающихся микросхем понятна. По плану ученых, органические молекулы монослоя должны быть крепко связаны меж собой для обеспечения неплохого электрического транспорта – по-простому говоря, проводимости, лишь на уровне отдельных электронов. Рядовая ковалентная связь тут не подходит, потому что не обеспечивает передачи электронов от 1-го «элемента цепи» к другому. Молекулы полупроводников, представляющие из себя полигетероароматические цепочки, должны сцепляться за счет так именуемого π-π-связывания – межмолекулярного взаимодействия электронов, «распределённых» меж разными атомами, образующими ароматичное кольцо. Не считая того, полупроводниковые молекулы должны быть крепко закреплены на диэлектрической подложке, под которой размещается электрод затвора, управляющего электронными параметрами каждого крошечного полевого транзистора.
Эти легкие принципы длительное время не удавалось воплотить. Слои полупроводниковых молекул отрешались проводить электронный ток, отрешались реагировать на изменение запирающего напряжения электрода затвора и только очень недлинные, субмикронные участки монослоев полупроводниковых органических молекул показывали какую-то проводимость.
Чтоб получить слой с неплохой проводимостью, пришлось прирастить плотность молекул полупроводника в монослое, также уменьшить количество изъянов, безизбежно возникающих при самосборке.
Дизайн полупроводниковых молекул, формирующих монослой
Причина возникновения изъянов кроется в механизме иммобилизации молекул на поверхности диэлектрика – атомно гладного диоксида кремния. Перед иммобилизацией такую поверхность подвергают специальной хим обработке, так что она оказывается покрытой торчащими наружу гидроксильными группами [-SiOH]. Для того, чтоб органические молекулы связались с таковой гидроксилизованной поверхностью их пичкают так именуемой якорной многофункциональной группой, обычно триалкокси силановой. Такая группа в случае каждой полупроводниковой молекулы в процессе реакции поликонденсации образует три ковалентных связи с поверхностью за счет чего достигается большая крепкость связывания.
Но, как оказывается, три концевых алкокси группы могут приводить к неконтролируемой поликонденсации и меж молекулами, что очень нарушает порядок в монослое.
Музафаров и его коллеги решили использовать монохлорсилановую якорную группу, образующую единственную связь с поверхностью. Неувязка заключалась в том, что такая якорная группа очень неустойчива по отношению к воде и даже на воздухе с маленький влажностью одномоментно гидролизуется давая молекулы хлороводорода, более известного читателю как соляная кислота. Эти молекулы в свою очередь гибельны для квинкитиофеновых звеньев – участка молекулы, состоящего из 5 тиофеновых колец, фактически ответственных за полупроводниковые характеристики. Квинкуитиофен обладает очень неплохой полупроводниковой проводимостью, на порядок превосходящей таковую у подобных молекул, поэтому отрешаться от него ученые не собирались. Разработка способов введения хлорсилильной группы в молекулу с квинкиофеновым звеном – «ноу-хау» российских разработчиков.
Но и этого было очевидно недостаточно для заслуги требуемых электрофизических характеристик полупроводникового монослоя. Нужно было сделать слой еще больше плотным и еще больше упорядоченным.
Для этого к полупроводниковой группе молекулы, была прицеплена дополнительная углеводородная цепочка, выполняющая роль якорного каната меж квинкитиофеновой и хлорсилильной группой. Не считая того, эта ундекановая углеводородная цепочка делала в монослое полупроводниковых молекул и структурирующую роль. Такая структурирующая роль длинноватых алифатических цепочек в структуре вытянутых органических молекул была известна уже издавна спецам в области водянистых кристаллов.
Не считая того, ученые прикрепили и маленькую углеводородную цепочку к другому концу квинкитиофеновой группы, для того, чтоб малость повысить растворимость получившейся молекулы в органических растворителях. Получившаяся таким макаром молекула стала некоторым компромиссным решением, позволяющим достигнуть неплохой электропроводности и рационального связывания с подложкой при применимой растворимости и неплохим упорядочении монослоя молекул.
Для этого де Леув и его коллеги разработали необыкновенную полупроводниковую молекулу, которая обладала квинкитиофеновой многофункциональной группой, обеспечивающей отличные полупроводниковые характеристики, и концевой якорной группой, «пришивающей» молекулы к поверхности. При всем этом нужно было за счет геометрических особенностей молекул достигнуть образования ими на поверхности структуры, схожей структуре водянистых кристаллов, и при всем этом сохранить неплохую растворимость молекул в воде.
Решило эти трудности синтетическое подразделение научной группы, которое возглавляет член-корреспондент РАН Азиз Мансурович Музафаров, заведующий лабораторией синтеза элементорганических соединений Института синтетических полимерных материалов им. Н.С. Ениколопова РАН.
Команда российских химиков совладала на «отлично».
«Наша научная группа в первый раз смогла соединять характеристики хлорсиллильной и квинктиофеновой групп в одной молекуле, что до сего времени являлось камнем преткновения для многих ученых, разрабатывающих подобные самособираюшие полупроводниковые слои. Подробности хим синтеза, почти во всем определившего фуррор данной работы, мы планируем в скором времени опубликовать в более спец научном журнальчике, вероятнее всего, это будет Journal of American Chemical Society» – сказал «Газете.Ru» Сергей Анатольевич Пономаренко, сотрудник лаборатории синтеза элементорганических соединений.
Структура полупроводникового монослоя, приобретенного учеными. Невзирая на то, что возможность совместной кристаллизации полупроводниковых молекул формирующих слой (а) нельзя исключить, функциональность приобретенных полевых транзисторов гласит о том, что (b) большая часть слоя формируется все таки за счет реакции полимеризации. // de Leeuw et al., Nature 2008
Как признался голландский управляющий научной группы в интервью Nature, разрабатывая молекулу, его команда не могла и ждать такового успешного сочетания характеристик и параметров получившегося полупроводникового монослоя. Сергей Пономаренко в беседе с «Газетой.Ru» добавил, что приобретенные таким макаром молекулы владеют очень неплохой тепловой стабильностью, что также важно для полупроводниковых устройств.
ужс я даже не могу представить как это больно 