УДК 621.38, 539.2

Ю.Г. Кригер, д-р физ.-мат. наук, И.К. Игуменов, д-р хим. наук,
Институт неорганической химии СО РАН, г. Новосибирск

ПЕРСПЕКТИВЫ МОЛЕКУЛЯРНОЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Рассмотрены перспективы молекулярной технологии. Наиболее эффективные результаты от развития молекулярной электроники следует ожидать в областях, связанных с использованием функциональных специфических свойств молекулярных систем.

Общий анализ тенденций развития микроэлектроники свидетельствует, что полупроводниковая технология с характерными размерами элементов порядка микрометра фактически "выработала свои ресурсы" и необходим переход к меньшим масштабам. В настоящее время основной интерес ученых сконцентрирован на проблемах физики наноструктур и технологии создания квантовых приборов на их основе.

Разрабатываются технологии создания квантовых ям, проволок и точек с характерным размером – десятки нанометров. Основная тенденция, которая отчетливо проявилась в последние годы, – это использование явления самосборки для создания наноразмерных квантовых структур (термин "самосборка" ранее использовался только для молекулярных систем). Препятствием на пути широкого применения приборов, основанных на одноэлектронных явлениях, остается сверхнизкая рабочая температура ~ 100 мК даже при рекордно малых размерах приборов. В то же время теоретически рабочая температура может быть нормальной при размерах приборов ~ 1 нм, т.е. при размерах средней молекулы.

В некоторых группах за рубежом в течение последних лет неоднократно наблюдался эффект одноэлектронного коррелированного туннелирования при нормальной температуре. Туннельные системы формировались либо из неупорядоченных наногранул металла, либо из хаотически разбросанных слабо закрепленных молекул, что приводило к невоспроизводимости характеристик и к неустранимой неопределенности в трактовке результатов.

Проблема закрепления молекул на подложке для получения воспроизводимых результатов оказалась чрезвычайно актуальной. Результаты исследований снимают последние сомнения в том, что построение молекулярных электронных систем, устройств на основе одноэлектроники – это вполне достижимая реальность. Авторы получили патентный приоритет на разработанные молекулярные туннельные одноэлектронные приборы и способы их создания. Проведен цикл экспериментальных исследований, в результате которых впервые реализован молекулярный одноэлектронный транзистор, работающий при нормальной температуре.

Резюмируя приведенную выше информацию, можно сделать следующие основные выводы:

·   в настоящее время имевшиеся в научной литературе рассуждения об использовании одиночных молекул в качестве ключевых элементов получили свое экспериментальное подтверждение;

·   однако и сейчас, и в ближайшее время трудно представить использование одиночных молекул в качестве элемента электронного устройства, но можно говорить об использовании специфических внутримолекулярных (квантовых) эффектов, имеющих макроскопическое проявление;

·   по мнению многих экспертов, в том числе и зарубежных, наноэлектроника в ближайшее десятилетие не выйдет на создание чипов с многомиллионным числом элементов, а в лучшем случае ограничится выпуском одиночных устройств с уникальными параметрами. Подобная ситуация уже сложилась с производством диодов Гана и СКВИД-элементов (криогенная электроника), на которые возлагались очень большие надежды при создании компьютеров нового поколения.

По нашему мнению, в настоящее время может идти речь о развитии функциональной молекулярной электроники. Стратегическим моментом предлагаемого подхода является концентрация усилий не на уменьшение топологического размера элемента, а на увеличение его функциональных возможностей.

Таким образом, альтернативным направлением развития микроэлектроники является функциональная молекулярная электроника. Термин "молекулярная электроника" некоторыми физиками и технологами рассматривается как часть наноэлектроники. Данный подход основывается только на учете размеров молекул, имеющих характерный размер, и не учитывает специфических особенностей проявления квантовых эффектов в молекулярных системах.

В настоящее время ведется интенсивный поиск концепций ее развития, разрабатываются основы построения базовых элементов микроэлектроники. Однако строгого определения самого понятия пока нет. Все сходятся лишь на том, что молекулярная электроника является новой междисциплинарной областью науки, объединяющей физику твердого тела, молекулярную физику, органическую и неорганическую химии и ставящей своей целью перевод информационно-вычислительных устройств на новую элементную базу. Такая элементная база, созданная на новых принципах, даст и новую схемотехнику, и новую идеологию построения информационно-вычислительных систем подобно тому, как это в свое время произошло при переходе от радиоламп к полупроводниковым транзисторам.

Анализ научно-технической литературы свидетельствует, что, начиная с 1994 г. заметно активизировались исследования в области молекулярной электроники. Подтверждением данных тенденций является все возрастающий интерес к молекулярной электронике различных фирм и зарубежных электронных исследовательских центров, выражающийся в большом числе ежегодных (3-5) конференций по этой тематике. К ним относятся в первую очередь: ежегодная Европейская конференция по молекулярной электронике, конференция по ориентированным молекулярным слоям (LB), по супрамолекулярной химии, молекулярной нанотехнологии и т.д. Проводятся также специализированные конференции, посвященные электроактивным и фотоактивным молекулярным материалам. К этой области примыкает такая обширная область практического использования молекулярных систем, какой являются газовые и жидкостные сенсоры.

По материалам этих конференций и анализу текущей литературы можно сделать вывод, что наиболее продвинутыми в практическом плане разработками в этой области является создание электролюминесцентных экранов для дисплеев различного назначения. На данный момент времени получены молекулярные материалы и соответствующие пленки с высоким коэффициентом люминесценции, удовлетворяющим современным требованиям. Оставшиеся проблемы связаны с увеличением времени службы. По мнению авторов разработок, широкомасштабное использование подобных экранов можно ожидать в ближайшее время. Созданы специализированные фирмы, ориентированные на производство таких экранов.

Поскольку для науки западных стран типичным является финансирование научных разработок через фирмы, то представленный выше список научных центров явно свидетельствует о прямой заинтересованности электронных фирм в этих исследованиях. Мы не имеем подтвержденных сведений о практических достижениях в области молекулярной электроники, однако косвенные признаки свидетельствуют об интенсивных исследованиях, проводимых непосредственно на электронных фирмах. Так, в частности, имеются сообщения о создании "пластмассового" транзистора во Франции, дисплеев в Великобритании и элемента памяти в США.

Особое внимание следует обратить на ярко выраженный характер исследований, посвященных синтезу специализированных молекулярных ансамблей и методов их анализа на уровне отдельных молекулярных фрагментов. Значительный акцент делается на исследовании механизмов самоорганизации отдельных молекул в организованные структуры, что является предпосылкой для разработки технологии самосборки соответствующих молекулярных электронных устройств.

Существенное сокращение технологического цикла производства молекулярных устройств с одновременным отказом от использования дорогостоящих материалов (особо чистые кремний и арсенид галлия) существенно удешевит стоимость элемента и соответственно расширит область применения в информационных устройствах. При этом современное производство полупроводников может быть легко адаптировано к реализации молекулярной технологии.

Следует ожидать, что развитие молекулярной электроники наиболее эффективные результаты даст в областях, связанных с использованием функциональных специфических свойств молекулярных систем. Быстрая реализация этих результатов, полученных при выполнении необходимого объема НИР и НИОКР, возможна в следующих направлениях:

·   элементы памяти различного назначения (оперативной, статической, архивной и др.), в частности радиационно-устойчивые элементы памяти для систем наведения;

·   молекулярные транзисторы, диоды и т.д.;

·   средства отображения информации (дисплеи, телевизионные экраны и т.д.);

·   химические и биологические сенсоры;

·   фотоприемники различного назначения и преобразователи солнечной энергии.

Создание чувствительных химических сенсоров является одной из важных проблем, стоящей перед экологией, медициной, криминалистикой и т.д. Наиболее перспективным и естественным подходом в решении этой проблемы является построение датчиков, основанных на химическом распознавании определяемых молекул. Структура такого сенсора по форме представляет молекулярный транзистор, изменяющий свою проводимость под действием распознаваемых молекул. Система химических сенсоров, объединенных в единую нейронную сеть, позволит обнаруживать источники химических и биологических объектов, в том числе человека, и судить о его состоянии. Дополнительная информация может быть получена при анализе изображений, полученных в различных спектральных областях. Все эти проблемы могут быть решены методами молекулярной нанотехнологии.

Важным элементом в системе обнаружения и регистрации объектов по различным признакам являются элементы хранения информации. Одним из важных требований, предъявляемых к подобным системам, является их радиационная устойчивость. Молекулярная технология может предложить решения и этой проблемы наряду с высокими техническими параметрами и простотой технологии их изготовления.

Полученные по различным каналам данные свидетельствуют, что прорыв в практическую плоскость может произойти в любой момент. В исследовательских центрах ведущих электронных фирм уже создаются реальные образцы молекулярных электронных устройств. Так, например, американская фирма Actel Corp. сообщила о создании постоянно программируемых элементов памяти. В этих устройствах используется программируемый слой оригинального состава, выполненный на органической основе.

В настоящее время практически во всех высокоразвитых странах, включая Китай, имеются национальные программы по молекулярной электронике. Наиболее широкомасштабной поддержкой государства пользуются эти программы в США, Великобритании, Японии, Германии. Так, по имеющимся у нас данным, в Японии и Германии ежегодно финансируется из бюджета государством 15-30 научно-исследовательских проектов на сумму 2-3 млн долл. на проект.

По нашему мнению, реальное соперничество российской электронной промышленности с западными технологиями может быть реализовано только при использовании альтернативных путей развития микроэлектроники и, в частности, молекулярной.