Рис. 9. В смешанном монослое имеются молекулы, поглощающие свет (хвостатые прямоугольники), и молекулы-перехватчики (хвостатые кружки), отнимающие энергию от поглотителей. Интенсивность люминесценции монослоя при его освещении примерно одинакова для поглотителей и перехватчиков, хотя перехватчиков гораздо меньше и сами они почти не поглощают свет.
Сегодня в научной литературе активно дискутируется вопрос: можно ли сделать двухмерные магниты? А на физическом языке речь идет о том, имеется ли принципиальная возможность того, что при взаимодействии молекулярных магнитных моментов, расположенных в одной плоскости, возникнет спонтанная намагниченность. Чтобы решить эту проблему, в амфифильные молекулы-русалки вводят атомы переходных металлов (например, марганца), а затем получают монослои методом Блоджетт и изучают их магнитные свойства при низких температурах. Первые результаты говорят о возможности ферромагнитного упорядочения в двухмерных системах.
И еще один пример, демонстрирующий необычные физические свойства ленгмюровских пленок. Оказывается, на молекулярном уровне можно осуществить перенос информации от одного монослоя к другому, соседнему. После этого соседний монослой можно отделить и, таким образом, получить копию того, что было «записано» в первом монослое. Делается это следующим образом. Пусть, например, мы получили методом Блоджетт монослой из таких молекул, которые способны спариваться – димеризоваться – под действием внешних факторов, например, электронного луча (рис.10). Неспаренные молекулы будем считать нулями, а спаренные – единицами двоичного информационного кода. С помощью этих нулей и единиц можно, например, записать текст, считываемый оптически, поскольку неспаренные и спаренные молекулы имеют разные полосы поглощения. Теперь на этот монослой методом Блоджетт будем наносить второй монослой. Тогда в силу особенностей межмолекулярного взаимодействия молекулярные пары притягивают к себе точно такие же пары, а молекулы-одиночки предпочитают одиночек. В результате работы этого «клуба по интересам» информационная картина повторится на втором монослое. Отделив верхний монослой от нижнего, можно получить копию. Такой копировальный процесс вполне аналогичен процессу репликации информации с молекул ДНК – хранителей генетического кода – на молекулы РНК, переносящие информацию к месту синтеза белков в клетках живых организмов.
Рис. 10. Монослой амфифильного красителя при облучении электронами меняет свои оптические свойства за счет образования молекулярных пар – димеров. При переносе второго монослоя по методу Ленгмюра – Блоджетт новый слой формируется так, что напротив молекул-одиночек оказываются одиночки, а напротив пар – тоже пары. Отделив второй монослой от первого с помощью приложенной сверху полимерной пленки, получают точную копию информации, записанной электронным лучом.
Через молекулярное зодчество к молекулярной электронике
Теперь настала пора немного пофантазировать. Если вы воздвигаете сооружение из камня или дерева, то процесс этот называется каменным или соответственно деревянным зодчеством. Расширив этот образ, можно назвать молекулярным зодчеством конструирование красивых архитектурных ансамблей из органических молекул различного функционального назначения. Возникает вопрос, как это сделать и зачем. На вопрос «как?» мы уже ответили: конечно же, с помощью техники получения ленгмюровских пленок. Варьируя вид и ориентацию молекул в монослое и чередуя монослои разного типа (рис.11), можно получить мультислой, выполняющий ту или иную функцию. Ответ на вопрос, зачем это нужно, подсказывает рис.12, на котором продемонстрирована тенденция к микроминиатюризации электронных устройств. Сегодня полупроводниковая электроника вышла на такие линейные размеры приборов (меньше микрометра), когда уже начинают сказываться принципиальные ограничения, диктуемые физикой полупроводниковых кристаллов (скажем, длиной диффузии неравновесных носителей заряда, размерами дефектов и т.д.). Поэтому ученые сейчас все чаще стали обращать внимание на молекулярные системы, характерные размеры которых лежат в диапазоне нанометров. У молекулярных систем имеется еще одна важная особенность – они в принципе способны подражать работе функциональных биологических устройств, так как структурно очень похожи на эти устройства. Достаточно сравнить, например, двойные ленгмюровские слои (биослои) Y-типа с биологическими мембранами. Благодаря этим обстоятельствам сегодня мы уже говорим о перспективах развития новой науки – молекулярной электроники.
Рис. 11. Иллюстрация процесса молекулярного зодчества. Монослои из разных амфифильных молекул последовательно переносятся на одну и ту же подложку и образуют молекулярный архитектурный ансамбль, свойства которого определяются функциональными возможностями составляющих его «модулей».
Рис. 12. Размеры вновь создаваемых электронных приборов со временем становятся все меньше и меньше и вскоре должны достичь масштабов, характерных для отдельных молекул.
Эта наука своими первыми успехами обязана ленгмюровским пленкам, и прежде всего в том, что касается новых материалов. Уже созданы первые образцы высокопроводящих сверхтонких (толщиной в доли нанометра!) пленок на основе органических амфифильных молекул. Такие молекулы, как выяснилось, обладают донорными и акцепторными свойствами, то есть ведут себя фактически как крошечные полупроводники. Далее, полимеризация пленок Ленгмюра – Блоджетт, имеющих исключительно малую и к тому же калиброванную толщину (несколько монослоев), дает возможность вести филигранный литографический процесс с помощью электронного луча. Пространственное разрешение, которое ограничивает в электронной технологии минимальную толщину линий схемы, достигает в этом случае нескольких нанометров. Кроме того, ленгмюровские пленки предлагается использовать в качестве оптических волноводов со специально заданным по толщине профилем показателя преломления.
Широкое развитие получают сейчас гибридные системы, где ленгмюровские пленки скомбинированы с традиционными транзисторными элементами. Высокая диэлектрическая прочность позволяет использовать такие пленки в качестве одного из элементов – так называемого подзатворного диэлектрика в полевых транзисторах. Все это расширяет диапазон используемых полупроводниковых кристаллов. Диэлектрические монослои улучшают характеристики солнечных батарей и светоизлучающих (люминесцентных) диодов, «очувствляют» поверхность фотоматериалов и т.д. Примером гибридной структуры может служить «искусственный нос» (рис.13), где ленгмюровская пленка играет роль избирательного фильтра, пропуская к поверхности транзистора только молекулы, скажем, водорода или азота и ничего больше. Для другого газа нужно, разумеется, брать пленку из другого материала, и таким образом можно создать набор химических сенсоров – чувствительных датчиков.
Рис. 13. «Искусственный нос» позволяет детектировать только те газы, молекулы которых избирательно пропускаются ленгмюровской пленкой к чувствительной поверхности полупроводникового транзистора. Изменяя структуру пленки, можно детектировать разные химические вещества.
Ну и, наконец, использование ориентированных молекулярных ансамблей позволяет на совершенно новой основе поставить вопрос о направленных электро- и фотохимических реакциях, таких, как фотосинтез, преобразование солнечной энергии или, скажем, фоторазложение воды. Одним словом, похоже на то, что технология ленгмюровских пленок вскоре окажется замечательной основой для самой передовой области – молекулярной электроники.
Список литературы
Блинов Л.М. «Физические свойства и применение ленгмюровских моно- и мульти-молекулярных структур». Успехи химии. т. 52, №8, с. 1263...1300, 1983.
Блинов Л.М. «Ленгмюровские пленки» Успехи физических наук. т. 155, №3 с. 443...480, 1988.
29-04-2015, 02:57