Реферат на тему молекулярная электроника

Обновлено: 05.07.2024

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).

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.

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.

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.

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.

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.

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. Гончарова Е., бакалаврбиотехнологии;
2. Зайцев В., Шишлова А.,физический факультет, МГУ им. М. В. Ломоносова;
3. Кригер Ю., д. ф-м. н.

Файл "реферат" внутри архива находится в папке "Устройства молекулярной электроники". Документ из архива "Устройства молекулярной электроники", который расположен в категории " ". Всё это находится в предмете "основы наноэлектроники и нанотехнологий" из раздела "", которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "основы наноэлектроники и нанотехнологий" в общих файлах.

Онлайн просмотр документа "реферат"

Текст из документа "реферат"

_{Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции и ордена Трудового Красного Знамени Государственный Технический Университет имени Н. Э. Баумана}

ФАКУЛЬТЕТ: Машиностроительные Технологии

КАФЕДРА: “Электронные технологии в

машиностроении”

Группы МТ11-72

Москва 2015г

1 Общие сведения 4

2 Примеры молекулярных электронных устройств 5

2.1 Наноактюатор 5

2.2 Одноэлектронные транзисторы 5

2.3 Молекулярные переключатели 6

2.4 Молекулярные логические схемы 7

Список используемого материала 10

Сегодня увеличение плотности элементов на микросхеме делается за счет уменьшения размеров самих элементов. На данный момент существует 13 нанометровая технология. Но если размеры транзисторов достигнут нескольких нанометров, начнут проявляться размерные эффекты, нарушающие работу микроэлектронных утсройств. Так же при очень тонком слое диэлектрика в полевом транзисторе возможен проход через него электронов, и вследствии неправильный режим работы.

Одним из вариантов решения задачи является использование новых материалов, например Арсенида галлия.GaAs — устройства позволят увеличить быстродействие еще на порядок, но не более того. Кроме всего прочего такие устройства очень дорогостоящие, и использутся в основном военным, так как потребляют мало энергии и являются надежными.

Другой выход — молекулярная электроника(молетроника)

Ученых уже давно интересует возможность использования отдельных молекул, как элементов электронных систем. Такие устройства должны потреблять очень мало энергии и очень быстро выполнять какие-либо действия. У них есть несколько преимуществ перед традиционнными кремниевыми устройствами Молекула — это идеальная структура, в которой движение электронов описывается квантовохимическими законами. Так же молекула — это предел минитюаризации, так как человечество пока не научилось надежно оперировать элементарными частицами. Создание таких структур облегчено тем, что в основе создания лежит принцип самосборки. Пример показан на рисунке 1

Рисунок 1 — примеры самосборки различных молекул[2]

За счет самосборки достигается идентичность размеров и строения элементов и, следовательно, надежность и эффективность квантовых устройств.

На сегодняшний день активно ведутся исследования в области молетроники и уже были созданы многие концепции молекулярных устройств и даже прототипы. Многие устройства основаны на биологических аналогах, которые находятся внутри живых организмах и участвую в обмене веществ.

Наноактюатор

Актюатор — это устройство, преобразующее один вид энергии (электрический, химический, тепловой) в другой (чаще всего — механический). Наноразмерный актюатор-мотор уже был создан, его схема и устройство показаны на рисунке 2.

Рисуонок 2 — Наноактюатор: а) схема б) реальное изображение, полученной с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Ротор такого мотора — это золотая пластинка с размером примерно 250нм, закрепленная на оси — углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположены электроды. Если подавать на электроды переменное напряжение с амплитудой в 5В, то можно заставить наномотор вращаться.[3]

Одноэлектронные транзисторы

Одноэлектронные транзисторы основаны на принципе туннельного перехода. Такой транзистор состоит из проводящего островка, собственная емкость которого очень мала, который соединен с стоковым и истоковым электродами туннельными переходами с малой емкостью и проводимостью. Он имеет емкостную связь с электродом затвора. Чувствительность такого транзистора очень высока, возможно срабатывание транзистора при энергиях на уровне 10 -6 e(энергии электрона).На данный момент достигнута чувствительность на уровне 10 -5 e , что позволяет манипулировать отдельными электронами, и создать принципиально новые ЭВМ с одиночным электронам в качестве носителя информации. Схематическое изображение такого транзистора представлено на рисунке 3.

Рисунок 3 — Схематичное изображение одноэлектронного транзистора[4]

Молекулярные переключатели

Молекулярный переключатель — это молекула, которая может существовать в двух и более устойчивых формах, переход между которыми осуществляется при помощи внешнего воздействия.

При переходе между состояниями молекула-переключатель резко меняется свои свойства — геометрические, химические, электронные, оптические. Эти изменения можно использовать в наноэлектронных устройствах. Один из таких переключателей был предложен российскими учеными. В основе его лежит молекула тетрахлорпиразина. Эта молекула в разных состояниях обладает одинаковой энергией, но различными способами связи с поверхностью, на которой она находится. Эта молекула может оставаться в кажном из состояний довольно долгое время, что позволит сделать на её основе элементы памяти, размеры которых будут на несколько порядков меньше современных кремниевых. Пример такого переключателя представлен на рисунке 4.

Рисунок 4 — Молекулярный переключатель, основанный на молекуле тетрахлорпиразина и два (0 и 1) его стабильных состояния.[5]

Молекулярные логические схемы

Рисунок 5 — Логическая схема построенная с помощью ротаксана.[6]

Хотя до того как молетроника войдет в повседневную жизнь еще очень далеко, все же не стоит останавливаться на достигнутом. Разработки в этой обрасти открывают широкие перспективы в электронике, ведь молекулярные электронные устройства потребляют намного меньше энергии, чем самые экономичные из кремниевых, известных на данный момент. Эти устройства стабильны, устойчивы к проникающей радиации. Так же молекулярные устройства обладают быстродействием, на несколько превышающим самые передовые полупроводниковые приборы, ну и наконец размеры таких устройств позволяют увеличить полотность элементов на микросхеме в миллионы раз.

Но есть и другое, принципиальное ограничение на "закон Мура". Возрастание плотности размещения элементов на микросхеме достигается за счет уменьшения их размеров. Уже сегодня расстояние между элементами процессора может составлять 0,13х10 -6 метра (так называемая 0,13-микронная технология). Когда размеры транзисторов и расстояния между ними достигнут нескольких десятков нанометров, вступят в силу так называемые размерные эффекты - физические явления, полностью нарушающие работу традиционных кремниевых устройств. Кроме того, с уменьшением толщины диэлектрика в полевых транзисторах растет вероятность прохождения электронов через него, что также препятствует нормальной работе приборов.

Еще один путь повышения производительности - применение вместо кремния других полупроводников, например арсенида галлия (GaAs). За счет более высокой подвижности электронов в этом материале можно увеличить быстродействие устройств еще на порядок. Однако технологии на основе арсенида галлия намного сложнее кремниевых. Поэтому, хотя за последние два десятка лет в исследование GaAs вложены немалые средства, интегральные схемы на его основе используются в основном в военной области. Здесь их дороговизна компенсируется низким энергопотреблением, высоким быстродействием и радиационной устойчивостью. Однако и при разработке устройств на GaAs остаются в силе ограничения, обусловленные как фундаментальными физическими принципами, так и технологией изготовления.

Вот почему сегодня специалисты в разных областях науки и техники ищут альтернативные пути дальнейшего развития микроэлектроники. Один из путей решения проблемы предлагает молекулярная электроника.

МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА -ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО.

Дальнейшие перспективы развития электроники связываются с созданием устройств, использующих квантовые явления, в которых счет уже идет на единицы электронов. В последнее время широко ведутся теоретические и экспериментальные исследования искусственно создаваемых низкоразмерных структур; квантовых слоев, проволок и точек. Ожидается, что специфические квантовые явления, наблюдающиеся в этих системах, могут лечь в основу создания принципиально нового типа электронных приборов.

Переход на квантовый уровень, несомненно, является новым, важным этапом в развитии электроники, т.к. позволяет перейти на работу практически с единичными электронами и создать элементы памяти, в которых один электрон может соответствовать одному биту информации. Однако создание искусственных квантовых структур представляет сложнейшую технологическую задачу. В последнее время стало очевидным, что реализация таких структур сопряжена с большими технологическими сложностями даже при создании единичных элементов, и непреодолимые трудности возникают при создании чипов с многомиллионными элементами. Выходом из создавшегося положения, по мнению многих исследователей, является переход к новой технологии -молекулярной электронике.

Принципиальная возможность использования отдельных молекул как активных элементов микроэлектроники была высказана Фейнманом еще в 1957 году. Позднее он показал, что квантомеханические законы не являются препятствием в создании электронных устройств атомарного размера, пока плотность записи информации не превышает 1 бит/атом. Однако, только с появлением работ Картера и Авирама стали говорить о молекулярной электронике, как о новой междисциплинарной области, включающей физику, химию, микроэлектронику и компьютерную науку, и ставившую своей целью перевод микроэлектроники на новую элементную базу -молекулярные электронные устройства.

Здесь определенно напрашивается аналогия с историей развития устройств точного времени, которые прошли путь от механических хронометров, использующих различного типа маятники, через кварцевые часы, основанные на твердотельных резонансах, и, наконец, сегодня наиболее точные часы используют внутримолекулярные эффекты в молекулах аммиака и т.д. Подобным образом развивается и электроника, прошедшая путь от механических электромагнитных реле и электровакуумных ламп к твердотельным транзисторам и микросхемам, а сегодня она подошла к порогу, за которым лежит область молекулярной технологии.

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

С самого начала развития молекулярного подхода в микроэлектронике открытым оставался вопрос о физических принципах функционирования молекулярных электронных устройств. Поэтому основные усилия были сосредоточены на их поиске, при этом основное внимание уделялось одиночным молекулам или молекулярным ансамблям. Несмотря на большое количество работ в этом направлении, практическая реализация молекулярных устройств далека до завершения. Одной из причин этого является то, что особенно в начальный период становления молекулярной 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 он оставляет мало шансов на то, что молекулярные электронные устройства могут быть созданы в ближайшее время.

Развитие нового подхода в микроэлектронике требует решения ряда проблем в трех основных направлениях: разработка физических принципов функционирования электронных устройств; синтез новых молекул, способных хранить, передавать и преобразовывать информацию; разработка методов организации молекул в супрамолекулярный ансамбль или молекулярное электронное устройство.

В настоящее время ведется интенсивный поиск концепций развития молекулярной электроники и физических принципов функционирования, и разрабатываются основы построения базовых элементов. Молекулярная электроника становится новой междисциплинарной областью науки, объединяющей физику твердого тела, молекулярную физику, органическую и неорганическую химии и ставящей своей целью перевод электронных устройств на новую элементную базу. Для решения поставленных задач и концентрации усилий исследователей, работающих в различных областях знаний, во всех индустриально развитых странах создаются Центры молекулярной электроники, объединенные лаборатории, проводятся международные конференции и семинары.

Сейчас, да видимо, и в ближайшее время, трудно говорить о создании молекулярных электронных устройств, работающих на основе функционирования одиночных молекул, но можно реально говорить об использовании молекулярных систем, в которых внутримолекулярные эффекты имеют макроскопическое проявление. Такие материалы можно назвать "интеллигентными материалами". Этап создания "интеллигентных материалов", т.е. этап функциональной молекулярной электроники, естественный и необходимый период в развитии электроники, является определенной стадией в переходе от полупроводниковой технологии к молекулярной. Но возможно, что этот период будет более продолжительным, чем сейчас нам кажется. Представляется более реалистичным, особенно на первых этапах развития молекулярной электроники, использовать макроскопические свойства молекулярных систем, которые обуславливались бы структурными реорганизациями, происходящими на уровне отдельных молекулярных ансамблей. Физический принцип функционирования подобных электронных устройств должен снять размерностные ограничения, по крайней мере, до размеров больших молекулярных образований. С точки зрения электроники и потенциальной возможности стыковки молекулярных устройств с их полупроводниковыми собратьями, было бы предпочтительно иметь дело с молекулярными системами, изменяющими свою электронную проводимость при внешних воздействиях, в первую очередь под воздействием электрического поля.

Идеи молекулярной электроники не сводятся к простой замене полупроводникового транзистора на молекулярный, хотя будет решаться и эта частная задача. Главной целью все же является создание сложных молекулярных систем, реализующих одновременно несколько различных эффектов, выполняющих сложную задачу. К задачам этого типа естественно в первую очередь отнести задачу создания универсального элемента памяти, как наиболее важной части любого информационно-вычислительного устройства. Представляется весьма очевидным, что потенциальные возможности молекулярной электроники будут раскрыты в большей мере при создании нейронных сетей, состоящих из нейронов и связывающих их электроактивных синапсов. Создание средствами молекулярной электроники искусственных нейронов, различного типа сенсоров, включенных в единую сеть, откроет путь к реализации всех потенциальных возможностей, заложенных в нейрокомпьютерной идеологии, позволит создать принципиально новый тип информационно-вычислительных систем и подойти вплотную к решению проблемы создания искусственного интеллекта.

Содержание
Введение……………………………………………………….……..….….3
1. Молекулярная электроника – технология будущего……………. 4
1. Возможность использования молекулярных материалов….5
2. Развитие молекулярного подхода в микроэлектронике……7
2. Бактериородопсин: структура и функции…………………………..8
1. Биоэлектроника……………………………………………. 10
2. Модельбактериородопсина…………………………………13
3. Мыслящая молекула………………………………………………..16
Заключение………………………………………………………………..20
Список литературы………………………………………………………. 23

В 1965 году, на заре компьютерной эры, директор отдела исследовательской компании Fairchild Semiconductors Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на микросхеме будет ежегодно удваиваться. Прошло уже 35 лет, а "закон Мура" по-прежнему действует.Правда, со временем практика микроэлектронного производства внесла в него небольшую поправку: сегодня считается, что удвоение числа транзисторов происходит каждые 18 месяцев. Такое замедление роста вызвано усложнением архитектуры микросхем. И все же, для кремниевой технологии предсказание Мура не может выполняться вечно.
Но есть и другое, принципиальное ограничение на "закон Мура". Возрастаниеплотности размещения элементов на микросхеме достигается за счет уменьшения их размеров. Уже сегодня расстояние между элементами процессора может составлять 0,13х10-6 метра (так называемая 0,13-микронная технология). Когда размеры транзисторов и расстояния между ними достигнут нескольких десятков нанометров, вступят в силу так называемые размерные эффекты - физические явления, полностью нарушающие работутрадиционных кремниевых устройств. Кроме того, с уменьшением толщины диэлектрика в полевых транзисторах растет вероятность прохождения электронов через него, что также препятствует нормальной работе приборов.
Еще один путь повышения производительности - применение вместо кремния других полупроводников, например арсенида галлия (GaAs). За счет более высокой подвижности электронов в этом материале можноувеличить быстродействие устройств еще на порядок. Однако технологии на основе арсенида галлия намного сложнее кремниевых. Поэтому, хотя за последние два десятка лет в исследование арсенида галлия вложены немалые средства, интегральные схемы на его основе используются в основном в военной области. Здесь их дороговизна компенсируется низким энергопотреблением, высоким быстродействием и радиационнойустойчивостью. Однако и при разработке устройств на арсениде галлия остаются в силе ограничения, обусловленные как фундаментальными физическими принципами, так и технологией изготовления.
Вот почему сегодня специалисты в разных областях науки и техники ищут альтернативные пути дальнейшего развития микроэлектроники. Один из путей решения проблемы предлагает молекулярная электроника.Молекулярная электроника – технология будущего.

Возможность использования молекулярных материалов и отдельных молекул как активных элементов электроники уже давно привлекает внимание исследователей различных областей науки. Однако только в последнее время, когда стали практически ощутимы границы потенциальных возможностей полупроводниковой технологии, интерес к молекулярной идеологии построениябазовых элементов электроники перешел в русло активных и целенаправленных исследований, которые стали сегодня одним из важнейших и многообещающих научно-технических направлений электроники.
Дальнейшие перспективы развития электроники связываются с созданием устройств, использующих квантовые явления, в которых счет уже идет на единицы электронов. В последнее время широко ведутся теоретические иэкспериментальные исследования искусственно создаваемых низкоразмерных структур; квантовых слоев, проволок и точек. Ожидается, что специфические квантовые явления, наблюдающиеся в этих системах, могут лечь в основу создания принципиально нового типа электронных приборов.
Переход на квантовый уровень, несомненно, является.

Чтобы читать весь документ, зарегистрируйся.

Связанные рефераты

Электроника

. Содержание 1. Описание конструкции и схемы РПУ.

27 Стр. 194 Просмотры

Электроника

. 1. Горбачев, Г.Н., Чаплыгин, Е.Е. Промышленная электроника: учебник для вузов. – М.

Электроника

. информатики Кафедра электротехники и промышленной электроники КУРСОВАЯ РАБОТА по.

Электроника

. Задание 1 Расчет параметрического стабилизатора постоянного напряжения на кремневом стабилитроне.

Электроника

. 1. ОСНОВЫ ФИЗИКИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ 1.1. Общие сведения о полупроводниках Виды полупроводников. К.

Читайте также: