Одно из направлений нанофизики – разработка молекулярных переключателей, крайне перспективных устройств, которые могут найти широкое практическое применение. В частности, их уже используют для создания оптических фильтров и светочувствительных линз для солнцезащитных очков. Но наиболее перспективной сферой для этих наноустройств, по-видимому, является электроника.

Следуя требованиям практики, размеры электронных компонент постоянно уменьшаются, но это не может продолжаться бесконечно. Например, в кремниевом полевом транзисторе существует физический предел толщины изолирующего слоя оксида кремния между затвором и проводящим слоем – порядка 2 нм. Если изолирующий слой сделать более тонким, становится возможным туннелирование электронов через него, что приводит к нарушению нормальной работы интегральной схемы. Чтобы продвигаться дальше в сторону всё более миниатюрных вычислительных устройств, необходима разработка принципиально новых технологий.

Один из вариантов решения этой проблемы – использование отдельных молекул в качестве функциональных элементов интегральных схем. Например, для реализации логических функций можно вместо традиционных транзисторов использовать молекулярные переключатели; такое логическое устройство будет на два порядка меньше в размерах. Вместе с уменьшением размеров произойдет и выигрыш в производительности работы – время отклика уменьшится до фемтосекунд (на шесть порядков по сравнению с существующим). Эффективность «молекулярного» компьютера будет в 100 миллиардов раз выше.

Первый этап на пути создания молекулярных переключателей – теоретическое моделирование свойств систем и их поведения. Принципиальные задачи, с которыми сталкиваются исследователи переключателей молекулярного размера – это стабильность и оптимизация работы молекулярной системы. От установления физических механизмов и причин процесса переключения напрямую зависит стоимость будущих технологий.

Недавно в журнале Nature Communications вышла статья «Molecular switches from benzene derivatives adsorbed on metal surfaces» авторства российских и германских учёных. В работе сделаны расчёты механизма взаимодействия производных бензола с металлическими поверхностями.

Один из результатов работы – для молекулы тетрахлорпиразина обнаружены два одинаково стабильных состояния, причём из одного состояния её можно обратимо переводить в другое, то есть как бы его переключать. Соответственно, это позволяет рассматривать тетрахлорпиразин как потенциальный молекулярный переключатель. Тетрахлорпиразин в чём-то уникальная молекула – для многих других изученных веществ подобных свойств не найдено.

«Некоторые молекулы могут находиться на поверхности в двух различных состояниях, – рассказывает соавтор статьи Сергей Филимонов из Томского государственного университета. – В одном из этих состояний молекула образует химическую связь с металлом, а в другом – удерживается на поверхности силами Ван-дер-Ваальса (межмолекулярными силами. – Ред.). Принято считать, что в первом состоянии молекула сильно связана с поверхностью, а во втором – слабо. Мы же в своей работе показали, что существуют молекулы – в данном случае производные бензола – различные состояния которых обладают почти одинаковой энергией, а отличаются лишь способом связи с поверхностью кристалла (см. рисунок. – Ред.). В каждом из таких состояний молекула может находиться достаточно долго и переходить из одного в другое лишь в результате внешнего воздействия.

Приписывая одному состоянию значение 0, а другому – 1, получаем простейший молекулярный переключатель (см. рисунок. – Ред.). Если научиться управлять состоянием таких молекул, из них можно делать элементы памяти. То, что в обычных полупроводниковых приборах требует достаточно объёмных структур, здесь удалось бы реализовать на уровне отдельной молекулы.

Это позволит сделать электронные устройства меньше по размеру, легче, дешевле и энергоэффективнее.

Сейчас в Исследовательском центре Юлих (Германия) готовится серия экспериментов с отобранными молекулами. Так что мы очень надеемся, что в обозримом будущем наши теоретические результаты будут подтверждены экспериментально. В целом экспериментальные исследования поведения органических молекул на неорганических поверхностях ведутся очень активно. Один из основных методов здесь – сканирующая туннельная микроскопия (СТМ). В области молекулярных переключателей СТМ используют не только для того, чтобы получить изображение молекулы на поверхности, но и для переключения молекулы из одного состояния в другое путём инжекции электронов или прямым механическим воздействием на молекулу».

Опубликованная статья стала для томских физиков (кафедра физики полупроводников физического факультета Томского госуниверситета) первой публикацией в новом для них направлении. «Основное направление работы нашей группы в Томске – исследование процессов формирования неорганических полупроводниковых наноструктур, – поясняет Сергей Филимонов. – Материалы для молекулярной электроники – это новое для нас направление, которое мы хотели бы развивать наряду с нашими традиционными областями исследований. Совместно с коллегами из Германии мы сейчас готовим новую статью на близкую тему. В ней будут представлены результаты расчётов адсорбции ещё одного «родственника» бензола, который, согласно полученным данным, также обладает очень любопытными свойствами».