Мономолекулярное электронное устройство

Мономолекулярное электронное устройство

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область изобретения

Настоящее изобретение направлено на мономолекулярное электронное устройство. В частности, настоящее изобретение направлено на мономолекулярный транзистор и мономолекулярные структуры цифровой логики, использующие молекулярный транзистор для обеспечения переключения и усиления мощности. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на добавление молекулярной структуры затвора к молекулярному диоду, где диод также является химически легированным. Молекулярная структура затвора формируется с помощью еще одной изолирующей группы, связанной с молекулярным диодом вблизи от соответствующей легирующей группы, которая подвергается влиянию потенциала, приложенного извне структуры затвора. Комплекс, проводящий ток, связывается с этой второй изолирующей группой таким образом, что она может быть заряжена с помощью внешнего напряжения с тем, чтобы воздействовать на собственное смещение диода и, тем самым, переключать устройство между состояниями "Включено" и "Выключено". В дополнение к этому, настоящее изобретение направлено на молекулярный транзистор, у которого мощность, требуемая для управления переключением, является существенно меньшей, чем та, которая переключается, и, следовательно, транзистор демонстрирует усиление мощности. Настоящее изобретение также относится к мономолекулярным логическим элементам, сконструированным из комбинаций мономолекулярной диодно-диодной логики и мономолекулярных инверторов, обладающих усилением мощности.

Уровень техники

В течение последних сорока лет электронные компьютеры становятся все более мощными, в то время как их основная субъединица, транзистор, делается все меньше и меньше. Тем не менее, законы квантовой механики и ограничения технологий изготовления вскоре могут помешать дальнейшему уменьшению размеров распространенных в настоящее время полевых транзисторов. Многие исследователи предполагают, что в течение следующих десяти - пятнадцати лет, по мере того, как самые мелкие детали производимых в массовом количестве транзисторов дополнительно уменьшатся от их теперешней примерной ширины в пределах от 100 нанометров до 250 нанометров, изготовление устройств станет более сложным и дорогим. В дополнение к этому, они могут перестать эффективно функционировать в сверхплотно интегрированных электронных схемах. С целью продолжения миниатюризации схемных элементов до нанометровых размеров или даже до молекулярных размеров исследователи изучают несколько альтернатив твердотельному транзистору для сверхплотных схем. Однако в отличие от современных полевых транзисторов (ПТ), которые работают на основе передвижения масс электронов в объемной материи, новые устройства используют преимущества квантово-механических явлений, которые проявляются при нанометровом масштабе.

Существуют два широких класса наноэлектронных коммутационных устройств (переключателей) и усилителей:

(a) твердотельные квантовые и одноэлектронные устройства, и

(b) молекулярные электронные устройства.

Устройства обоих классов используют преимущества различных квантовых эффектов, которые начинают доминировать в динамике (движении) электронов при нанометровом масштабе. Несмотря на новизну конструкций твердотельных квантовых и одноэлектронных устройств, исследователи уже способны разрабатывать, изготавливать и использовать в схемах несколько перспективных типов новых устройств, основываясь на накопленном в течение пятидесяти лет промышленном опыте работы с объемными полупроводниками. Такие твердотельные квантовые устройства изменяют принципы работы сверхминиатюрных электронных коммутационных устройств, но они по-прежнему несут на себе тяжелое бремя, лежащее на нанометровых структурах, которые должны быть "вырезаны" из аморфных или кристаллических твердых тел.

Молекулярная электроника представляет собой относительно новый подход, который должен изменить как принципы работы, так и материалы, используемые в электронных устройствах. Причиной или стимулом для такого радикального изменения является то, что молекулы представляют собой существующие в природе нанометровые структуры. В отличие от наноструктур, выстраиваемых из объемных твердых тел, молекулы могут быть изготовлены идентично, дешево и просто, что потребуется для промышленного производства сверхплотных компьютеров. Две значительные проблемы, которые необходимо преодолеть, представляют собой (1) изобретение (создание) молекулярных структур, которые действуют как электронные коммутационные устройства, обладающие усилением, и (2) объединение этих молекул в более сложную схемную структуру, необходимую для применений в компьютерных вычислениях и в управлении, а также для обеспечения усиления в этих применениях, так чтобы устройства, производимые таким образом, имели полезное "разветвление" по выходу.

Как известно, диод представляет собой двухконтактное коммутационное устройство, которое может переключать ток между положениями "Включено" или "Выключено". Два типа молекулярных электронных диодов, которые разработаны в последнее время, представляют собой:

(a) выпрямляющие диоды, и

(b) резонансные туннельные (резонансно-туннельные) диоды.

Оба типа диодов основываются на приложении внешнего напряжения смещения для перемещения электронов через один или несколько энергетических барьеров, когда прилагаемый извне потенциал достигает заранее заданной величины.

В частности, был разработан молекулярный резонансный туннельный диод (РТД), который использует преимущество квантования энергии таким образом, что дает возможность, подбирая величину напряжения смещения между контактами истока и стока диода, осуществлять коммутацию между положениями "Включено" и "Выключено" для электронного тока, протекающего от истока к стоку. На фигуре 1A изображен молекулярный резонансный туннельный диод, который был синтезирован Джеймсом Тоуром (James M. Tour) и продемонстрирован Марком Ридом (Mark A. Reed) в 1997 году. Структурно и функционально устройство представляет собой молекулярный аналог гораздо больших по размеру твердотельных РТД, которые за прошедшие десять лет изготавливались во множестве на полупроводниках типа III-V. Как показано на фиг.1А, базируясь на основной цепи молекулярного проводника, предложенный Ридом и Тоуром полифениленовый молекулярный РТД 11' изготавливается путем вставки двух алифатических метиленовых групп 16' в молекулярный проводник 12 по обеим сторонам одного бензольного кольца 13'. Благодаря изолирующим свойствам алифатических групп 16', они действуют как потенциальные энергетические барьеры 30 и 32 на потоки электронов, показанные на энергетических диаграммах фигур 1B и 1C. Авторы определяют бензольное кольцо 13' между этими группами как узкий, приблизительно в 0,5 нанометра, "островок", через который электроны должны пройти для преодоления всей длины молекулярного проводника.

Как иллюстрируется на фиг.1B, если смещение, приложенное к концам молекулы, производит поступающие или входящие электроны с кинетической энергией, которая отличается от энергий незаселенных квантовых уровней, доступных внутри потенциальной ямы на таком островке, ток не протекает. То есть, РТД переключен в положение "Выключено". Однако, если напряжение смещения устанавливается таким образом, что кинетическая энергия поступающих электронов совпадает с одним из собственных уровней энергии, как показано на фиг.1C, то энергия электронов вне ямы, можно сказать, находится в резонансе с разрешенной энергией внутри ямы. При таких условиях через устройство протекает ток, и можно сказать, что оно переключается в положение "Включено".

В публикации заявки на патент Франции под №2306531 описывается молекулярное коммутационное устройство, которое может быть использовано для усиления. Проводники формируются с помощью цепей (последовательностей) соседних двойных связей или соединений между их кольцами, причем они заканчиваются в двух областях диссипации (рассеивания). Однако упомянутое устройство имеет такой принцип работы, который в целом является аналогичным объемным полевым транзисторам, а не основан на эффекте, который может быть реализован только в индивидуальных молекулах, где, например, эффекты от по меньшей мере одной легирующей группы обращаются в свою противоположность с помощью потенциала, приложенного извне.

В публикации международной PCT-заявки WO 97/36333 описывается туннельный прибор, который использует управляющие электроды для управления туннельным током, протекающим между входом и выходом прибора. Прибор основывается на принципе контролируемого коррелированного туннелирования электронов. Эта ссылка также предлагает использование такого прибора для конструирования одноэлектронных логических схем.

Сущность изобретения

Предложено мономолекулярное электронное устройство, которое включает в себя множество молекулярных проводников, химически соединенных вместе с по меньшей мере одной изолирующей группой. По меньшей мере один из множества молекулярных проводников химически соединен с легирующим заместителем для формирования собственного смещения на концах изолирующей группы. Вторая изолирующая группа химически связана с тем молекулярным проводником, который соединен с легирующим заместителем. Проводящий ток комплекс химически соединен со второй изолирующей группой с формированием единой молекулы, которая демонстрирует усиление мощности. Вторая изолирующая группа расположена в достаточной близости от легирующего заместителя для того, чтобы оказывать воздействие на собственное смещение с помощью потенциала, приложенного к проводящему ток комплексу. Мономолекулярное электронное устройство по настоящему изобретению может быть создано в форме схемы инвертора, в которой третья изолирующая группа химически связана со вторым из множества молекулярных проводников, а множество соединенных ароматических кольцевых структур химически связано с третьей изолирующей группой.

В другом своем аспекте настоящее изобретение направлено на мономолекулярное электронное устройство, обладающее усилением мощности. Такое мономолекулярное электронное устройство включает в себя по меньшей мере один молекулярный проводник, имеющий множество соединенных друг с другом по существу идентичных ароматических кольцевых структур. По меньшей мере одна первая изолирующая группа, присоединенная между соответствующей парой ароматических кольцевых структур, создает (определяет) две секции молекулярного проводника, при этом первая из секций соединена с первым электрическим контактом, а вторая секция соединена со вторым контактом. По меньшей мере одна из этих двух секций легирована с формированием по меньшей мере одного центра-донора электрона(ов) и центра-акцептора электрона(ов). Молекулярная структура затвора химически связана с одной из этих первой и второй секций в достаточной близости к легирующей группе для того, чтобы посредством потенциала, приложенного к структуре затвора, воздействовать на собственное смещение, сформированное между первой и второй секциями легирующей группой. Молекулярная структура затвора соединена с третьим контактом для соединения с источником прилагаемого потенциала.

В еще одном своем аспекте настоящее изобретение направлено на мономолекулярный транзистор, который включает в себя проводник на основе полифенилена, имеющий множество соединенных друг с другом молекулярных кольцевых структур, и по меньшей мере одну изолирующую группу, присоединенную между соответствующей парой молекулярных кольцевых структур для создания двух секций проводника. Мономолекулярный транзистор также включает в себя первую легирующую группу, связанную с по меньшей мере одной молекулярной кольцевой структурой одной секции проводника для формирования соответствующего центра-донора электронов. Вторая легирующая группа, связанная с по меньшей мере одной молекулярной кольцевой структурой второй секции, формирует центр-акцептор электронов. Вторая изолирующая группа химически присоединена вблизи одной из первой и второй легирующих групп, и проводящий ток комплекс присоединен ко второй изолирующей группе для связывания с ней электрического заряда с целью модифицирования (изменения) собственного смещения, сформированного первой и второй легирующими группами.

Еще в одном своем аспекте настоящее изобретение направлено на мономолекулярное электронное устройство, сформированное с помощью молекулярного диода, имеющего по меньшей мере одну барьерную изолирующую группу, химически присоединенную между парой молекулярных кольцевых структур для формирования пары секций диода. По меньшей мере одна легирующая группа химически связана с одной из пары секций диода. Молекулярная структура затвора химически связана с той секцией диода, с которой химически связана по меньшей мере одна легирующая группа, для оказания воздействия на собственное смещение, сформированное по меньшей мере одной легирующей группой.

По этой причине одной из целей настоящего изобретения является создание мономолекулярного коммутационного устройства, которое демонстрирует усиление мощности.

Дополнительной целью настоящего изобретения является создание электронного коммутационного устройства с усилением мощности путем добавления структуры затвора к легированному молекулярному диоду для формирования отдельной (единой) молекулы, которая функционирует как транзистор.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в создании схемы мономолекулярного транзистора, который функционирует как инвертор.

Кроме того, еще одна цель настоящего изобретения заключается в обеспечении функций Булевой логики путем соединения друг с другом молекулярных структур диодно-диодной логики с молекулярным инвертором для обеспечения выполнения конкретных Булевых функций при одновременном обеспечении усиления мощности.

Эти и другие преимущества, а также новые признаки настоящего изобретения станут понятны из следующего далее подробного описания, если рассматривать его в сочетании с чертежами.

Краткое описание чертежей

Фигуры 1A, 1B и 1C схематически представляют структуру и работу молекулярного резонансного туннельного диода, продемонстрированного Ридом и Тоуром;

фиг.2A изображает примерное схематическое представление молекулярного выпрямляющего диода;

фиг.2B, 2C и 2D схематически показывают энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую мономолекулярной структуре выпрямляющего диода на основе полифенилена, представленной на фиг.2A, когда к молекуле приложено "прямое" смещение, "обратное" смещение и "нулевое" смещение соответственно;

фиг.3A представляет собой примерную схематическую диаграмму настоящего изобретения, иллюстрирующую трехконтактное молекулярное коммутационное устройство с затвором в незаряженном состоянии;

фиг.3B схематически изображает энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую трехконтактному устройству по фиг.3A;

фиг.3C представляет собой примерную схематическую диаграмму настоящего изобретения, иллюстрирующую трехконтактное молекулярное коммутационное устройство с затвором в заряженном состоянии;

фиг.3D схематически изображает энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую трехконтактному молекулярному коммутационному устройству по фиг.3C;

фиг.4A схематически изображает примерный альтернативный вариант конфигурации устройства по настоящему изобретению;

фиг.4B схематически изображает энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую трехконтактному коммутационному устройству по фиг.4A;

фиг.4C схематически изображает молекулярное коммутационное устройство по фиг.4A с заряженной структурой затвора;

фиг.4D схематически изображает энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую трехконтактному коммутационному устройству по фиг.4C;

фигуры 5A, 5B, 5C и 5D каждая схематически показывают репрезентативную молекулярную структуру для трехконтактного коммутационного устройства по настоящему изобретению;

фиг.6 изображает альтернативный примерный вариант трехконтактного молекулярного коммутационного устройства по настоящему изобретению;

фиг.7A изображает примерное трехконтактное коммутационное устройство по настоящему изобретению, использующее молекулярный резонансный туннельный диод, к которому присоединены легирующие группы и структура молекулярного затвора;

фиг.7B изображает другой альтернативный примерный вариант трехконтактного коммутационного устройства по настоящему изобретению, использующего молекулярный резонансный туннельный диод, к которому присоединены легирующие группы и структура молекулярного затвора;

фигуры 8A, 8B и 8C схематически показывают соответственно эквивалентную схему для инвертора, репрезентативную молекулярную структуру для инвертора по настоящему изобретению и примерный молекулярный инвертор на основе полифенилена по настоящему изобретению;

фигуры 9A и 9B схематически показывают соответственно альтернативный репрезентативный вариант молекулярной структуры для инвертора по настоящему изобретению и примерную молекулярную структуру инвертора на основе полифенилена по фиг.9A;

фигуры 10A и 10B схематически показывают соответственно эквивалентную электрическую схему для логического элемента И-НЕ и примерный молекулярный логический элемент И-НЕ на основе полифенилена по настоящему изобретению;

фигуры 11A и 11B схематически показывают соответственно эквивалентную электрическую схему для логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ и примерную схематическую структуру молекулярного логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ на основе полифенилена по настоящему изобретению; и,

фигуры 12A и 12B схематически показывают соответственно эквивалентную электрическую схему для полусумматора и примерную схематическую структуру молекулярного полусумматора на основе полифенилена по настоящему изобретению.

Описание предпочтительных воплощений

Обращаясь к фиг.2A, здесь изображена молекулярная структура 11 выпрямляющего диода, которая основана на полиароматическом проводнике 12, который содержит множество последовательно связанных, по существу идентичных ароматических кольцевых структур 13. Как здесь используется, молекулярный проводник представляет собой отдельную молекулу, имеющую множество по существу идентичных кольцевых структур, соединенных или связанных друг с другом последовательно и/или параллельно, которые формируют электропроводящую молекулярную цепь или сеть. Под "связанными" ароматическими кольцами подразумевается то, что кольца однократно и многократно связаны друг с другом или с промежуточными атомами углерода или углеводородными группами. Использование термина "ароматическое кольцо" подразумевает включение в рассмотрение кольцевых молекулярных структур, имеющих по существу ароматический характер, таких, как кольца, в которых были введены и связаны в кольце гетероатомы. Такие гетероатомы представляют собой атомы, иные, чем углерод, например атомы, выбранные из элементов III, IV и V групп Периодической Таблицы, подобные бору, кремнию или азоту. Молекулярный проводник может быть сформирован из таких колец, как бензол, циклопентадиен, циклопропен, и их сочетаний.

Отдельная молекула 11 имеет две секции 14 и 15, разделенные с помощью изолирующей группы 16, обозначенной с помощью R. Секция 14 молекулы 11 может быть легирована по меньшей мере одной связанной с ней группой, отбирающей электрон(ы) и обозначенной как Y. Секция 15 молекулы 11 может быть легирована по меньшей мере одной связанной с ней группой 18, отдающей электрон(ы) и обозначенной как X. На самом деле должна легироваться только одна секция 14 или 15. Ароматические кольца связаны друг с другом с помощью по меньшей мере одной из соответствующих легирующих групп X и Y, связанных с одним или несколькими центрами соответствующих секций проводника. Связывание изолирующих и легирующих групп с проводником может быть осуществлено с помощью обычных реакций включения и замещения, хорошо известных в данной области техники, причем либо с помощью таких реакций самих по себе, либо в сочетании с методиками манипуляций с использованием сканирующего туннельного электронного микроскопа или другого нанозонда (нанодатчика). В дополнение к этому, изолирующая группа 16 может быть использована для "сращивания" друг с другом двух проводников, каждый из которых представляет собой соответствующую секцию 14 и 15.

Как показано, молекулярная структура 11 представляет собой выпрямляющий диод, который интегрально включен в молекулярный проводник 12 на основе полифенилена. Здесь бензольные кольца 13 связаны тройными этиниленовыми связями 19. Тройные этиниленовые связи 19 вставлены (введены в структуру) в качестве спейсеров или разделителей между кольцами 13 для устранения стерического взаимодействия между атомами водорода, связанными с соседними кольцами 13. Изолятор 16 вводится в проводник путем присоединения насыщенной алифатической группы или группы, имеющей преимущественно алифатический характер по отношению к транспорту электронов в ней (отсутствие пи-орбиталей). Добавление изолятора 16 разделяет проводник на две секции 14 и 15. Секция 14, как показано, легируется для формирования центра-акцептора электронов, а секция 15 легируется для формирования центра-донора электронов. Хотя показан только один центр-донор электронов и один центр-акцептор электронов, множество таких центров может быть введено в структуру, причем в одно и то же кольцо или в соседние кольца для корректировки падения напряжения на концах изолятора 16. Необходимо также заметить, что достаточное падение напряжения может быть получено путем легирования только одной секции 14 или 15 соответствующей легирующей группой 17 или 18. Соответствующие дальние концы проводника присоединяются к контактам. Проводимость такого соединения улучшается с помощью группы-заместителя ω, которая расположена соответственно на дальних концах проводника и которая химически связывается с электрическим контактом.

Сравнивая молекулярную структуру 11, изображенную на фиг.2A, с диаграммами потенциальной энергии, представленными на фигурах 2B-2D, можно заметить, что изолирующая группа 16, расположенная по существу в средине молекулы 11, соответствует (ассоциируется с) потенциальному энергетическому барьеру 20. Существуют также барьеры 21 и 22 между молекулой 11 и проводящими контактами 23 и 24 на каждом из концов молекулы 11, сформированные заместителями ω, имеющими соответствующую характеристику для селективного присоединения к конкретной атомной или молекулярной структуре контактов 23, 24. Барьер 20 служит для поддержания некоторой степени электрической изоляции между различными частями структуры, достаточной для предотвращения прихода уровней 26, 26' и 25, 25' энергии соответственно секций 14 и 15 в равновесие. Однако ни один из этих барьеров не является настолько широким или настолько высоким, чтобы полностью предотвратить туннелирование электронов через них под действием напряжения смещения. Материал контактов 23, 24 может представлять собой металл или проводящий неметалл, такой, как тубулены или нанотрубки (от англ. buckytubes). Изолирующая группа R может представлять собой любую группу, которая является более изолирующей, чем полиароматическая цепь 12. Некоторые кандидаты на эту роль включают в себя алифатические группы, такие, как связанные сигма-связью метиленовые группы (-CH₂-) или диметиленовые группы (-CH₂CH₂-).

Как показано на фиг.2D, слева от центрального барьера 20 все уровни 25 энергии с валентностью пи-типа имеют повышенные энергии из-за присутствия группы 18, отдающей электрон(ы), и обозначенной в структуре молекулы 11 как X. Эти уровни включают в себя как самую высокую заполненную молекулярную орбиталь (от англ. the highest occupied molecular orbital, HOMO), так и самую нижнюю заполненную молекулярную орбиталь (от англ. the lowest occupied molecular orbital, LUMO). Среди множества возможных заместителей, отдающих электроны, следующие далее группы представляют собой примеры некоторых пригодных для использования заместителей, которые могут быть использованы для формирования выпрямляющего диода. В частности, такие заместители включают в себя: -NH₂, -OH, -CH₃, -CH₂CH₃ и тому подобное.

В контексте современной молекулярной квантовой механики необходимо понять, что группа-донор электронов, связанная с ароматическим кольцом, имеет тенденцию к размещению большей электронной плотности на кольце или там, где множество групп X присоединены к нескольким сопряженным ароматическим кольцам, создавая более высокую электронную плотность на множестве колец при нулевом прилагаемом смещении. Это увеличивает величину взаимного отталкивания между электронами на молекулярной орбитали, соответствующей кольцевой структуре или сопряженной кольцевой структуре. В таком случае сопряженной кольцевой структуры слева от центрального барьера 20 это дополнительное отталкивающее взаимодействие увеличивает общую энергию, а также энергии орбиталей ее компонентов.

Справа от центрального барьера все уровни энергии валентности пи-типа имеют пониженную энергию из-за присутствия группы 17, отбирающей электроны и обозначенной на молекулярной диаграмме как Y. Это относится как к орбиталям HOMO, так и LUMO на центре-акцепторе. Примеры некоторых заместителей, отбирающих электроны, которые являются пригодными для использования при формировании акцепторной легирующей группы, включают в себя:

-NO₂, -CN, -CHO, -COR' и тому подобное, где R' представляет собой алифатическую цепь. Группа 17, отбирающая электроны, связана с кольцом 13, или же множество групп 17 могут быть соответствующим образом связаны с несколькими сопряженными ароматическими кольцами 13. Эти группы имеют тенденцию к удалению электронной плотности с соответствующего кольца или колец 13, тем самым понижая величину электронного отталкивания между электронами, связанными с кольцевой структурой или с сопряженной кольцевой структурой. Это ослабление отталкивающих взаимодействий понижает общую энергию структуры справа от центрального барьера 20, а также энергию орбиталей ее компонентов при условии нулевого смещения.

Добавление одного или нескольких легирующих заместителей создает в некотором смысле "предварительное смещение" вдоль (или, иначе говоря, на концах) барьера 20. Это предварительное смещение или вызванная легированием разница в уровнях энергий орбиталей между двумя секциями молекулы 11 существует даже тогда, когда существует нулевое смещение, прилагаемое извне, как показано на фиг.2D. Это предварительное смещение должно быть преодолено для того, чтобы электроны протекали из секции, легированной акцептором электронов, в секцию, легированную донором электронов, туннелируя сквозь барьер 20. Разница энергий (ΔE_LUMO) между энергией орбитали LUMO донора (E_D-LUMO) и энергией орбитали самой нижней по энергии орбитали акцептора (E_A-LUMO), устанавливающаяся с помощью легирования секций проводника, делает возможной работу (функционирование) молекулы в качестве выпрямляющего диода. Путем использования обеих групп, т.е. как группы, отдающей электроны, так и группы, отбирающей электроны, которые обе связаны с соответствующими секциями проводника, собственное смещение увеличивается, поднимая пи-орбитали 25 донорной секции и понижая пи-орбитали 26 акцепторной секции. Как обсуждалось ранее, достаточные разности уровней энергии могут также быть получены путем использования одной легирующей группы, т.е. либо группы-донора электронов, либо группы-акцептора электронов, которая была бы достаточной для работы выпрямляющего диода.

Индуцированная разность относительных положений энергий валентных пи-орбиталей 25 в донорной секции 15 и валентных пи-орбиталей 26 в акцепторной секции 14 молекулы 11 при нулевом напряжении смещения, прилагаемом извне, создает основу для принципов работы мономолекулярного выпрямляющего диода, внедренного в молекулярный проводник. Принципы работы такого выпрямляющего диода подробно описываются в следующих далее разделах.

На фиг.2B, к молекуле 11, показанной на фиг.2A, прилагают прямое напряжение смещения, причем высокое напряжение - на контакт 24, (левый контакт), а более низкое напряжение - на контакт 23 (правый контакт). В условиях такого смещения электроны на заселенных квантовых уровнях правой секции 14 с более низким напряжением вынуждены двигаться или течь справа налево через молекулу 11 с тем, чтобы достичь левой секции 15 с более высоким напряжением. Этот поток электронов представляет собой следствие разности энергий, сформированной с помощью приложенного напряжения смещения, при этом электроны перекачиваются в секцию, к которой приложено положительное напряжение.

Заселенные квантовые уровни в каждом контакте представлены близко расположенными горизонтальными линиями 27 на самом левом и самом правом краях фигур 2B, 2C и 2D. Энергия самого высокого из этих заселенных уровней 27, т.е. уровня Ферми, известна как энергия Ферми (E_F) в металлическом контакте. Приложение прямого напряжения смещения стремится повысить энергию уровня Ферми у контакта с низким напряжением и понизить энергию уровня Ферми у другого контакта. Таким образом, для появления указанного потока электронов справа налево при прямом смещении разность напряжения смещения должна быть достаточна для того, чтобы повысить энергию Ферми электронов на заселенных уровнях контакта 23 по меньшей мере до уровня энергии пи-орбитали LUMO в акцепторной секции 14 молекулы 11. Это находится в соответствии с принципом Паули, при этом остальным электронам запрещено переходить на пи-орбитали HOMO с более низкой энергией в акцепторной половине молекулы, поскольку они уже дважды заняты (т.е. каждый из них занят двумя электронами), и электроны, расположенные на них, не могут туннелировать с них влево.

Тем не менее, если энергия Ферми контакта 23 увеличивается с помощью прямого напряжения смещения до величины энергии LUMO в акцепторной секции или выше нее, то электроны могут туннелировать из контакта 23 на пустые LUMO непосредственно в левую сторону. Затем электроны могут еще раз туннелировать влево через центральный изолирующий барьер 20 к множеству незаселенных молекулярных орбиталей в донорной секции 15 молекулы 11. Выше порогового напряжения или напряжения "включения" для молекулярного выпрямляющего диода молекулярные орбитали в донорной секции 15 достаточно понижаются по энергии с помощью прямого напряжения смещения, так что одна или несколько из них совпадают с LUMO в акцепторой секции 14 молекулы 11, как показано на фиг.2B.

Как будет понятно специалисту в данной области техники, в случае прямого напряжения смещения величина напряжения, которое должно быть приложено, вероятно, не будет слишком большой для того, чтобы начать движение или течение электронов благодаря повышению уровня Ферми контакта 23, достаточному для превышения энергии LUMO акцепторной секции 14 молекулы 11. Это происходит потому, что уровни энергии акцепторной секции 14 понижаются заранее благодаря присутствию группы-заместителя 17, отбирающей электроны и связанной с секцией 14.

С другой стороны, протекание электронов не является таким легким делом, когда к молекуле 11 приложено обратное напряжение смещения, как иллюстрируется схематически на фиг.2C. В случае обратного напряжения смещения с более высоким напряжением на контакте 23 и более низким напряжением на контакте 24 электроны на правом контакте 24, как правило, не стремятся перемещаться слева направо по молекуле 11. Для реального осуществления этого протекания электронов по молекуле обратное напряжение смещения должно быть достаточным для того, чтобы повысить уровень Ферми контакта 24 таким образом, чтобы он был по меньшей мере настолько же высоким, как и энергия пи-орбиталей LUMO в донорной секции 15 молекулы 11. Однако в случае обратного напряжения смещения величина напряжения, которое должно быть приложено, является значительно большей, чем в случае прямого напряжения смещения, для повышения энергии Ферми контакта, достаточного для того, чтобы превзойти энергию LUMO соседней части молекулы 11. Это происходит потому, что все уровни энергии донорной секции 15 повышены заранее благодаря присутствию группы-заместителя 18, отдающей электроны и связанной с секцией 15 молекулы 11. Такой высокий уровень напряжения представляет собой аналог обратного напряжения пробоя обычных полупроводниковых устройств.

Как показано на фиг.2C, в обратном направлении прикладывается такая же величина напряжения, как и та, которая используется в прямом направлении (фиг.2B), и оно является недостаточным для того, чтобы дать возможность электронам туннелировать из контакта 24 на уровень энергии LUMO молекулы 11. Различные характеристики молекулы 11 при прямом и обратном смещении определяют классическое поведение выпрямляющего диода.

Описанный выше выпрямляющий диод, подобно резонансному туннельному диоду на фиг.1A, является пригодным для использования при конструировании функций Булевой логики, которые могут быть использованы в цифровых схемах нанометрового масштаба. Однако такие молекулярные электронные коммутационные устройства страдают от того же главного недостатка, то есть они не обладают способностью обеспечивать усиление мощности.

Для достижения усиления мощности требуется трехконтактное устройство, т.е. устройство с тремя контактами, в котором малое напряжение и/или ток прикладывается к управляющему электроду для осуществления коммутации большего напряжения и/или тока, протекающего между двумя другими электродами этого устройства. В частности, молекулярный резонансный туннелирующий транзистор может быть сформирован путем связывания структуры затвора со структурой молекулярного диода, причем либо выпрямляющего диода, либо резонансного туннельного диода, для формирования новой отдельной молекулы, которая функционирует в качестве коммутационного устройства и усилителя с электрическим приводом. Пример такого устройства иллюстрируется на фигурах 3A и 3C, где изображается структура молекулярного резонансного туннельного транзистора 100, который сформирован путем химического связывания молекулярной структуры 102 затвора с молекулярной структурой 111. Взятая в отдельности молекулярная структура 111 определяла бы выпрямляющий диод, структура и работа которого обсуждалась ранее. Молекулярная структура транзистора 100 функционально представляет собой аналог объемного полупроводникового транзистора с каналом n-типа, работающего в режиме обогащения. Подобно твердотельному электронному устройству, молекулярный транзистор 100 основывается на стратегическом использовании химических легирующих групп, отдающих электроны и отбирающих электроны (производящих "дырки"), т.е. легирующих групп 117 и 118 соответственно. Эти легирующие химические заместители 117, 118, которые ковалентно связаны с оставшейся частью молекулы 112, обозначены как X и Y. В соответствии с фундаментальными основами органической химии заместитель X или множество заместителей X (как ранее обсуждалось) должен пониматься как группа, отдающая электроны. Такая группа может включать в себя, например,

-NH₂, -OH, -OCH₃, -CH₃, -CH₂CH₃ и тому подобное. Легирующий заместитель Y или множество таких заместителей должны пониматься как группа, отбирающая электроны (или акцептор). Примеры таких заместителей включают в себя -NO₂, -CN, -CHO, -COR' и тому подобное, где R' представляет собой алифатическую цепь.

Как будет видно в следующих далее параграфах, молекулярный транзистор сохраняет структуру, родственную структуре исток-сток-затвор с тремя контактами, найденную для твердотельного полевого транзистора. В дополнение к этому, молекулярный транзистор 100 использует резонансные коммутационные (переключающие) эффекты, причем эти эффекты являются хорошо известными в данной области техники. Транзистор 100 использует молекулярную структуру молекулярного выпрямляющего диода для формирования областей истока и стока молекулярного транзистора. Для получения молекулярного резонансного туннельн