Реферат: Молекулярная электроника- электроника 21 века

Введение

В 1965 году, на заре компьютерной эры, директор отделаисследовательской компании Fairchild Semiconductors Гордон Мур предсказал, чтоколичество транзисторов на микросхеме будет ежегодно удваиваться. Прошло уже 35лет, а «закон Мура» по-прежнему действует. Правда, со временемпрактика микроэлектронного производства внесла в него небольшую поправку:сегодня считается, что удвоение числа транзисторов происходит каждые 18месяцев. Такое замедление роста вызвано усложнением архитектуры микросхем. И всеже, для кремниевой технологии предсказание Мура не может выполняться вечно.

Но есть и другое, принципиальное ограничение на «закон Мура».Возрастание плотности размещения элементов на микросхеме достигается за счетуменьшения их размеров. Уже сегодня расстояние между элементами процессораможет составлять 0,13х10-6 метра (так называемая 0,13-микроннаятехнология). Когда размеры транзисторов и расстояния между ними достигнутнескольких десятков нанометров, вступят в силу так называемые размерные эффекты- физические явления, полностью нарушающие работу традиционных кремниевыхустройств. Кроме того, с уменьшением толщины диэлектрика в полевых транзисторахрастет вероятность прохождения электронов через него, что также препятствуетнормальной работе приборов.

Еще один путь повышения производительности — применение вместо кремниядругих полупроводников, например арсенида галлия (GaAs). За счет более высокойподвижности электронов в этом материале можно увеличить быстродействиеустройств еще на порядок. Однако технологии на основе арсенида галлия намногосложнее кремниевых. Поэтому, хотя за последние два десятка лет в исследованиеGaAs вложены немалые средства, интегральные схемы на его основе используются восновном в военной области. Здесь их дороговизна компенсируется низкимэнергопотреблением, высоким быстродействием и радиационной устойчивостью.Однако и при разработке устройств на GaAs остаются в силе ограничения,обусловленные как фундаментальными физическими принципами, так и технологиейизготовления.

Вот почему сегодня специалисты в разных областях науки и техники ищутальтернативные пути дальнейшего развития микроэлектроники. Один из путейрешения проблемы предлагает молекулярная электроника.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА-ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО.

Возможность использования молекулярных материалов и отдельных молекулкак активных элементов электроники уже давно привлекает внимание исследователейразличных областей науки. Однако только в последнее время, когда сталипрактически ощутимы границы потенциальных возможностей полупроводниковойтехнологии, интерес к молекулярной идеологии построения базовых элементовэлектроники перешел в русло активных и целенаправленных исследований, которыестали сегодня одним из важнейших и многообещающих научно-технических направленийэлектроники.

Дальнейшие перспективы развития электроники связываются с созданиемустройств, использующих квантовые явления, в которых счет уже идет на единицыэлектронов. В последнее время широко ведутся теоретические и экспериментальныеисследования искусственно создаваемых низкоразмерных структур; квантовых слоев,проволок и точек. Ожидается, что специфические квантовые явления, наблюдающиесяв этих системах, могут лечь в основу создания принципиально нового типаэлектронных приборов.

Переход на квантовый уровень, несомненно, является новым, важным этапомв развитии электроники, т.к. позволяет перейти на работу практически сединичными электронами и создать элементы памяти, в которых один электрон можетсоответствовать одному биту информации. Однако создание искусственных квантовыхструктур представляет сложнейшую технологическую задачу. В последнее времястало очевидным, что реализация таких структур сопряжена с большимитехнологическими сложностями даже при создании единичных элементов, и непреодолимыетрудности возникают при создании чипов с многомиллионными элементами. Выходомиз создавшегося положения, по мнению многих исследователей, является переход кновой технологии -молекулярной электронике.

Принципиальная возможность использования отдельных молекул как активныхэлементов микроэлектроники была высказана Фейнманом еще в 1957 году. Позднее онпоказал, что квантомеханические законы не являются препятствием в созданииэлектронных устройств атомарного размера, пока плотность записи информации не превышает1 бит/атом. Однако, только с появлением работ Картера и Авирама стали говоритьо молекулярной электронике, как о новой междисциплинарной области, включающейфизику, химию, микроэлектронику и компьютерную науку, и ставившую своей цельюперевод микроэлектроники на новую элементную базу -молекулярные электронныеустройства.

Здесь определенно напрашивается аналогия с историей развития устройствточного времени, которые прошли путь от механических хронометров, использующихразличного типа маятники, через кварцевые часы, основанные на твердотельныхрезонансах, и, наконец, сегодня наиболее точные часы используютвнутримолекулярные эффекты в молекулах аммиака и т.д. Подобным образомразвивается и электроника, прошедшая путь от механических электромагнитных релеи электровакуумных ламп к твердотельным транзисторам и микросхемам, а сегодняона подошла к порогу, за которым лежит область молекулярной технологии.

Не случайно, что основное внимание было сосредоточено на молекулярныхсистемах. Во-первых, молекула представляет собой идеальную квантовую структуру,состоящую из отдельных атомов, движение электронов по которой задаетсяквантово-химическими законами и является естественным пределом миниатюризации.Другой, не менее важной особенностью молекулярной технологии, является то, чтосоздание подобных квантовых структур в значительной мере облегчено тем, что воснове их создания лежит принцип самосборки. Способность атомов и молекул приопределенных условиях самопроизвольно соединяться в наперед заданные молекулярныеобразования является средством организации микроскопических квантовых структур;оперирование с молекулами предопределяет и путь их создания. Именно синтезмолекулярной системы является первым актом самосборки соответствующихустройств. Этим достигается идентичность собранных ансамблей и, соответственно,идентичность размеров элементов и, тем самым, надежность и эффективностьпротекания квантовых процессов, функционирования молекулярных устройств.

С самого начала развития молекулярного подхода в микроэлектроникеоткрытым оставался вопрос о физических принципах функционирования молекулярныхэлектронных устройств. Поэтому основные усилия были сосредоточены на их поиске,при этом основное внимание уделялось одиночным молекулам или молекулярнымансамблям. Несмотря на большое количество работ в этом направлении,практическая реализация молекулярных устройств далека до завершения. Одной изпричин этого является то, что особенно в начальный период становлениямолекулярной электроники сильный акцент был сделан на работе отдельных молекул,поиске и создании бистабильных молекул, имитирующих триггерные свойства.Конечно, этот подход весьма притягателен с точки зрения миниатюризации, но оноставляет мало шансов на то, что молекулярные электронные устройства могут бытьсозданы в ближайшее время.

Развитие нового подхода в микроэлектронике требует решения ряда проблемв трех основных направлениях: разработка физических принципов функционированияэлектронных устройств; синтез новых молекул, способных хранить, передавать и преобразовыватьинформацию; разработка методов организации молекул в супрамолекулярный ансамбльили молекулярное электронное устройство.

В настоящее время ведется интенсивный поиск концепций развитиямолекулярной электроники и физических принципов функционирования, иразрабатываются основы построения базовых элементов. Молекулярная электроникастановится новой междисциплинарной областью науки, объединяющей физику твердоготела, молекулярную физику, органическую и неорганическую химии и ставящей своейцелью перевод электронных устройств на новую элементную базу. Для решенияпоставленных задач и концентрации усилий исследователей, работающих в различныхобластях знаний, во всех индустриально развитых странах создаются Центрымолекулярной электроники, объединенные лаборатории, проводятся международныеконференции и семинары.

Сейчас, да видимо, и в ближайшее время, трудно говорить о созданиимолекулярных электронных устройств, работающих на основе функционированияодиночных молекул, но можно реально говорить об использовании молекулярныхсистем, в которых внутримолекулярные эффекты имеют макроскопическое проявление.Такие материалы можно назвать «интеллигентными материалами». Этапсоздания «интеллигентных материалов», т.е. этап функциональной молекулярнойэлектроники, естественный и необходимый период в развитии электроники, являетсяопределенной стадией в переходе от полупроводниковой технологии к молекулярной.Но возможно, что этот период будет более продолжительным, чем сейчас намкажется. Представляется более реалистичным, особенно на первых этапах развитиямолекулярной электроники, использовать макроскопические свойства молекулярныхсистем, которые обуславливались бы структурными реорганизациями, происходящимина уровне отдельных молекулярных ансамблей. Физический принцип функционированияподобных электронных устройств должен снять размерностные ограничения, покрайней мере, до размеров больших молекулярных образований. С точки зренияэлектроники и потенциальной возможности стыковки молекулярных устройств с их полупроводниковымисобратьями, было бы предпочтительно иметь дело с молекулярными системами,изменяющими свою электронную проводимость при внешних воздействиях, в первуюочередь под воздействием электрического поля.

Идеи молекулярной электроники не сводятся к простой заменеполупроводникового транзистора на молекулярный, хотя будет решаться и этачастная задача. Главной целью все же является создание сложных молекулярныхсистем, реализующих одновременно несколько различных эффектов, выполняющихсложную задачу. К задачам этого типа естественно в первую очередь отнестизадачу создания универсального элемента памяти, как наиболее важной частилюбого информационно-вычислительного устройства. Представляется весьмаочевидным, что потенциальные возможности молекулярной электроники будутраскрыты в большей мере при создании нейронных сетей, состоящих из нейронов исвязывающих их электроактивных синапсов. Создание средствами молекулярнойэлектроники искусственных нейронов, различного типа сенсоров, включенных вединую сеть, откроет путь к реализации всех потенциальных возможностей,заложенных в нейрокомпьютерной идеологии, позволит создать принципиально новыйтип информационно-вычислительных систем и подойти вплотную к решению проблемысоздания искусственного интеллекта.

Бактериородопсин: структураи функции.

Молекулярная электроника определяется каккодирование (запись), обработка и распознавание (считывание) информации намолекулярном и макромолекулярном уровне. Основное преимущество молекулярногоприближения заключается в возможности молекулярного дизайна и производстваприборов «снизу вверх», т.е. атом за атомом или фрагмент зафрагментом, — параметры приборов определяются органическим синтезом и методамигенной инженерии. Двумя общепризнанными достоинствами молекулярной электроникиявляются значительное уменьшение размеров устройств и времени срабатывания(gate propagation delays) логических элементов.
 
Биоэлектроника, являющая разделом молекулярной электроники, исследуетвозможность применения биополимеров в качестве управляемых светом илиэлектрическими импульсами модулей компьютерных и оптических систем. Основноетребование к вероятным кандидатам среди большого семейства биополимеров состоитв том, что они должны обратимо изменять свою структуру в ответ на некоефизическое воздействие и генерировать, по крайней мере, два дискретныхсостояния, отличающихся легко измеряемыми физическими характеристиками(например, спектральными параметрами).

Значительный интерес в связи с этим представляют белки, основная функциякоторых связана с трансформацией энергии света в химическую в различныхфотосинтетических системах. Наиболее вероятным кандидатом среди них являетсясветозависимый протонный насос — бактериородопсин (БР) из галофильногомикроорганизма Halobacterium salinarum(ранее Halobacterium halobium), открытыйв 1971году.

Бактериородопсин — ретиналь-содержащий генератор протонного транспортапредставляет собой трансмембранный белок в 248 аминокислот с молекулярным весом26 кДа, пронизывающий мембрану в виде семи a-спиралей; N- и C-концы полипептидной цепинаходятся по разные стороны цитоплазматической мембраны: N-конец обращеннаружу, а C-конец — внутрь клетки (рис.1, 2).

<img src="/cache/referats/12662/image001.gif" v:shapes="_x0000_i1025">

Рис.1. Модель БР в элементах вторичной структуры. Выделены аминокислоты,
участвующие в протонном транспорте: кружками остатки аспарагиновой кислоты,
квадратом остаток аргинина. С Lys-216 (К-216) образуется основание Шиффа (SB).
Стрелкой показано направление протонного транспорта.

Хромофор БР — протонированный альдимин ретиналя с a-аминогруппойостатка Lys-216 размещен в гидрофобной части молекулы. После поглощения квантасвета в ходе фотоцикла происходит изомеризация ретиналя из all-E в 13Z-форму. Белковое микроокружение хромофора можетрассматриваться как рецептор с субстратной специфичностью для all-E /13Z-ретиналя, которыйкатализирует эту изомеризацию при комнатной температуре. Кроме того, частьаминокислот ответственна за подавление изомеризаций, отличных от all-E /13Z, например от all-E- к 7Z-, 9Z-, 11Z-ретиналю.Остальная часть полипептидной цепи обеспечивает канал протонного транспорта илиэкранирует фотохромнуювнутреннюю группу от влияний внешней среды.

Взаимная топография образованных полипептидной цепью БР элементов вторичнойструктуры после поглощения молекулой хромофора кванта света изменяется, врезультате чего формируется канал трансмембранного переноса протонов изцитоплазмы во внешнюю среду. Однако молекулярный механизм светозависимоготранспорта до сих пор неизвестен.

<img src="/cache/referats/12662/image002.jpg" v:shapes="_x0000_i1026">

Рис.2. Схематическая модель трехмерной (пространственной) структуры БР Семь a-спиралей формируют хромофорную полость и трансмембранный каналпереноса протона.

БР содержится в клеточной мембране H. salinarum — галофильной архебактерии,которая живет и размножается в соленых болотах и озерах, где концентрация NaClможет превышать 4 М, что в 6 раз выше, чем в морской воде (~ 0,6 М). Этотуникальный белок во многом подобен зрительному белку родопсину, хотя ихфизиологические функции различны. В то время как зрительный родопсин действуеткак первичный фоторецептор, который обеспечивает темное зрение большинствапозвоночных животных, физиологическая роль БР заключается в том, чтобы даватьвозможность галобактериям действовать как факультативным анаэробам в случае,когда парциальное давление кислорода в окружающей среде мало. Белокфункционирует как светозависимый протонный насос, который обеспечиваетобразование электрохимического градиента протонов на поверхности мембраныклетки, который, в свою очередь, служит для аккумулирования энергии. Первичнаяработа, производимая градиентом, заключается в синтезе АТФ через анаэробное(фотосинтетическое) фосфорицирование и, в этом случае, представляет собойклассический пример хемиосмотической гипотезы Митчелла об окислительномфосфорицировании. Когда освещение отсутствует, а парциальное давление кислородавысоко, бактерии возвращаются к аэробному окислительному фосфорицированию .
Клетки H. salinarum содержат такжедва так называемых сенсорных родопсина (СР I и СР II), которые обеспечиваютположительный и отрицательный фототаксис. Различные длины волн считываются СР Iи СР II как детекторными молекулами, что вызывает каскад сигналов, управляющихжгутиковым двигателем бактерии. При помощи такого элементарного процессасветового восприятия микроорганизмы самостоятельно перемещаются в светподходящего спектрального состава. Кроме того, в клетках имеется галородопсин(ГР), представляющий собой светозависимый насос ионов Cl–. Егоосновная функция — транспорт в клетку ионов хлора, которые постоянно теряютсябактерией, перемещаясь в направлении изнутри наружу под действиемэлектрического поля, создаваемого БР. Механизм действия ГР неясен.Предполагается, что Cl– связывается с положительно заряженнымчетвертичным азотом протонированного Шиффова основания, а изомеризация ретиналяиз all-E в 13Z-форму вызываетперемещение этого азота с прикрепленным к нему ионом Cl– от входногок выходному Cl– – проводящему пути.

<img src="/cache/referats/12662/image003.gif" v:shapes="_x0000_i1027">

Рис.3. Участок пурпурной мембраны (вид сверху).

БР локализован в участках клеточных мембран H. salinarum в виде пурпурных мембран(ПМ), образующих двумерные кристаллы с гексагональной решеткой. Эти участкисодержат сам белок, некоторые липиды, каротиноиды и воду (рис.3). Обычно ониимеют овальную или круглую форму со средним диаметром около 0,5 мкм и содержатоколо 25 % липидов и 75 % белка. ПМ устойчивы к солнечному свету, воздействиюкислорода, температуре более чем 80ºC (в воде) и до 140ºC (сухие), рНот 0 до 12, высокой ионной силе (3 М NaCl), действию большинства протеаз,чувствительны к смесям полярных органических растворителей с водой, но устойчивык неполярным растворителям типа гексана. Большое практическое значение имеетсуществующая возможность встраивания ПМ в полимерные матрицы безпотери фотохимических свойств.

Индуцированный светом протонный транспорт сопровождается рядом циклическихспектральных изменений БР, совокупность которых называется фотоциклом (рис.4).Тридцать лет исследований привели к довольно детальному пониманию фотоцикла,однако подробности протонного транспорта все еще изучаются.

Фотохимический цикл БР состоит из отдельных интермедиатов, которые могут бытьидентифицированы как максимумами поглощения, так и кинетикой образования ираспада. На рис.4 показана упрощенная модель фотоцикла БР.

<img src="/cache/referats/12662/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1028">

Рис.4. Фотоцикл БР.

Фотохимические и тепловые стадии показаны как толстые и тонкие стрелкисоответственно. Вертикальные символы указывают на all-E-конформацию ретиналя (интермедиаты B и О), наклонныесимволы — на 13Z-конформацию. В темноте БР превращается в 1:1 смесь D и B, эта смесь называется темноадаптированным БР. При освещении БРпроисходит световая адаптация, т.е. переход в основное состояние B. Оттуда начинается фотоцикл, которыйприводит к транспорту протона через мембрану. В течение перехода L к М, длящегося примерно 40 мксек, Шиффово основание депротонируется иAsp85 становится протонированным. Оттуда протон идет к внешней стороневнеклеточной части протонного канала. В течение перехода М к N альдиминрепротонируется. В качестве донора протонов выступает остаток Asp96. Asp96репротонируется через цитоплазматический протонный полуканал. В то время каквсе преобразования между интермедиатами обратимы, переход от MI к MII, как полагают, является основным необратимым шагом вфотоцикле. В течение этого перехода азот Шиффова основания становитсянедоступным для внеклеточной части протонного канала, а только дляцитоплазматического полуканала, что связано с конформационными изменениямибелковой молекулы.

Физико-химические свойства интермедиатов характеризуются длиной волны ихмаксимумов поглощения и величиной специфического молярного коэффициентаэкстинкции. Протонирование SB и конфигурация ретинилиденового остаткавоздействует на величины максимумов поглощения. В течение фотоцикла БРпроисходит несколько зависящих от температуры конформационных изменений вбелке, таким образом, формирование большинства интермедиатов может бытьподавлено охлаждением.

Кроме основного фотоцикла имеется два состояния, которые могут быть вызваныискусственно. В интермедиатах P и Q конформация ретиналя 9Z. Этодостигается после фотохимического возбуждения all-E-ретиналя, когда в то же самое время Asp85 протонирован. Этоможет быть достигнуто в диком типе БР при низком значении pH или деионизацией(формирование так называемых голубых мембран), однако такие препаратынестабильны. Альтернативным подходом является замена Asp85 аминокислотой,имеющей другое значение pKa, которая остается незаряженной при интересующихзначениях pH или полное удаление карбоксильной группы методамисайт-направленного мутагенеза. Стабильность таких мутантных голубых мембранвыше.

Уникальные свойства бактериородопсина обеспечивают широкий диапазон техническихприложений, в которых он может использоваться, однако коммерчески осуществимына сегодняшний день только оптические, поскольку их интеграция в современныетехнические системы наиболее проста.

Оптические приложения основаны на применении пленок БР — полимерных матрицразличного состава с включенными в них молекулами белка. Впервые в мире такиепленки на основе дикого типа БР были получены и исследованы в нашей стране врамках проекта «Родопсин»; в 80-х годах была продемонстрированаэффективность и перспективность применения таких материалов, названных«Биохром», в качестве фотохромных материалов исреды для голографической записи.

Весьма интересной является возможность варьирования фотохимическихсвойств пленок БР:
      а) заменой природного хромофора на модифицированный;
      б) химическими (физико-химическими) воздействиями;
      в) точечными заменами определенныхаминокислотных остатков методами генетической инженерии.

Такие модифицированные материалы могут обладать ценнымипецифическими свойствами, что предопределит их использование как элементнойбазы биокомпьютера.

Мыслящая молекула

В последние годы ученые многих стран вернулись к старой и простой идее«химического» компьютера, в котором вычисления производятсяотдельными молекулами. За последний год исследователям сразу из несколькихлабораторий удалось получить в этой области блестящие результаты, обещающиерадикально изменить ситуацию.

Большого успеха достигли учёные в работе с молекулами псевдоротоксана(они показаны на рис.1).

<img src="/cache/referats/12662/image005.jpg" align=«left» hspace=«10» vspace=«10» v:shapes="_x0000_s1031">

<img src="/cache/referats/12662/image006.jpg" v:shapes="_x0000_i1029">

Им удалось насадить такую молекулу, имеющую форму кольца, на ось –линейную молекулу. Для того чтобы кольцо не соскакивало с оси, к ее концамприсоединяются крупные молекулярные фрагменты, играющие роль «гаек»(в этом качестве использовались разнообразные донорные группы). При реакции скислотой (Н+) или основанием (В) кольцо может скользить от одного конца оси кдругому, «переключая» химическое состояние. Забавно, что в принципена молекулярном уровне воссоздается механическое устройство, весьма похожее насоединение стержней и колесиков в первых, самых примитивных, вычислительныхустройствах ХVII века (впрочем, при желании в этой молекулярной структуре можноуглядеть и простейшие канцелярские счеты, с одной костяшкой на каждом прутике).

Эта изящная химическая молекула переключатель была изучена еще в начале90-х годов, однако для практической реализации идеи требовалось еще придуматьметоды объединения и управления массивами этих минимикродиодиков. Создав монослой одинаково ориентированных молекул такого типа на поверхности металла (этуочень сложную задачу удалось решить, используя новейшие нанотехнологическиеметоды самосборки), ученые осадили на него тончайший слой золота и уже создалина этой основе примитивные прототипы логических вентилей.

Через несколько месяцев после этого объединенная группа Марка Рида иДжеймса Тура (из универси тетов Йеля и Райса) продемонстрировала общественностиеще один класс молекул-переключателей. Результаты были настолько впечатляющими,что журнал «Scientific American» (июнь, 2000) даже вынес на обложкуанонс «Рождение молекулярной электроники»(хочется добавить –наконец-то!). Как написал со сдержанной гордостью один из авторов: «Мысоздали молекулу с переменной электропроводностью, которая может накапливать электроныпо нашей команде, то есть работать как запоминающее устройство».

<img src="/cache/referats/12662/image007.gif" align=«left» hspace=«10» vspace=«10» v:shapes="_x0000_s1033">

Прежде всего, Джеймс Тур по специальной методике синтезировалмолекулярную цепочку из звеньев бензол-1,4-дитиолата длиной 14 нанометров. Внее были введены группы, которые захватывают электроны, если молекула находится«под напряжением». Сложнейшая проблема, с которой также удалосьсправиться, заключалась в том, что переключение должно быть обратимымхимическим процессом. Для работы молекулы в качестве запоминающего элемента еенеобходимо научить не просто захватывать электроны, а удерживать их только втечение заданного времени. Собственно говоря, именно в этом и состоит главноедостижение Рида и Тура с коллегами.
Электрохимический (в самом строгом и буквальном смысле этого термина!)переключатель показан на рис. 2 (левая часть). Он представляет собой цепочку изтрех бензольных колец, к центральному из которых с противоположных сторонприсоединены группы NО2, и NН2, (на рисунке выделеныцветом). Такая асимметричная молекулярная конфигурация создает электронноеоблако сложной формы, в результате чего возникает удивительно красивый ипринципиально важный для решения поставленной задачи физический эффект – приналожении поля молекула закручивается, ее сопротивление меняется, и онаначинает пропускать ток (правая часть рисунка). При снятии поля молекулараскручивается в обратную сторону и возвращается в исходное состояние.Переключатель, созданный по этому принципу, представляет собой линейную цепочкуиз примерно 1000 молекул нитроаминобензолтиола, расположенную между двумяметаллическими контактами. Более того, замеры с использованием туннельногомикроскопирования (фрагмент молекулярной цепочки был впаян между сверхтонкимииглообразными золотыми электродами; геометрия эксперимента показана на рис. 3)позволили получить рабочие параметры переключателя, которые с полным правомможно назвать молекулярной вольт-амперной характеристикой и молекулярнойпроводимостью (рис.4). Кривая проводимости (которая, кстати, оказалась весьмаблизка к расчетной) имеет четко выраженный «провал». Это позволяетпереводить участки молекулы из проводящего состояния в непроводящее, инаоборот, простым изменением приложенного напряжения. Формально и фактическиполучен (химик, конечно, предпочтет термин «синтезирован»)молекулярный триод. Действительно, это можно считать первым этапом созданиямолекулярной электроники.

<img src="/cache/referats/12662/image009.jpg" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/12662/image010.gif" align=«left» hspace=«10» vspace=«10» v:shapes="_x0000_s1029">

<div v:shape="_x0000_s1034">

Рис.4 Молекулярная вольт-амперная характеристика

                                                                     

Заключение

Хотя теоретические основы молетроники уже достаточно хорошо разработаныи созданы прототипы практически всех элементов логических схем, однако на путиреального построения молекулярного компьютера встают значительные сложности.Внешне очевидная возможность использования отдельных молекул в качествелогических элементов электронных устройств оказывается весьма проблематичнойиз-за специфических свойств молекулярных систем и требований, предъявляемых к логическимэлементам.

В первую очередь логический элемент должен обладать высокой надежностьюсрабатывания при подаче управляющего воздействия. Если рассматривать оптическуюсвязь между элементами, то в системе одна молекула — один фотон надежностьпереключения будет невелика из-за относительно малой вероятности переходамолекулы в возбужденное состояние. Можно пытаться преодолеть эту трудность,используя одновременно большое число квантов. Но это противоречит другомуважному требованию: КПД преобразования сигнала отдельным элементом должен бытьблизок к единице, то есть средняя мощность реакции должна быть соизмерима сосредней мощностью воздействия. В противном случае при объединении элементов вцепь вероятность их срабатывания будет уменьшаться по мере удаления от началацепи. Кроме того, элемент должен однозначно переключаться в требуемое состояниеи находиться в нем достаточно долго — до следующего воздействия. Длясравнительно простых молекул это требование, как правило, не выполняется: еслипереходом в возбужденное состояние можно управлять, то обратный переход можетпроисходить спонтанно.

Однако не все так плохо. Использование больших органических молекул илиих комплексов позволяет, в принципе, обойти перечисленные трудности. Например,в некоторых белках КПД электронно-оптического преобразования близок к единице.К тому же, для больших биоорганических молекул время жизни возбужденногосостояния достигает десятков секунд.

Но даже в том случае, если отдельный молекулярный вычислительныйэлемент и не будет обладать надежностью своих кремниевых предшественников,эффективной работы будущего компьютера можно достичь, комбинируя принципымолетроники и параллельных вычислений, применяемых в суперкомпьютерах. Дляэтого надо заставить несколько одинаковых молекулярных логических элементовработать параллельно. Тогда неправильное срабатывание одного из них не приведетк заметному сбою в вычислениях. Современный суперкомпьютер, работающий попринципу массивного параллелелизма и имеющий многие сотни процессоров, можетсохранять высокую производительность даже в том случае, если 75% из них выйдетиз строя. Практически все живые системы используют принцип параллелизма.Поэтому несовершенство организмов на уровне отдельных клеток или генов немешает им эффективно функционировать.

Сегодня в мире существует уже более десятка научно-технологическихцентров, занимающихся разработкой устройств молекулярной электроники. Ежегодныеконференции  собирают сотни специалистовв этой области.

Большой интерес к молетронике вызван не только перспективами построениякомпьютера, но и широкими возможностями развития новых технологий. Благодарявысокой чувствительности молекулярных электронных устройств к свету их можноиспользовать для создания эффективных преобразователей солнечной энергии,моделирования процесса фотосинтеза, разработки нового класса приемниковизображения, принцип действия которых будет напоминать работу человеческогоглаза. Молекулярные устройства можно использовать также в качестве селективныхсенсоров, реагирующих только на определенный тип молекул. Такие сенсорынеобходимы в экологии, промышленности, медицине. Сенсор из органических молекулзначительно легче вживлять в организм человека с целью контроля за егосостоянием.

Для решения стоящих перед молекулярной электроникой проблем нужныусилия широкого круга ученых, работающих в области академических знаний отколлоидной химии и биологии до теоретической физики, а также в области высокихтехнологий. Кроме того, требуются значительные финансовые вложения.

Необходима также подготовка новыхвысококвалифицированных кадров для работы в этой сложной области, лежащей настыке наук. Но, судя по всему, лет через 10-15 она будет играть заметную роль внауке и технике.

Список используемого материала

По материаламсети Internet, статьи:

1.<span Times New Roman"">    

Гончарова Е., бакалаврбиотехнологии;

2.<span Times New Roman"">    

Зайцев В., Шишлова А.,физический факультет, МГУ им. М. В. Ломоносова;

3.<span Times New Roman"">    

Кригер Ю., д. ф-м. н.



еще рефераты
Еще работы по радиоэлектронике