Исследование ученых Физического института имени П.Н.
Лебедева РАН (ФИАН) и Национального исследовательского университета «Московский
институт электронной техники» (МИЭТ) поможет созданию молекулярной электроники.
Одна из проблем современной микроэлектроники – это
энергопотребление. Снижать его в рамках традиционной кремниевой технологии
становится все труднее по мере миниатюризации микроэлектронных элементов. Но
можно использовать принципиально иные механизмы управления током. Один из них –
молекулярная электроника. С ее помощью можно добиться существенного снижения напряжений
питания и, соответственно, энергопотребления.
«У молекулы бензола – а это типичная органическая молекула –
размер около 0,5 нанометров, – рассказывает Николай Шубин,
высококвалифицированный научный сотрудник Лаборатории квантового дизайна
молекулярных и твердотельных наноструктур ФИАНа. – Более крупные молекулы имеют
размер в несколько нанометров. Они сравнимы с современными кремниевыми
транзисторами по размерам. Делая полупроводниковые транзисторы, мы фактически
вытравливаем в кремнии структуры размером в несколько нанометров, но почему бы
нам не использовать уже созданные природой структуры такого же примерно
размера, но с несколько другой физикой, – молекулы. Эту физику мы и исследуем в
нашей работе».
Сложные органические молекулы вполне могут играть роль
транзистора в электронике будущего, но надо научиться ими управлять. В исследовании
российских ученых изучалось протекание тока через одиночные молекулы
углеводородов, в частности – бензола и циклобутадиена.
«Мы делали теоретический расчет в рамках довольно простой аналитической
модели, а потом проверяли его с помощью численного моделирования путем прямого
решения уравнений квантовой механики для заданной конфигурации
расположения атомов в молекуле, то есть, грубо говоря, с помощью численного решения
в лоб», – рассказывает Николай Шубин, один из авторов исследования.
Аналитическая модель (модель Хюккеля), которая представляет
собой одноэлектронное уравнение Шредингера в матричной форме, проста и
позволяет быстро анализировать большое количество различных конфигураций
молекул и условий прохождения через них тока электронов. А для подтверждения результатов,
полученных на этой модели, по сути, проводился сложный численный эксперимент.
Если молекулу подключить к микроэлектродам и подать
напряжение, то по ней потечет ток, однако на течение этого тока влияют законы
квантового мира.
«Носители заряда, который течет сквозь молекулу, – это
электроны, – поясняет Николай Шубин. – Особенность этого «транспорта» состоит в
том, что электрон с точки зрения квантовой механики одновременно и частица, и
волна, поэтому электроны могут интерферировать друг с другом, то есть проявлять
волновые свойства, и эта квантовая интерференция играет ключевую роль в
особенностях переноса заряда в таких квантовых системах, как молекула».
Вероятность того, что электрон проскочит сквозь молекулу,
будет разной в зависимости от напряжения, поданного на электроды, то есть от
энергии электрона. Зависимость вероятности прохождения от энергии называется
прозрачностью, и она вовсе не растет с ростом энергии. Вместо этого спектр этой
прозрачности образует сложную интерференционную картину с несколькими пиками. Максимум
этой вероятности называется резонансом, минимум – антирезонансом. Точно в
антирезонансе вероятность прохождения электрона через молекулу равна нулю. Исследованию
поведения этих резонансов и антирезонансов в зависимости от тех или иных
параметров системы и посвящена работа ученых ФИАНа и МИЭТа.
«В ходе этого исследования было выделено два новых эффекта, –
рассказывает Николай Шубин. – Первый – это слияние антирезонансов. Если есть
два антирезонанса, то, меняя параметры системы, можно добиться того, что они
сольются в один и как бы аннигилируют, взаимоуничтожатся. Получается довольно
гладкая кривая спектра пропускания. Молекула становится более прозрачной для
тока электронов».
Параметры системы – это конфигурация молекулы, в которой длину
химических связей можно менять за счет присоединения каких-то дополнительных
химических групп. Например, молекула циклобутадиена – это квадрат. Если он
идеально симметричен, то у молекулы одни свойства, а если «посадить» на этот
квадрат несимметричным образом, то есть на две вершины из четырех, какие-то
дополнительные химические группы, то геометрия этой структуры исказится, что
повлияет на спектр ее прозрачности. Получается своего рода механизм
переключения проводимости системы, изменения силы тока.
«Второй важный результат, полученный в нашей работе, – это
образование связанного состояния в непрерывном спектре, – рассказывает ученый. –
Это такое состояние, при котором энергия электрона достаточно велика, чтобы он
мог покинуть молекулу, но он так сам с собой интерферирует, что остается к ней привязанным,
не в силах покинуть локализованную молекулярную орбиталь. При этом такое
состояние оказывается совершенно не вовлеченным в процесс транспорта носителей
заряда, и связанные с ним интерференционные особенности (резонанс и
антирезонанс) исчезают со спектра пропускания».
В данном случае речь идет уже об «аннигиляции» резонанса и
антирезонанса. То есть можно подобрать параметры системы, при которых резонанс
и антирезонанс реализуются при столь близких энергиях электрона, что они как бы
схлопываются. Кривая спектра становится гладкой – без резких максимумов и минимумов.
Это состояние и называется связанным состоянием непрерывного спектра.
«Редакторам журнала «Физическая химия и химическая физика» наша
статья о проведенном исследовании так понравилась, что они предложили нам сделать
обложку к выпуску, в котором она публиковалась», – рассказал Николай Шубин.
Эта иллюстрация (см. рисунок в начале статьи) образно
поясняет суть явления, о котором идет речь в работе. Английская аббревиатура BIC (Bound state In the Continuum)
означает «связанное состояние в непрерывном спектре» (ССНС). На рисунке
показано, что когда в системе возникает ССНС (симметричная молекула
бензола справа), то электронный «транспорт» через нее идет нормально, а
когда ССНС нет (слева молекула бензола «покорежена» боковыми группами), то в
спектре пропускания появляется антирезонанс, закрывающий «ворота».
Впрочем,
вопрос о практической реализации такого механизма пока не ставится. Ведь речь
идет о теоретическом исследовании поведения идеальной квантовой системы.
«Какого-то явного практического применения этому эффекту я пока
указать не могу, но это некое фундаментальное явление, которого ранее в
приложении к молекулярным системам никто не отмечал», – поясняет Николай Шубин.
Подробнее см. в статье Interacting resonances and antiresonances in
conjugated hydrocarbons: exceptional points and bound states in the continuum,
Nikolay Shubin, Aleksei Emelianov, Yuriy Uspenskii, Alexander
Gorbatsevich, Physical Chemistry Chemical Physics, Issue 37, 2021.
Подготовил Леонид Ситник, редакция сайта РАН.