Б. Конфигурационное переключение и память

Одна из самых интересных возможностей для молекулярной электроники –воспользоваться мягкой природы органических молекул. При возбуждении молекулы могут произойти ее конфигурационные изменения. Если две различные конфигурации связаны с двумя различными уровнями проводимости молекулы, этот эффект может быть использован, чтобы сделать молекулярные переключатели и память. Такой эффект ожидается в π-сопряженных олигомерах, если один из мономеров закручивается не в плоской конфигурации молекулы. Скручивание одного мономера нарушает сопряжение вдоль позвоночника (главной оси), тем самым уменьшая эффективность переноса заряда вдоль молекулы.

Альтернативные технологии для резистивной памяти включают в себя, например, память на полимерной основе, наномеханическая память на основе НЭМС с УНТ, графеном(см. отдельно), нанотемпературная память, например, память фазового перехода(память изменения фазы) (phase change memory, PCM),наиболее часто это фазовое превращениеаморфной и кристаллической фаз. Все эти технологии продемонстрировали хранение данных в течение нескольких месяцев, и времена 1 цикла записи/стирания в диапазоне от нс до мс. Характеристики молекулярной памяти в дальнейшем будут оптимизироваться.

Fig. 6. a) Bi-phenyl based molecules with different torsion angle between the two phenyl rings (bi-phenyl backbone). b) Measured conductance with the STM break junction

versus the torsion angle (при увеличении величины торсионного угла коньюгирование (сопряжение) связей снижается). Влияние различных заместителей в одной молекуле меньше влияет на ее электропроводность, чем искажения в бифенильном остове.

Другой эффективный способ – это вызвать изменение конфигурации молекулы светом. Реверсивные фотопереключающие устройства были продемонстрированы дайрилетеном (diarylethene) и азобензольными производными,чтооткрыло путь для потенциальных приложений оптических переключателей в молекулярной электронике.

В химии, diarylethene это общее название класса соединений, имеющих ароматические группы, присоединенные к каждому концу углерод-углеродной двойной связи. Простейшим примером является стильбен, который имеет два геометрических изомеров, Е и Z. stilbene.

Stilbene isomerizations under the influence of light

Азосоединения содержат азогруппу — N=N—, связанную с атомами С двух одинаковых или разных орг. остатков. Общая ф-ла RN=NR. 'В качестве примера, молекулы азобензола демонстрируют переход от более термодинамически стабильной транс-конфигурации в цис-конфигурацию при воздействии УФ-излучением (~ 360 нм), и обратимую изомеризацию под воздействием синего света (~ 480 нм). Свойства азобензолов в растворе (например, надежная обратимая фотоизомеризация, долго живущие состояния, быстрое переключение) делают их перспективными строительными блоками для устройств молекулярного масштаба в нанотехнологиях (молекулярные переключатели и память).

Переход азобензола из одной формы в другую при облучении видимым и УФ излучением

Большое влияние имеют контакты азобензола и его производных с металлом, например, с золотом или с другими металлами, а также используемые линкеры.

Fig. 7. Current-voltage curves (C-AFM measurements) of the SAM of two types of azobenzene derivatives in the trans and cis conformations: Была продемонстрирована запись вкл / выкл с соотношением до 7^.10³ между цис ("ON") и транс ("OFF") конфигурациями

Исследователи из Китая разработалисупрамолекулярный азаполимер,который демонстрирует хорошее оптическое разрешение и стабильность для использования в качестве носителя оптической информации высокой плотности.В сравнении с обычными DVD-дисками новая система позволит увеличить плотность информации в 20 раз.

Рисунок из J. Mater. Chem., 2010

Полимеры, содержащие азобензол (азополимеры) представляют собой светочувствительные материалы, способные к обратимой цис-транс изомеризации при облучении светом. Эти высокомолекулярные соединения применяются для оптического хранения информации, в качестве оптически-анизотропных материалов и дифракционных оптических материалов. У азополимеров имеется ряд преимуществ перед обычными полимерами, легированными азокрасителями – к таким преимуществам относятся простота синтеза и низкая склонность к агрегации в области высокой концентрации. Однако, несмотря на явные преимущества, практическое применение азополимеров ограничивается их невысокой стабильностью и незначительной оптической разрешением. Более стабильные бисазополимеры характеризуются также и более высокой оптическим разрешением, но характеризуются плохой растворимостью и плохо формируют пленки.

Си Ву (Si Wu) с коллегами из Китайского Университета Науки и Технологии (Хэфэй, Китай) получил пленки, связав друг с другом две азобензольные группы за счет водородного связывания, получив таким образом новую бис-азобензольную группу. Чтобы получить супрамолекулярную бисазополимерную пленку Ву использовал азополимеры с пиридиновыми группами, игравшими роль доноров в водородном связывании и низкомолекулярное азосоединение с фенольной группой, выступавшее в роли акцептора в образовании водородной связи. Образующиеся в результате пленки представляют собой перспективные материалы для различного рода устройств, так как пленки отличаются хорошим оптическим разрешением, стабильностью, растворимостью и пленкообразующей способностью.

Исследователи изучили плотность информации, характерную для пленок из новых супрамолекулярных полимеров, записав на них данные с помощью лазерного излучения, с меняющимися интенсивностью и поляризацией. Было продемонстрировано, что плотность информации, которая может быть записана на супрамолекулярную полимерную пленку, превышает информационную плотность DVD-диска в 20 раз.

Ву поясняет, что структурное звено, в котором водородными связями связано два азобензоловых фрагментов представляет собой новую супрамолекулярную систему. Новая работа уверенно демонстрирует то, что принципы супрамолекулярной химии могут оказать существенное влияние на производительность полимерных оптических материалов, и следует ожидать увеличения интереса исследователей к этим перспективным материалам.