2.4. Полимерные транзисторы [6]

Первый транзистор был сконструирован в 1947 году Дж. Бардином и У. Браттейном в США. Первоначально название «транзистор» относилось к резисторам, управляемым напряжением. В самом деле, транзистор можно представить как некое сопротивление, регулируемое напряжением на одном электроде (в полевых транзисторах — напряжением между затвором и истоком, в биполярных транзисторах — напряжением между базой и эмиттером).

Транзисторы - фундаментальные блоки в современных электронных устройствах, до сих пор традиционно производят из кремния. Тогда как новые полимерные транзисторы значительно легче и их производство более дешево, чем кремниевых аналогов. Поэтому из полимеров можно выпускать гибкие изделия, например ультратонкие, гибкие портативные компьютеры, которые невозможно сделать из кремния.

На данный момент нам известны полимерные транзисторы на основе: бумаги; пластика; галлия, мышьяка, индия (спиновые); нанотрубок и др.

Первый полевой транзистор на основе полиацитилена (ПА) был создан в 1980 гг., его структура и характеристики показаны на рис.2.1. Он состоял из неорганических контактов, оксидного слоя, полупроводниковым слоем был транс ПА р-типа.

Рис.2.1. Полевой транзистор на основе полиацетилена, его ВАХ и спектр поглощения в зависимости от смещения.

Особенностью данного транзистора является его способность модулировать оптическое пропускание (поскольку при инжекции дырок возникает солитонная полоса поглощения).

Недавно в США получен патент на технологию создания сложных логических микросхем молекулярного уровня, производство которых, как обещают авторы, будет простым и дешевым. В результате исследований дан ответ на вопрос: как организовать эффективный ввод-вывод информации по отношению к молекулярным структурам. Аналогичная задача для квантовых компьютеров пока не решена. Если до создания устройств, в которых управлению подлежат отдельные атомы, еще далеко, то управление на молекулярном уровне — уже свершившийся факт. Размеры молекулярного транзистора на два порядка меньше самых миниатюрных кремниевых, при производстве которых ныне действует технология 0,13 мкм. Многие исследователи предсказывают, что молекулярные компьютеры в конечном счете заменят системы, основанные на кремниевых чипах. Это позволит изготовить настолько миниатюрный компьютер, что его можно будет включать, например, в ткань одежды.[7]

2.5. Спиновые полимерные транзисторы

Достаточно молодая область современной физики — спиновая электроника, или спинтроника, — притягивает всё больше исследователей многообещающими практическими применениями. Если в традиционной электронике используется обычный электрический ток (перемещаются заряды), то электроника нового поколения основана на ином физическом принципе — в ней перемещаются спины электронов. Если традиционные электронные устройства, основанные на электрических свойствах вещества, управляются преимущественно приложенным напряжением, то для манипуляции спиновыми свойствами, характеризующимися направлением спина и временем его жизни, необходимо использовать внешнее магнитное поле.

Исследовательской группе во главе с Ианом Аппельбаумом из Делавэрского университета (США) удалось передать спин-электронный ток на дистанцию в 350 мкм сквозь беспримесную кремниевую подложку. Для микроэлектроники это расстояние поистине огромно. Эта пионерская работа обозначила путь к разработке более дешевых, более быстрых и мало энергопотребляющих устройств для обработки и хранения информации.

В чём секрет повышенного интереса к спинтронике? Во-первых, спиновые приборы будут многофункциональны — они позволят совмещать на одном чипе функции накопителя для хранения информации, детектора для ее считывания, логического анализатора для ее обработки и коммутатора для последующей ее передачи к другим элементам чипа.

Во-вторых, такие устройства будут обладать высокой скоростью реагирования на управляющий сигнал и потреблять значительно меньше энергии, чем устройства традиционной электроники. Это объясняется тем, что переворот спина, в отличие от перемещения заряда, практически не требует затрат энергии, а в промежутках между операциями спинтронное устройство отключается от источника питания. При изменении направления спина кинетическая энергия электрона не меняется, и значит, тепла почти не выделяется. Скорость же изменения положения спина очень высока: эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд. [8]

В последние годы всё более широкое применение находят полупроводниковые светодиоды на основе галлия, мышьяка, индия и других элементов.

В 2004 году группа физиков университета Юты добилась успеха в создании первого органического "спинового вентиля", с помощью которого можно управлять электрическим током. В новом исследовании была продемонстрирована возможность создания на основе органических полимеров спиновых транзисторов и выполнения операций по манипулированию информацией, ассоциированной со спинами (двум спиновым состояниям соответствуют "0" и "1" в обычной микроэлектронике).

В экспериментах был использован органический полупроводниковый светодиод в форме пластины полимера MEH-PPV размерами примерно 0,2x0,3 см на стеклянной подложке. Затем полимер облучался наносекундными импульсами для упорядочивания спинов электронно-дырочных пар. Оказалось, что спины таких пар ритмически осциллируют между триплетными (суммарный спин 1) и синглетными (суммарный спин 0) состояниями с периодом в полмикросекунды. Именно этот процесс препятствует повышению эффективности органических светодиодов, но он и открывает возможности для управления токами в спиновых транзисторах.

Учёные предполагают, что применение полимерных спиновых транзисторов в компьютерных чипах позволит увеличить их производительность в десятки раз.