Мономолекулярное электронное устройство

Авторы патента:

ЭЛЛЕНБОУГЕН Джеймс К. (US)

H01L51/30 - выбор материалов

Владельцы патента RU 2262158:

ДЗЕ МАЙТРЭ КОРПОРЕЙШН (US)

Использование: в молекулярных электронных устройствах. Сущность изобретения: мономолекулярное электронное устройство содержит множество молекулярных проводников, химически соединенных вместе с по меньшей мере одной изолирующей группой. По меньшей мере один из указанных молекулярных проводников химически соединен с легирующим заместителем для формирования собственного смещения на концах указанной изолирующей группы. При этом вторая изолирующая группа химически связана с указанным молекулярным проводником, а проводящий ток комплекс химически соединен с указанной второй изолирующей группой для формирования отдельной молекулы. Предложены различные варианты мономолекулярных электронных устройств, мономолекулярных транзисторов, мономолекулярных логических инверторов. Техническим результатом является создание мономолекулярного коммутационного устройства, которое демонстрирует усиление мощности. 16 н. и 20 з.п. ф-лы, 12 ил.

Область изобретения

Настоящее изобретение направлено на мономолекулярное электронное устройство. В частности, настоящее изобретение направлено на мономолекулярный транзистор и мономолекулярные структуры цифровой логики, использующие молекулярный транзистор для обеспечения переключения и усиления мощности. Более конкретно, настоящее изобретение направлено на добавление молекулярной структуры затвора к молекулярному диоду, где диод также является химически легированным. Молекулярная структура затвора формируется с помощью еще одной изолирующей группы, связанной с молекулярным диодом вблизи от соответствующей легирующей группы, которая подвергается влиянию потенциала, приложенного извне структуры затвора. Комплекс, проводящий ток, связывается с этой второй изолирующей группой таким образом, что она может быть заряжена с помощью внешнего напряжения с тем, чтобы воздействовать на собственное смещение диода и, тем самым, переключать устройство между состояниями "Включено" и "Выключено". В дополнение к этому, настоящее изобретение направлено на молекулярный транзистор, у которого мощность, требуемая для управления переключением, является существенно меньшей, чем та, которая переключается, и, следовательно, транзистор демонстрирует усиление мощности. Настоящее изобретение также относится к мономолекулярным логическим элементам, сконструированным из комбинаций мономолекулярной диодно-диодной логики и мономолекулярных инверторов, обладающих усилением мощности.

Уровень техники

В течение последних сорока лет электронные компьютеры становятся все более мощными, в то время как их основная субъединица, транзистор, делается все меньше и меньше. Тем не менее, законы квантовой механики и ограничения технологий изготовления вскоре могут помешать дальнейшему уменьшению размеров распространенных в настоящее время полевых транзисторов. Многие исследователи предполагают, что в течение следующих десяти - пятнадцати лет, по мере того, как самые мелкие детали производимых в массовом количестве транзисторов дополнительно уменьшатся от их теперешней примерной ширины в пределах от 100 нанометров до 250 нанометров, изготовление устройств станет более сложным и дорогим. В дополнение к этому, они могут перестать эффективно функционировать в сверхплотно интегрированных электронных схемах. С целью продолжения миниатюризации схемных элементов до нанометровых размеров или даже до молекулярных размеров исследователи изучают несколько альтернатив твердотельному транзистору для сверхплотных схем. Однако в отличие от современных полевых транзисторов (ПТ), которые работают на основе передвижения масс электронов в объемной материи, новые устройства используют преимущества квантово-механических явлений, которые проявляются при нанометровом масштабе.

Существуют два широких класса наноэлектронных коммутационных устройств (переключателей) и усилителей:

(a) твердотельные квантовые и одноэлектронные устройства, и

(b) молекулярные электронные устройства.

Устройства обоих классов используют преимущества различных квантовых эффектов, которые начинают доминировать в динамике (движении) электронов при нанометровом масштабе. Несмотря на новизну конструкций твердотельных квантовых и одноэлектронных устройств, исследователи уже способны разрабатывать, изготавливать и использовать в схемах несколько перспективных типов новых устройств, основываясь на накопленном в течение пятидесяти лет промышленном опыте работы с объемными полупроводниками. Такие твердотельные квантовые устройства изменяют принципы работы сверхминиатюрных электронных коммутационных устройств, но они по-прежнему несут на себе тяжелое бремя, лежащее на нанометровых структурах, которые должны быть "вырезаны" из аморфных или кристаллических твердых тел.

Молекулярная электроника представляет собой относительно новый подход, который должен изменить как принципы работы, так и материалы, используемые в электронных устройствах. Причиной или стимулом для такого радикального изменения является то, что молекулы представляют собой существующие в природе нанометровые структуры. В отличие от наноструктур, выстраиваемых из объемных твердых тел, молекулы могут быть изготовлены идентично, дешево и просто, что потребуется для промышленного производства сверхплотных компьютеров. Две значительные проблемы, которые необходимо преодолеть, представляют собой (1) изобретение (создание) молекулярных структур, которые действуют как электронные коммутационные устройства, обладающие усилением, и (2) объединение этих молекул в более сложную схемную структуру, необходимую для применений в компьютерных вычислениях и в управлении, а также для обеспечения усиления в этих применениях, так чтобы устройства, производимые таким образом, имели полезное "разветвление" по выходу.

Как известно, диод представляет собой двухконтактное коммутационное устройство, которое может переключать ток между положениями "Включено" или "Выключено". Два типа молекулярных электронных диодов, которые разработаны в последнее время, представляют собой:

(a) выпрямляющие диоды, и

(b) резонансные туннельные (резонансно-туннельные) диоды.

Оба типа диодов основываются на приложении внешнего напряжения смещения для перемещения электронов через один или несколько энергетических барьеров, когда прилагаемый извне потенциал достигает заранее заданной величины.

В частности, был разработан молекулярный резонансный туннельный диод (РТД), который использует преимущество квантования энергии таким образом, что дает возможность, подбирая величину напряжения смещения между контактами истока и стока диода, осуществлять коммутацию между положениями "Включено" и "Выключено" для электронного тока, протекающего от истока к стоку. На фигуре 1A изображен молекулярный резонансный туннельный диод, который был синтезирован Джеймсом Тоуром (James M. Tour) и продемонстрирован Марком Ридом (Mark A. Reed) в 1997 году. Структурно и функционально устройство представляет собой молекулярный аналог гораздо больших по размеру твердотельных РТД, которые за прошедшие десять лет изготавливались во множестве на полупроводниках типа III-V. Как показано на фиг.1А, базируясь на основной цепи молекулярного проводника, предложенный Ридом и Тоуром полифениленовый молекулярный РТД 11' изготавливается путем вставки двух алифатических метиленовых групп 16' в молекулярный проводник 12 по обеим сторонам одного бензольного кольца 13'. Благодаря изолирующим свойствам алифатических групп 16', они действуют как потенциальные энергетические барьеры 30 и 32 на потоки электронов, показанные на энергетических диаграммах фигур 1B и 1C. Авторы определяют бензольное кольцо 13' между этими группами как узкий, приблизительно в 0,5 нанометра, "островок", через который электроны должны пройти для преодоления всей длины молекулярного проводника.

Как иллюстрируется на фиг.1B, если смещение, приложенное к концам молекулы, производит поступающие или входящие электроны с кинетической энергией, которая отличается от энергий незаселенных квантовых уровней, доступных внутри потенциальной ямы на таком островке, ток не протекает. То есть, РТД переключен в положение "Выключено". Однако, если напряжение смещения устанавливается таким образом, что кинетическая энергия поступающих электронов совпадает с одним из собственных уровней энергии, как показано на фиг.1C, то энергия электронов вне ямы, можно сказать, находится в резонансе с разрешенной энергией внутри ямы. При таких условиях через устройство протекает ток, и можно сказать, что оно переключается в положение "Включено".

В публикации заявки на патент Франции под №2306531 описывается молекулярное коммутационное устройство, которое может быть использовано для усиления. Проводники формируются с помощью цепей (последовательностей) соседних двойных связей или соединений между их кольцами, причем они заканчиваются в двух областях диссипации (рассеивания). Однако упомянутое устройство имеет такой принцип работы, который в целом является аналогичным объемным полевым транзисторам, а не основан на эффекте, который может быть реализован только в индивидуальных молекулах, где, например, эффекты от по меньшей мере одной легирующей группы обращаются в свою противоположность с помощью потенциала, приложенного извне.

В публикации международной PCT-заявки WO 97/36333 описывается туннельный прибор, который использует управляющие электроды для управления туннельным током, протекающим между входом и выходом прибора. Прибор основывается на принципе контролируемого коррелированного туннелирования электронов. Эта ссылка также предлагает использование такого прибора для конструирования одноэлектронных логических схем.

Сущность изобретения

Предложено мономолекулярное электронное устройство, которое включает в себя множество молекулярных проводников, химически соединенных вместе с по меньшей мере одной изолирующей группой. По меньшей мере один из множества молекулярных проводников химически соединен с легирующим заместителем для формирования собственного смещения на концах изолирующей группы. Вторая изолирующая группа химически связана с тем молекулярным проводником, который соединен с легирующим заместителем. Проводящий ток комплекс химически соединен со второй изолирующей группой с формированием единой молекулы, которая демонстрирует усиление мощности. Вторая изолирующая группа расположена в достаточной близости от легирующего заместителя для того, чтобы оказывать воздействие на собственное смещение с помощью потенциала, приложенного к проводящему ток комплексу. Мономолекулярное электронное устройство по настоящему изобретению может быть создано в форме схемы инвертора, в которой третья изолирующая группа химически связана со вторым из множества молекулярных проводников, а множество соединенных ароматических кольцевых структур химически связано с третьей изолирующей группой.

В другом своем аспекте настоящее изобретение направлено на мономолекулярное электронное устройство, обладающее усилением мощности. Такое мономолекулярное электронное устройство включает в себя по меньшей мере один молекулярный проводник, имеющий множество соединенных друг с другом по существу идентичных ароматических кольцевых структур. По меньшей мере одна первая изолирующая группа, присоединенная между соответствующей парой ароматических кольцевых структур, создает (определяет) две секции молекулярного проводника, при этом первая из секций соединена с первым электрическим контактом, а вторая секция соединена со вторым контактом. По меньшей мере одна из этих двух секций легирована с формированием по меньшей мере одного центра-донора электрона(ов) и центра-акцептора электрона(ов). Молекулярная структура затвора химически связана с одной из этих первой и второй секций в достаточной близости к легирующей группе для того, чтобы посредством потенциала, приложенного к структуре затвора, воздействовать на собственное смещение, сформированное между первой и второй секциями легирующей группой. Молекулярная структура затвора соединена с третьим контактом для соединения с источником прилагаемого потенциала.

В еще одном своем аспекте настоящее изобретение направлено на мономолекулярный транзистор, который включает в себя проводник на основе полифенилена, имеющий множество соединенных друг с другом молекулярных кольцевых структур, и по меньшей мере одну изолирующую группу, присоединенную между соответствующей парой молекулярных кольцевых структур для создания двух секций проводника. Мономолекулярный транзистор также включает в себя первую легирующую группу, связанную с по меньшей мере одной молекулярной кольцевой структурой одной секции проводника для формирования соответствующего центра-донора электронов. Вторая легирующая группа, связанная с по меньшей мере одной молекулярной кольцевой структурой второй секции, формирует центр-акцептор электронов. Вторая изолирующая группа химически присоединена вблизи одной из первой и второй легирующих групп, и проводящий ток комплекс присоединен ко второй изолирующей группе для связывания с ней электрического заряда с целью модифицирования (изменения) собственного смещения, сформированного первой и второй легирующими группами.

Еще в одном своем аспекте настоящее изобретение направлено на мономолекулярное электронное устройство, сформированное с помощью молекулярного диода, имеющего по меньшей мере одну барьерную изолирующую группу, химически присоединенную между парой молекулярных кольцевых структур для формирования пары секций диода. По меньшей мере одна легирующая группа химически связана с одной из пары секций диода. Молекулярная структура затвора химически связана с той секцией диода, с которой химически связана по меньшей мере одна легирующая группа, для оказания воздействия на собственное смещение, сформированное по меньшей мере одной легирующей группой.

По этой причине одной из целей настоящего изобретения является создание мономолекулярного коммутационного устройства, которое демонстрирует усиление мощности.

Дополнительной целью настоящего изобретения является создание электронного коммутационного устройства с усилением мощности путем добавления структуры затвора к легированному молекулярному диоду для формирования отдельной (единой) молекулы, которая функционирует как транзистор.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в создании схемы мономолекулярного транзистора, который функционирует как инвертор.

Кроме того, еще одна цель настоящего изобретения заключается в обеспечении функций Булевой логики путем соединения друг с другом молекулярных структур диодно-диодной логики с молекулярным инвертором для обеспечения выполнения конкретных Булевых функций при одновременном обеспечении усиления мощности.

Эти и другие преимущества, а также новые признаки настоящего изобретения станут понятны из следующего далее подробного описания, если рассматривать его в сочетании с чертежами.

Краткое описание чертежей

Фигуры 1A, 1B и 1C схематически представляют структуру и работу молекулярного резонансного туннельного диода, продемонстрированного Ридом и Тоуром;

фиг.2A изображает примерное схематическое представление молекулярного выпрямляющего диода;

фиг.2B, 2C и 2D схематически показывают энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую мономолекулярной структуре выпрямляющего диода на основе полифенилена, представленной на фиг.2A, когда к молекуле приложено "прямое" смещение, "обратное" смещение и "нулевое" смещение соответственно;

фиг.3A представляет собой примерную схематическую диаграмму настоящего изобретения, иллюстрирующую трехконтактное молекулярное коммутационное устройство с затвором в незаряженном состоянии;

фиг.3B схематически изображает энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую трехконтактному устройству по фиг.3A;

фиг.3C представляет собой примерную схематическую диаграмму настоящего изобретения, иллюстрирующую трехконтактное молекулярное коммутационное устройство с затвором в заряженном состоянии;

фиг.3D схематически изображает энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую трехконтактному молекулярному коммутационному устройству по фиг.3C;

фиг.4A схематически изображает примерный альтернативный вариант конфигурации устройства по настоящему изобретению;

фиг.4B схематически изображает энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую трехконтактному коммутационному устройству по фиг.4A;

фиг.4C схематически изображает молекулярное коммутационное устройство по фиг.4A с заряженной структурой затвора;

фиг.4D схематически изображает энергетическую диаграмму орбиталей, соответствующую трехконтактному коммутационному устройству по фиг.4C;

фигуры 5A, 5B, 5C и 5D каждая схематически показывают репрезентативную молекулярную структуру для трехконтактного коммутационного устройства по настоящему изобретению;

фиг.6 изображает альтернативный примерный вариант трехконтактного молекулярного коммутационного устройства по настоящему изобретению;

фиг.7A изображает примерное трехконтактное коммутационное устройство по настоящему изобретению, использующее молекулярный резонансный туннельный диод, к которому присоединены легирующие группы и структура молекулярного затвора;

фиг.7B изображает другой альтернативный примерный вариант трехконтактного коммутационного устройства по настоящему изобретению, использующего молекулярный резонансный туннельный диод, к которому присоединены легирующие группы и структура молекулярного затвора;

фигуры 8A, 8B и 8C схематически показывают соответственно эквивалентную схему для инвертора, репрезентативную молекулярную структуру для инвертора по настоящему изобретению и примерный молекулярный инвертор на основе полифенилена по настоящему изобретению;

фигуры 9A и 9B схематически показывают соответственно альтернативный репрезентативный вариант молекулярной структуры для инвертора по настоящему изобретению и примерную молекулярную структуру инвертора на основе полифенилена по фиг.9A;

фигуры 10A и 10B схематически показывают соответственно эквивалентную электрическую схему для логического элемента И-НЕ и примерный молекулярный логический элемент И-НЕ на основе полифенилена по настоящему изобретению;

фигуры 11A и 11B схематически показывают соответственно эквивалентную электрическую схему для логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ и примерную схематическую структуру молекулярного логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ на основе полифенилена по настоящему изобретению; и,

фигуры 12A и 12B схематически показывают соответственно эквивалентную электрическую схему для полусумматора и примерную схематическую структуру молекулярного полусумматора на основе полифенилена по настоящему изобретению.

Описание предпочтительных воплощений

Обращаясь к фиг.2A, здесь изображена молекулярная структура 11 выпрямляющего диода, которая основана на полиароматическом проводнике 12, который содержит множество последовательно связанных, по существу идентичных ароматических кольцевых структур 13. Как здесь используется, молекулярный проводник представляет собой отдельную молекулу, имеющую множество по существу идентичных кольцевых структур, соединенных или связанных друг с другом последовательно и/или параллельно, которые формируют электропроводящую молекулярную цепь или сеть. Под "связанными" ароматическими кольцами подразумевается то, что кольца однократно и многократно связаны друг с другом или с промежуточными атомами углерода или углеводородными группами. Использование термина "ароматическое кольцо" подразумевает включение в рассмотрение кольцевых молекулярных структур, имеющих по существу ароматический характер, таких, как кольца, в которых были введены и связаны в кольце гетероатомы. Такие гетероатомы представляют собой атомы, иные, чем углерод, например атомы, выбранные из элементов III, IV и V групп Периодической Таблицы, подобные бору, кремнию или азоту. Молекулярный проводник может быть сформирован из таких колец, как бензол, циклопентадиен, циклопропен, и их сочетаний.

Отдельная молекула 11 имеет две секции 14 и 15, разделенные с помощью изолирующей группы 16, обозначенной с помощью R. Секция 14 молекулы 11 может быть легирована по меньшей мере одной связанной с ней группой, отбирающей электрон(ы) и обозначенной как Y. Секция 15 молекулы 11 может быть легирована по меньшей мере одной связанной с ней группой 18, отдающей электрон(ы) и обозначенной как X. На самом деле должна легироваться только одна секция 14 или 15. Ароматические кольца связаны друг с другом с помощью по меньшей мере одной из соответствующих легирующих групп X и Y, связанных с одним или несколькими центрами соответствующих секций проводника. Связывание изолирующих и легирующих групп с проводником может быть осуществлено с помощью обычных реакций включения и замещения, хорошо известных в данной области техники, причем либо с помощью таких реакций самих по себе, либо в сочетании с методиками манипуляций с использованием сканирующего туннельного электронного микроскопа или другого нанозонда (нанодатчика). В дополнение к этому, изолирующая группа 16 может быть использована для "сращивания" друг с другом двух проводников, каждый из которых представляет собой соответствующую секцию 14 и 15.

Как показано, молекулярная структура 11 представляет собой выпрямляющий диод, который интегрально включен в молекулярный проводник 12 на основе полифенилена. Здесь бензольные кольца 13 связаны тройными этиниленовыми связями 19. Тройные этиниленовые связи 19 вставлены (введены в структуру) в качестве спейсеров или разделителей между кольцами 13 для устранения стерического взаимодействия между атомами водорода, связанными с соседними кольцами 13. Изолятор 16 вводится в проводник путем присоединения насыщенной алифатической группы или группы, имеющей преимущественно алифатический характер по отношению к транспорту электронов в ней (отсутствие пи-орбиталей). Добавление изолятора 16 разделяет проводник на две секции 14 и 15. Секция 14, как показано, легируется для формирования центра-акцептора электронов, а секция 15 легируется для формирования центра-донора электронов. Хотя показан только один центр-донор электронов и один центр-акцептор электронов, множество таких центров может быть введено в структуру, причем в одно и то же кольцо или в соседние кольца для корректировки падения напряжения на концах изолятора 16. Необходимо также заметить, что достаточное падение напряжения может быть получено путем легирования только одной секции 14 или 15 соответствующей легирующей группой 17 или 18. Соответствующие дальние концы проводника присоединяются к контактам. Проводимость такого соединения улучшается с помощью группы-заместителя ω, которая расположена соответственно на дальних концах проводника и которая химически связывается с электрическим контактом.

Сравнивая молекулярную структуру 11, изображенную на фиг.2A, с диаграммами потенциальной энергии, представленными на фигурах 2B-2D, можно заметить, что изолирующая группа 16, расположенная по существу в средине молекулы 11, соответствует (ассоциируется с) потенциальному энергетическому барьеру 20. Существуют также барьеры 21 и 22 между молекулой 11 и проводящими контактами 23 и 24 на каждом из концов молекулы 11, сформированные заместителями ω, имеющими соответствующую характеристику для селективного присоединения к конкретной атомной или молекулярной структуре контактов 23, 24. Барьер 20 служит для поддержания некоторой степени электрической изоляции между различными частями структуры, достаточной для предотвращения прихода уровней 26, 26' и 25, 25' энергии соответственно секций 14 и 15 в равновесие. Однако ни один из этих барьеров не является настолько широким или настолько высоким, чтобы полностью предотвратить туннелирование электронов через них под действием напряжения смещения. Материал контактов 23, 24 может представлять собой металл или проводящий неметалл, такой, как тубулены или нанотрубки (от англ. buckytubes). Изолирующая группа R может представлять собой любую группу, которая является более изолирующей, чем полиароматическая цепь 12. Некоторые кандидаты на эту роль включают в себя алифатические группы, такие, как связанные сигма-связью метиленовые группы (-CH₂-) или диметиленовые группы (-CH₂CH₂-).

Как показано на фиг.2D, слева от центрального барьера 20 все уровни 25 энергии с валентностью пи-типа имеют повышенные энергии из-за присутствия группы 18, отдающей электрон(ы), и обозначенной в структуре молекулы 11 как X. Эти уровни включают в себя как самую высокую заполненную молекулярную орбиталь (от англ. the highest occupied molecular orbital, HOMO), так и самую нижнюю заполненную молекулярную орбиталь (от англ. the lowest occupied molecular orbital, LUMO). Среди множества возможных заместителей, отдающих электроны, следующие далее группы представляют собой примеры некоторых пригодных для использования заместителей, которые могут быть использованы для формирования выпрямляющего диода. В частности, такие заместители включают в себя: -NH₂, -OH, -CH₃, -CH₂CH₃ и тому подобное.

В контексте современной молекулярной квантовой механики необходимо понять, что группа-донор электронов, связанная с ароматическим кольцом, имеет тенденцию к размещению большей электронной плотности на кольце или там, где множество групп X присоединены к нескольким сопряженным ароматическим кольцам, создавая более высокую электронную плотность на множестве колец при нулевом прилагаемом смещении. Это увеличивает величину взаимного отталкивания между электронами на молекулярной орбитали, соответствующей кольцевой структуре или сопряженной кольцевой структуре. В таком случае сопряженной кольцевой структуры слева от центрального барьера 20 это дополнительное отталкивающее взаимодействие увеличивает общую энергию, а также энергии орбиталей ее компонентов.

Справа от центрального барьера все уровни энергии валентности пи-типа имеют пониженную энергию из-за присутствия группы 17, отбирающей электроны и обозначенной на молекулярной диаграмме как Y. Это относится как к орбиталям HOMO, так и LUMO на центре-акцепторе. Примеры некоторых заместителей, отбирающих электроны, которые являются пригодными для использования при формировании акцепторной легирующей группы, включают в себя:

-NO₂, -CN, -CHO, -COR' и тому подобное, где R' представляет собой алифатическую цепь. Группа 17, отбирающая электроны, связана с кольцом 13, или же множество групп 17 могут быть соответствующим образом связаны с несколькими сопряженными ароматическими кольцами 13. Эти группы имеют тенденцию к удалению электронной плотности с соответствующего кольца или колец 13, тем самым понижая величину электронного отталкивания между электронами, связанными с кольцевой структурой или с сопряженной кольцевой структурой. Это ослабление отталкивающих взаимодействий понижает общую энергию структуры справа от центрального барьера 20, а также энергию орбиталей ее компонентов при условии нулевого смещения.

Добавление одного или нескольких легирующих заместителей создает в некотором смысле "предварительное смещение" вдоль (или, иначе говоря, на концах) барьера 20. Это предварительное смещение или вызванная легированием разница в уровнях энергий орбиталей между двумя секциями молекулы 11 существует даже тогда, когда существует нулевое смещение, прилагаемое извне, как показано на фиг.2D. Это предварительное смещение должно быть преодолено для того, чтобы электроны протекали из секции, легированной акцептором электронов, в секцию, легированную донором электронов, туннелируя сквозь барьер 20. Разница энергий (ΔE_LUMO) между энергией орбитали LUMO донора (E_D-LUMO) и энергией орбитали самой нижней по энергии орбитали акцептора (E_A-LUMO), устанавливающаяся с помощью легирования секций проводника, делает возможной работу (функционирование) молекулы в качестве выпрямляющего диода. Путем использования обеих групп, т.е. как группы, отдающей электроны, так и группы, отбирающей электроны, которые обе связаны с соответствующими секциями проводника, собственное смещение увеличивается, поднимая пи-орбитали 25 донорной секции и понижая пи-орбитали 26 акцепторной секции. Как обсуждалось ранее, достаточные разности уровней энергии могут также быть получены путем использования одной легирующей группы, т.е. либо группы-донора электронов, либо группы-акцептора электронов, которая была бы достаточной для работы выпрямляющего диода.

Индуцированная разность относительных положений энергий валентных пи-орбиталей 25 в донорной секции 15 и валентных пи-орбиталей 26 в акцепторной секции 14 молекулы 11 при нулевом напряжении смещения, прилагаемом извне, создает основу для принципов работы мономолекулярного выпрямляющего диода, внедренного в молекулярный проводник. Принципы работы такого выпрямляющего диода подробно описываются в следующих далее разделах.

На фиг.2B, к молекуле 11, показанной на фиг.2A, прилагают прямое напряжение смещения, причем высокое напряжение - на контакт 24, (левый контакт), а более низкое напряжение - на контакт 23 (правый контакт). В условиях такого смещения электроны на заселенных квантовых уровнях правой секции 14 с более низким напряжением вынуждены двигаться или течь справа налево через молекулу 11 с тем, чтобы достичь левой секции 15 с более высоким напряжением. Этот поток электронов представляет собой следствие разности энергий, сформированной с помощью приложенного напряжения смещения, при этом электроны перекачиваются в секцию, к которой приложено положительное напряжение.

Заселенные квантовые уровни в каждом контакте представлены близко расположенными горизонтальными линиями 27 на самом левом и самом правом краях фигур 2B, 2C и 2D. Энергия самого высокого из этих заселенных уровней 27, т.е. уровня Ферми, известна как энергия Ферми (E_F) в металлическом контакте. Приложение прямого напряжения смещения стремится повысить энергию уровня Ферми у контакта с низким напряжением и понизить энергию уровня Ферми у другого контакта. Таким образом, для появления указанного потока электронов справа налево при прямом смещении разность напряжения смещения должна быть достаточна для того, чтобы повысить энергию Ферми электронов на заселенных уровнях контакта 23 по меньшей мере до уровня энергии пи-орбитали LUMO в акцепторной секции 14 молекулы 11. Это находится в соответствии с принципом Паули, при этом остальным электронам запрещено переходить на пи-орбитали HOMO с более низкой энергией в акцепторной половине молекулы, поскольку они уже дважды заняты (т.е. каждый из них занят двумя электронами), и электроны, расположенные на них, не могут туннелировать с них влево.

Тем не менее, если энергия Ферми контакта 23 увеличивается с помощью прямого напряжения смещения до величины энергии LUMO в акцепторной секции или выше нее, то электроны могут туннелировать из контакта 23 на пустые LUMO непосредственно в левую сторону. Затем электроны могут еще раз туннелировать влево через центральный изолирующий барьер 20 к множеству незаселенных молекулярных орбиталей в донорной секции 15 молекулы 11. Выше порогового напряжения или напряжения "включения" для молекулярного выпрямляющего диода молекулярные орбитали в донорной секции 15 достаточно понижаются по энергии с помощью прямого напряжения смещения, так что одна или несколько из них совпадают с LUMO в акцепторой секции 14 молекулы 11, как показано на фиг.2B.

Как будет понятно специалисту в данной области техники, в случае прямого напряжения смещения величина напряжения, которое должно быть приложено, вероятно, не будет слишком большой для того, чтобы начать движение или течение электронов благодаря повышению уровня Ферми контакта 23, достаточному для превышения энергии LUMO акцепторной секции 14 молекулы 11. Это происходит потому, что уровни энергии акцепторной секции 14 понижаются заранее благодаря присутствию группы-заместителя 17, отбирающей электроны и связанной с секцией 14.

С другой стороны, протекание электронов не является таким легким делом, когда к молекуле 11 приложено обратное напряжение смещения, как иллюстрируется схематически на фиг.2C. В случае обратного напряжения смещения с более высоким напряжением на контакте 23 и более низким напряжением на контакте 24 электроны на правом контакте 24, как правило, не стремятся перемещаться слева направо по молекуле 11. Для реального осуществления этого протекания электронов по молекуле обратное напряжение смещения должно быть достаточным для того, чтобы повысить уровень Ферми контакта 24 таким образом, чтобы он был по меньшей мере настолько же высоким, как и энергия пи-орбиталей LUMO в донорной секции 15 молекулы 11. Однако в случае обратного напряжения смещения величина напряжения, которое должно быть приложено, является значительно большей, чем в случае прямого напряжения смещения, для повышения энергии Ферми контакта, достаточного для того, чтобы превзойти энергию LUMO соседней части молекулы 11. Это происходит потому, что все уровни энергии донорной секции 15 повышены заранее благодаря присутствию группы-заместителя 18, отдающей электроны и связанной с секцией 15 молекулы 11. Такой высокий уровень напряжения представляет собой аналог обратного напряжения пробоя обычных полупроводниковых устройств.

Как показано на фиг.2C, в обратном направлении прикладывается такая же величина напряжения, как и та, которая используется в прямом направлении (фиг.2B), и оно является недостаточным для того, чтобы дать возможность электронам туннелировать из контакта 24 на уровень энергии LUMO молекулы 11. Различные характеристики молекулы 11 при прямом и обратном смещении определяют классическое поведение выпрямляющего диода.

Описанный выше выпрямляющий диод, подобно резонансному туннельному диоду на фиг.1A, является пригодным для использования при конструировании функций Булевой логики, которые могут быть использованы в цифровых схемах нанометрового масштаба. Однако такие молекулярные электронные коммутационные устройства страдают от того же главного недостатка, то есть они не обладают способностью обеспечивать усиление мощности.

Для достижения усиления мощности требуется трехконтактное устройство, т.е. устройство с тремя контактами, в котором малое напряжение и/или ток прикладывается к управляющему электроду для осуществления коммутации большего напряжения и/или тока, протекающего между двумя другими электродами этого устройства. В частности, молекулярный резонансный туннелирующий транзистор может быть сформирован путем связывания структуры затвора со структурой молекулярного диода, причем либо выпрямляющего диода, либо резонансного туннельного диода, для формирования новой отдельной молекулы, которая функционирует в качестве коммутационного устройства и усилителя с электрическим приводом. Пример такого устройства иллюстрируется на фигурах 3A и 3C, где изображается структура молекулярного резонансного туннельного транзистора 100, который сформирован путем химического связывания молекулярной структуры 102 затвора с молекулярной структурой 111. Взятая в отдельности молекулярная структура 111 определяла бы выпрямляющий диод, структура и работа которого обсуждалась ранее. Молекулярная структура транзистора 100 функционально представляет собой аналог объемного полупроводникового транзистора с каналом n-типа, работающего в режиме обогащения. Подобно твердотельному электронному устройству, молекулярный транзистор 100 основывается на стратегическом использовании химических легирующих групп, отдающих электроны и отбирающих электроны (производящих "дырки"), т.е. легирующих групп 117 и 118 соответственно. Эти легирующие химические заместители 117, 118, которые ковалентно связаны с оставшейся частью молекулы 112, обозначены как X и Y. В соответствии с фундаментальными основами органической химии заместитель X или множество заместителей X (как ранее обсуждалось) должен пониматься как группа, отдающая электроны. Такая группа может включать в себя, например,

-NH₂, -OH, -OCH₃, -CH₃, -CH₂CH₃ и тому подобное. Легирующий заместитель Y или множество таких заместителей должны пониматься как группа, отбирающая электроны (или акцептор). Примеры таких заместителей включают в себя -NO₂, -CN, -CHO, -COR' и тому подобное, где R' представляет собой алифатическую цепь.

Как будет видно в следующих далее параграфах, молекулярный транзистор сохраняет структуру, родственную структуре исток-сток-затвор с тремя контактами, найденную для твердотельного полевого транзистора. В дополнение к этому, молекулярный транзистор 100 использует резонансные коммутационные (переключающие) эффекты, причем эти эффекты являются хорошо известными в данной области техники. Транзистор 100 использует молекулярную структуру молекулярного выпрямляющего диода для формирования областей истока и стока молекулярного транзистора. Для получения молекулярного резонансного туннельного транзистора из "основной цепи" молекулярного выпрямляющего диода третий контакт, т.е. "затвор", химически связывается с диодом с целью предоставления возможности для приложения малого внешнего напряжения смещения, которое либо противодействует воздействию собственного смещения, индуцированного легирующими заместителями, либо усиливает его, в зависимости от полярности напряжения смещения на затворе. С помощью такой компоновки квантованные молекулярные уровни энергии в областях истока и стока структуры могут быть приведены в резонанс или выведены из него контролируемым образом, и поэтому ток, проходящий от истока к стоку, может быть включен или выключен. В дополнение к этому, поскольку ток, протекающий через структуру затвора, является существенно меньшим, чем тот, который протекает между истоком и стоком, реализуется усиление мощности.

Транзистор 100 включает в себя электронный контакт 124 истока, который соединен с молекулярной структурой 111 через группу-заместитель ω, которая химически связывается с материалом контакта 124 для улучшения соединения между контактом и дальним концом проводника 112, т.е. дальним кольцом 113 секции 115. Подобным же образом электронный контакт 123 стока соединен с противоположным дальним кольцом 113 проводника 112 через группу-заместитель ω. В качестве примера можно отметить, что если контакты 123 и 124 сформированы из золота, группа-заместитель ω может быть сформирована с помощью атома серы. В основном, как описано для выпрямляющего диода, две секции 114 и 115 проводника 112 определяются с помощью изолирующей группы 116, которая разделяет эти секции. Здесь опять же, хотя на фигуре и показано, что каждая секция легируется соответствующим образом для индуцирования собственного смещения, разница энергий на концах (т.е. с двух сторон) изолятора 116 может быть получена также с использованием только одной легирующей группы 117, 118. Является достаточной либо группа-донор X, либо группа-акцептор Y. Необходимо также понять, что, хотя легирующие группы 117, 118 изображены как связанные с соответствующей кольцевой структурой 113 непосредственно рядом с изолятором 116, заместители могут быть фиксированы на других частях молекулы, таких, как кольца, которые отделены одним или несколькими кольцами от изолятора 116. В дополнение к этому, легирующие заместители могут быть химически связаны с молекулярной структурой затвора для кондиционирования ее по отношению к каналу исток-сток, или же легирующие заместители могут быть введены путем замещения на изолирующие барьерные группы для кондиционирования их по отношению к проводящему истоку, стоку и затвору. В молекулярном транзисторе 100 структура 102 затвора включает в себя изолятор 104 затвора, обозначенный как R', который показан химически связанным с легирующей группой X 118. Как будет обсуждаться далее в следующих параграфах, изолятор 104 затвора может быть связан с другими частями того же кольца 113, с которым связана легирующая группа, или же изолятор 104 затвора может быть связан с другим (иным) кольцом 113 той же самой секции 115, 114. С изолятором 104 затвора химически связан проводящий ток комплекс 106, через который проходит ток затвора и на котором может аккумулироваться заряд затвора для того, чтобы вызвать полевой эффект в компоненте исток-сток молекулы. Проводящий ток комплекс затвора соединен с контактом 108 затвора через улучшающую проводимость группу-заместитель ω, которая химически связывается с материалом электрического контакта.

Чтобы понять работу молекулярного транзистора 100, нужно дополнительно сослаться на фигуры 3B и 3D. В случае диодных структур, показанных на фигурах 1A и 2A, напряжение, приложенное к контактам, аналогичным контактам 123 и 124, изменяется для индуцирования эффекта переключения. В случае молекулярного транзисторного устройства 100 напряжение исток-сток поддерживается постоянным, при этом потенциал, приложенный к затвору, изменяется для противодействия или усиления собственного смещения, которое индуцируется легирующими заместителями, и тем самым переключает ток исток-сток. Таким образом, на фиг.3 В изображены уровни энергии в каждой из секций 114 и 115 без напряжения затвора, приложенного к контакту 108, показанному на фиг.3A. Как и в диодной структуре, изолятор 116 образует барьер 120 на энергетической диаграмме. Как показано на фиг.3 В, в дополнение к центральному барьеру 120, барьеры 121 и 122 представляют собой барьеры соответственно между молекулярной структурой 111 и соответствующими проводящими контактами 123 и 124.

Когда приложено внешнее напряжение, как показано на фиг.3B, заселенные квантовые уровни 127 энергии подобны уровням молекулярного выпрямляющего диода под обратным смещением. Благодаря приложенному смещению энергия Ферми контакта 124 увеличивается, а энергия контакта 123 понижается. В условиях обратного смещения энергии пи-орбиталей 125, 125' донорной секции 115 являются более высокими, чем энергии соответствующих пи-орбиталей 126, 126' акцепторной секции 114. То есть, уровни энергии донорного комплекса не совпадают с уровнями акцепторного комплекса, что представляет собой препятствие для протекания электронов между контактами истока и стока. Однако, как иллюстрируется на фигурах 3C и 3D, приложение напряжения к контакту затвора противодействует собственному смещению, установившемуся под действием легирующих заместителей. Под действием этого напряжения валентные пи-орбитали 125, 125' и 126, 126' приводятся в резонанс с тем, чтобы дать возможность электронам для протекания от контакта истока к контакту стока. Поскольку это требует значительно меньшего напряжения на затворе, чем то, которое прикладывается между истоком и стоком для воздействия на донорный эффект легирующей группы 118, то и через затвор проходит значительно меньший ток, чем тот, который переключается между контактами истока и стока. Таким образом, подобно твердотельному полупроводниковому транзистору молекулярный транзистор 100 способен обеспечивать усиление мощности.

Обращаясь к фигурам 4A-4D, здесь показан молекулярный резонансный туннельный транзистор 100', который представляет собой аналог полупроводникового транзистора с n-каналом, работающего в режиме обеднения. Транзистор 100' включает в себя структуру 102 затвора, которая химически связана с акцепторной секцией 114 полиароматической цепи 112. Основное структурное различие между этим, работающим в режиме обеднения молекулярным транзистором 100', иллюстрируемым на фиг.4, и работающим в режиме обогащения молекулярным транзистором 100, иллюстрируемым на фиг.3, заключается в том, что первый имеет структуру 102 затвора, связанную с акцепторным комплексом 114, в то время как последний имеет структуру 102 затвора, связанную с донорным комплексом 115.

Структура 102 затвора включает в себя изолятор 104, обозначенный как R', который сформирован с помощью химической группы, которая является более изолирующей, чем полиароматическая цепь 112. Некоторые кандидаты на эту роль включают в себя алифатические группы, такие, как имеющие сигма-связи метиленовые группы (-CH₂-) или диметиленовые группы (-CH₂CH₂-) и их более длинные цепи. Хотя изолятор 104 затвора показан на фигурах 4A и 4C как связанный с легирующей группой 117, он также может быть связан с другими центрами на кольце 113, с которым связана легирующая группа 117, или на кольцах, соседних с ним. Управляющее напряжение затвора приложено к контакту 108, и поэтому через проводящий ток комплекс 106 проводится ток, причем через повышающую проводимость группу-заместитель ω, которая химически связывается с электрическим контактом 108. Проводящий ток комплекс 106 сформирован с помощью (из) полиароматического проводника с достаточной длиной или емкостью для того, чтобы дать возможность заряду собираться (накапливаться) на ней для усиления полевого эффекта на донорно-акцепторном комплексе. Таким образом, путем использования сеткообразной (от англ. mesh-like) молекулярной структуры, такой, как нафталиновая группа с двумя кольцами, емкость увеличивается, тем самым понижая величину потенциала, который должен быть приложен к структуре затвора для осуществления "переключения" молекулярного электронного устройства.

Как показано на энергетической диаграмме, приведенной на фиг.4B, молекулярное устройство 100' легировано таким образом, что уровни энергий секций 114 и 115 находятся в резонансе при прямом смещении между истоком и стоком, но без приложения напряжения к контакту затвора. С помощью соответствующей отрицательной полярности, приложенной к контакту 108 затвора, устройство выключается, потому что незаселенные уровни 126' энергии на акцепторном комплексе вынуждены сдвигаться и выходить из совпадения с уровнями энергии 125' донорного комплекса, как иллюстрируется на энергетической диаграмме, приведенной на фиг.4D. Для случая, когда затвор является незаряженным, транзистор действует таким же образом, как и выпрямляющий диод с прямым смещением.

Переключение происходит потому, что приложение небольшого отрицательного заряда к затвору противодействует воздействию легирующих групп, отбирающих электроны. Воздействие приложенного к затвору извне смещения заключается в увеличении энергии незаселенных уровней 125', 126' энергии в зоне проводимости акцепторной области или области истока, выводя там уровни энергии из совпадения с уровнями донорной области или области стока такого устройства. Несовпадение между незаселенными уровнями 125' и 126' энергии (зоны) проводимости донорных и акцепторных комплексов соответственно предотвращает появление туннелирования электронов от истока к стоку через центральный изолирующий барьер, тем самым выключая устройство. Подобно устройству 100 транзистор 100' использует небольшой ток или напряжение, прикладываемое к структуре 102 затвора для управления гораздо большим током или напряжением, который протекает или прикладывается к областям стока и истока 115 и 114. Таким образом, молекулярный транзистор 100', работающий в режиме обеднения, демонстрирует усиление мощности.

Обращаясь теперь к фигурам 5A-5D, здесь изображены схематические представления молекулярного транзистора 100, 100', иллюстрирующие некоторые вариации в химическом связывании легирующих групп-заместителей и в структуре 102 затвора. На фиг.5A транзистор сформирован путем объединения полиароматической молекулярной структуры 111 с молекулярной структурой 102 затвора для формирования новой отдельной молекулы. Молекулярная структура 111 включает в себя множество последовательно соединенных, по существу идентичных ароматических кольцевых структур 113, включающих в себя любые промежуточные мостиковые группы, обозначенные символом α. Поскольку все кольца 113 могут быть иными, чем бензольные кольца, например, такими как циклопентадиен, циклопропен или их сочетания, символ (используется для обозначения любых кольцевых молекулярных структур, имеющих по существу ароматический характер, как обсуждалось ранее. Для создания собственного смещения на концах изолятора 116, обозначенного символом R, легирующая группа-заместитель 117, 118, обозначенная символом Z, связана с кольцом 113 вблизи изолятора 116. На секции молекулярной структуры 111 с другой стороны изолятора 116 противоположная легирующая группа 118, 117, обозначенная символом Z', связана с кольцом 113a. Легирующая группа Z' имеет характер, противоположный группе Z; то есть, когда Z представляет собой донорную легирующую группу, тогда Z' представляет собой акцепторную легирующую группу, и наоборот. Структура 102 затвора связана с легирующей группой Z. Эта структура затвора включает в себя изолирующую группу 104, обозначенную символом R', с которой соединен проводящий ток комплекс 106, обозначенный символом β.

Фиг.5B иллюстрирует молекулярный транзистор, в котором структура 102 затвора непосредственно не связана с легирующей группой-заместителем 117, 118. Легирующая группа-заместитель Z может быть либо группой, отдающей электроны, либо группой, отбирающей электроны, присоединенной к кольцу 113 одной из секций молекулярной структуры 111 на одной из сторон изолятора 116. Если желательной является большая разница ΔE_LUMO между незаселенными уровнями энергии на каждой стороне изолятора 116, то группа Z, отдающая электроны, или группа Z', отбирающая электроны и относящаяся к противоположному Z типу, может быть соединена с кольцом 113a, подобно тому, что иллюстрируется на фиг.5A. На фиг.5B структура 102 затвора химически связана с кольцом 113', т.е. с кольцом, которое находится рядом с кольцом 113, к которому присоединена легирующая группа Z. Структура 102 затвора включает в себя изолятор 104 затвора, обозначенный символом R', а также проводящий ток комплекс 106, обозначенный символом β.

В качестве дополнительной вариации, фиг.5C иллюстрирует структуру 102 затвора, которая присоединена непосредственно к тому же кольцу 113, что и легирующая группа Z. Как и в предыдущих случаях, легирующая группа противоположного Z типа может быть связана с кольцом 113a для увеличения разности энергий ΔE_LUMO на концах изолирующей группы R. Легирующая группа Z может представлять собой либо группу 117, отбирающую электроны, либо группу 118, отдающую электроны, которая присоединена к одной из позиций кольца 113. Связанным с другой позицией кольца 113 является изолятор 104, который также связан с проводящим ток комплексом 106.

Еще в одной вариации, показанной на фиг.5D, молекулярная структура 111 иллюстрирует случай, когда структура 102 затвора связана с кольцом, которое не является соседним с кольцом, к которому присоединена соответствующая легирующая группа. Легирующая группа Z, которая может представлять собой группу 117, отбирающую электроны, или группу 118, отдающую электроны, присоединена к кольцу 113 в одной из секций, которые определяются изолирующей группой 116. Как и в других случаях, легирующая группа 118, 117 противоположного типа может быть связана с кольцом 113a для увеличения разницы энергий ΔE_LUMO между незаселенными уровнями энергий на разных сторонах изолирующей группы R. Структура 102 затвора связана с кольцом 113" в той же самой секции, что и кольцо 113, к которому присоединена легирующая группа. Однако кольцо 113' смещено от кольца 113 более чем на одно положение кольца (случай смещения на положение одного кольца показан на фиг.5B).

Другая альтернатива показана на фиг.6, где множество легирующих групп использованы с одной стороны центрального изолятора R, а структура 102 затвора соединена с кольцом 113, т.е. с кольцом, которое свободно от связывания с легирующей группой. В этом случае полиароматический молекулярный проводник 112 разделен на две секции 114 и 115 с помощью изолирующей группы 116, обозначенной символом R. Акцепторная секция 114 включает в себя кольцо 113c, которое расположено рядом с изолятором 116 и к которому присоединена первая акцепторная легирующая группа 117, обозначенная символом Y. Вторая акцепторная легирующая группа 117', обозначенная символом Y', соединена с прилегающим (граничным) кольцом 113d. Кольцо 113d соединено с контактом 123 стока через повышающую проводимость замещающую группу ω. С другой стороны изображена секция 115 с первой группой-донором 118 электронов, обозначенной символом X и соединенной с кольцом 113b, и второй группой-донором 118' электронов, обозначенной символом X' и также соединенной с тем же кольцом 113b. Расположенным между кольцом 113b и изолятором 116 является кольцо 113, с которым соединена структура 102 затвора. Как и в секции 114, две группы-доноры 118 и 118' электронов могут быть соединены альтернативно с каждым из двух различных колец 113 и 113b. Наоборот, две группы 117 и 117', отбирающие электроны, могут быть соединены с одним кольцом 113c, 113d. Посредством этих вариаций в положении и количестве легирующих групп может быть достигнуто прецизионное управление разницей энергий ΔE_LUMO на концах изолятора 116. Структура 102 затвора включает в себя диметиленовую группу 104 в качестве изолятора затвора и полиароматический проводник 106 в качестве проводящего ток комплекса, который соединен с диметиленовой группой и контактом 108 затвора через заместитель ω. В качестве примера полиароматический проводник 106 изображен в виде нафталиновой группы, структура из двух колец которой обеспечивает увеличение емкости по сравнению со структурой из одного кольца.

Концепция создания молекулярного транзистора путем добавления структуры затвора к легированному молекулярному диоду не является ограниченной в ее применимости только к молекулярным выпрямляющим диодам. Путем добавления легирующих групп 117, 118 и структуры 102 затвора к молекулярному резонансному туннельному диоду 202 может, таким образом, быть сформирован молекулярный резонансный туннельный транзистор 200, изображенный на фиг.7A.

В обычной структуре молекулярного резонансного туннельного диода 202 (как изображено на фиг.1A) акцепторные легирующие группы 117 соединены с соответствующими кольцами 210b и 210c из соответствующих секций 232 и 234, которые расположены на противоположных сторонах кольца 235, которое составляет "островок" резонансного туннельного диода. Как обычно, кольцо-островок 235 отделено от секции 232 с помощью изолирующей группы 236, которая действует в качестве барьера, через который электроны должны туннелировать для осуществления проводимости. Островок 235 соединен с секцией 234 через другую изолирующую группу 238, которая действует в качестве второго барьера, через который электроны должны туннелировать для осуществления проводимости. К кольцу-островку 235 присоединена донорная легирующая группа 118 с тем, чтобы сформировать собственное смещение на концах обеих барьерных групп 236 и 238, и на это собственное смещение затем будет воздействовать внешний потенциал, приложенный к структуре 102 затвора. Структура 102 затвора включает в себя изолирующую группу 104, которая соединена с легирующей группой-донором 118 электронов. Проводящий ток комплекс 106 сформирован полиароматической проводящей структурой, подобной структуре молекулярного проводника и имеющей соединенные друг с другом ароматические кольца 213a и 213b. Разумеется, и более длинные цепи или сетки из ароматических колец или молекулярных структур, имеющих по существу ароматический характер, могут быть использованы для формирования проводящего ток комплекса 106. Дальний конец проводящего ток комплекса соединен с электродом 108 затвора через группу-заместитель ω. При такой компоновке проводимость между электродами 230 и 240 может подвергаться воздействию приложения потенциала заданной полярности к электроду 108 затвора. В частности, положительное напряжение, приложенное к электроду 108 затвора, будет стремиться к противодействию влиянию легирующей группы X 118, связанной с островком 235. Тем самым, положительное напряжение затвора стремится понизить незаполненные уровни энергии островка и привести их в большее совпадение с соответствующими незаселенными уровнями энергии зоны проводимости в областях 232 и 234 слева и справа. Достаточное положительное напряжение, приложенное к затвору, может привести эти три набора уровней энергии в областях 235, 232 и 234 к совпадению, включая молекулярный транзистор. Однако это напряжение затвора по-прежнему является значительно меньшим, чем напряжение, которое может быть приложено для протекания тока между электродами истока и стока. Таким образом, для этого устройства является достижимым усиление мощности.

Фиг.7B иллюстрирует структуру, альтернативную той, которая показана на фиг.7A. Вариация на фиг.7B структурно отличается от той, что показана на фиг.7A, только тем, что заменен тип легирующей группы в каждом из трех положений, где легирующие группы химически присоединены к структуре. То есть, на фиг.7B легирующая группа 117, отбирающая электроны, присоединена к кольцу-островку и к изолятору затвора, в то время как в соответствующем положении на фиг.7A присоединена легирующая группа 118 отдающего электроны типа. Подобным же образом легирующие группы 118, отдающие электроны, на полиароматических проводниках слева и справа от островка на фиг.7B относятся к противоположному легирующим заместителям 117 типу, которые появляются в соответствующих положениях на фиг.7A.

Такое "переключение" типов всех легирующих групп для получения структуры резонансного туннельного транзистора, показанного на фиг.7B, по сравнению с теми, что показаны на фиг.7A, также означает, что при работе напряжение противоположной полярности должно быть приложено к электроду 108 затвора на фиг.7B с тем, чтобы включить устройство. То есть, необходимо приложить небольшое отрицательное напряжение к электроду затвора на фиг.7B для того, чтобы противодействовать эффекту легирования и чтобы привести к совпадению все уровни энергии в зонах проводимости всех трех частей 232, 235, 234 молекулы, тем самым делая возможным протекание тока от истока к стоку. Как и на фиг.7A, проводящий ток комплекс может быть сформирован с помощью структуры из множества колец, имеющих ароматический характер, такой, как у полиароматического проводника.

Сконструировав резонансный туннельный транзистор в форме отдельной молекулы, становится возможной дополнительная модификация этой молекулы для достижения функциональности логического элемента (вентиля) НЕ. Как показано на схеме, приведенной на фиг.8A, в общем случае функция НЕ легко достигается путем присоединения резистора 304 между истоком 306 транзистора 302 и выходным контактом C. В дополнение к тому, что он соединен с одним из концов резистора 304, исток 306 соединен с источником питания положительной полярности. Сток 308 соединен со стороной отрицательной полярности источника питания, которая может представлять собой опорный потенциал заземления. Входной контакт A соединен с затвором 304 транзистора 302. Как хорошо известно, эта компоновка схемы обеспечивает такой выходной сигнал на контакте C, который является инвертированным по отношению к входному сигналу, приложенному к контакту A, функционируя в качестве классического инвертора.

Схема, изображенная на фиг.8B, представляет отдельную молекулу, которая осуществляет функцию инвертора и представляет собой молекулярный электронный вариант реализации общей схемы, показанной на фиг.8A. В молекулярную структуру 312 полиароматического проводника вставлена изолирующая группа R 316, и при этом по меньшей мере одна легирующая группа Z 117, 118 связана с кольцом 313a. Структура 102 затвора включает в себя изолирующую группу R' 104 затвора, проводящий ток комплекс β106, соединенный с изолирующей группой 104, и одно или большее количество ароматических колец 310. Комплекс 106 может отличаться от колец 310 тем, что его кольца соединены таким образом, чтобы увеличить их емкостной эффект.Эквивалент резистора 304 на фиг.8A обеспечивается с помощью изолирующей группы R" 318, присоединенной между кольцом 313' и молекулярным проводником, сформированным связанными ароматическими кольцами 320.

Обращаясь теперь к фиг.8C, здесь изображена примерная молекулярная структура для молекулярного электронного логического элемента НЕ или инвертора 300 на основе полифенилена. Основная цепь молекулярной структуры 311 диода сформирована с помощью молекулярного проводника 312, в который введена путем замещения изолирующая группа 316, тем самым определяя две секции 324 и 326. По меньшей мере одна из легирующей группы-донора 118 электронов или легирующей группы-акцептора 117 электронов присоединена к секции 326 в виде легирующей группы Z, причем легирующая группа Z химически присоединена к кольцу 313a полиароматической структуры. Как обсуждалось ранее, легирующая группа 117 противоположного легирующей группе 118 типа может быть присоединена к кольцам 313, 313' секции 324 для увеличения разницы энергий ΔE_LUMO между зонами проводимости по обеим сторонам изолятора 316. В этом примере структура 102 затвора соединена с легирующей группой Z для формирования структуры транзистора. Структура 102 затвора включает в себя изолирующую группу 102 затвора, сформированную с помощью диметиленовой группы, и проводящий ток комплекс 106, сформированный с помощью нафталиновой группы с двумя кольцами, молекулярная структура которой также может удерживать некоторый заряд для усиления полевого эффекта с целью переключения транзистора. Проводящий ток комплекс 106 может быть соединен через тройные этиниленовые связи 319 с одним или несколькими дополнительными ароматическими кольцами, так что структура 102 затвора в целом соединена с входным контактом A через заместитель ω, который связывается с материалом физического контакта, к которому приложено внешнее напряжение. На данной фигуре конкретная изображенная группа (представляет собой HS, т.е. тиольную группу. На практике, когда эта группа связывается с металлическим контактом из золота, атом водорода удаляется, оставляя только атом S между органической молекулой и металлическим контактом. Резистор 304 схемы, изображенной на фиг.8A, сформирован с помощью метиленовой изолирующей группы 318, которая соединена с кольцом 313' секции 324. Молекулярный проводник, сформированный с помощью множества полиароматических колец 320 с этиниленовыми связями 319 между ними, обеспечивает проводящее соединение между изолирующей группой 318 и выходным контактом C. Полиароматическая кольцевая структура соединена с выходным контактом с помощью тиольного заместителя ω, причем этот заместитель связан с такими материалами контактов, как золото, что уже было отмечено выше. Величина сопротивления резистора, сформированного с помощью изолирующей группы 318, может корректироваться путем использования разнообразных групп, имеющих более низкую проводимость, чем у полиароматической молекулярной структуры, и путем размещения множества таких изолирующих групп в молекулярном проводнике с использованием обычных методик органической химии, таких как замещение, или таких методик как механосинтез и хемосинтез. Соответствующие противоположные концы основной цепи диодной молекулярной структуры 311 соединены с контактами источника питания противоположных полярностей V+и V- для создания желаемого смещения между областями истока и стока.

Другой альтернативный молекулярный вариант воплощения инвертора, изображенного на фиг.8A, представлен с помощью структуры, показанной на фиг.9A. Инвертор 300' использует молекулярную структуру транзистора, подобную той, которая изображена на фиг.5B, где легирующая группа Z, которая может быть либо группой 117, отбирающей электроны, либо группой 118, отдающей электроны, соединена с кольцом 313a, а структура 102 затвора соединена с другим, но соседним кольцом 313b. В дополнение к изолятору 104 затвора и проводящему ток комплексу 106, структура 102 затвора может включать в себя дополнительные ароматические кольца 310 для создания проводящего пути к контакту, который обеспечивает вход A. В этой молекулярной структуре транзистора резистор, определяемый изолирующей группой 318 и имеющий символ R", соединен с ароматическим кольцом 313' секции молекулярной структуры 312, которая не является частью структуры 102 затвора. Изолирующая группа 318, которая функционирует в качестве резистора, соединена также с одним или несколькими ароматическими кольцами 320 для создания проводящего соединения с контактом, который представляет собой выход C.

Примерная молекулярная структура, соответствующая фиг.9A, изображена на фиг.9B. Здесь полиароматическая структура сформирована с помощью бензольных колец с этиниленовыми связями, причем структура 102 затвора соединена с кольцом 313b, в то время как легирующая группа Z соединена с кольцом 313a. Диметиленовая группа 104 формирует изолятор затвора, а нафталиновая группа формирует проводящий ток комплекс 106, который дополнительно соединен с одним или большим количеством дополнительных бензольных колец для соединения с контактом, к которому имеет сродство тиольный заместитель. Контакт затвора, таким образом, формирует вход A к кольцу 313', с которым соединена метиленовая изолирующая группа 318, которая функционирует в качестве резистора, ограничивая поток электронов через множество ароматических колец 320 к выходу C.

Из предыдущих примеров, изображенных на фигурах 8 и 9, должно быть понятно, что любая из альтернативных молекулярных структур транзистора, обсуждавшихся ранее в связи с фигурами 3-7, может быть использована для формирования мономолекулярного логического элемента НЕ, т.е. схемы, которая функционирует в качестве инвертора и которая находится в форме отдельной молекулы.

Соединение множества молекул с формированием большей молекулы, в которой проделываются замещение и химическое присоединение других групп-заместителей для формирования еще большей молекулы, включает в себя процедуры, которые являются хорошо известными в области органической химии и нанотехнологии. С использованием таких методик молекулярный диод, либо выпрямляющий, либо резонансный туннельный диод, модифицируется путем добавления структуры затвора с целью формирования большей молекулы. Это преобразует диодное коммутационное устройство в молекулярный транзистор, т.е. коммутационное устройство, которое демонстрирует усиление мощности. Молекулярный транзистор, полученный таким образом, затем может быть дополнительно модифицирован путем добавления молекулярных групп, которые функционируют в качестве резистивного элемента схемы, для формирования функции инвертора, т.е. функции логического элемента НЕ.

В дополнение к этому, путем объединения этой элементарной молекулярной схемы логического элемента НЕ с молекулярными схемами, которые осуществляют еще и другие элементарные логические функции (например, И, ИЛИ и ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ), могут быть выполнены еще более сложные молекулярные электронные логические функции. Эти логические функции реализуются с помощью еще больших отдельных молекул. Таким путем становится возможным конструирование отдельной молекулы, которая демонстрирует выполнение любой сложной функции Булевой логики. Примерами таких Булевых функций могут быть функции логического элемента И-НЕ, логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ и полусумматора, а также любое их сочетание.

Обращаясь к фиг.10A, здесь изображена общая эквивалентная схема, представляющая логический элемент И-НЕ 400 с двоичными входными сигналами A и B и с двоичным выходным сигналом для выведения результата логической операции на C. Входные сигналы A и B поступают на диодно-диодный логический элемент И 410. Выход этого логического элемента И далее соединен с инвертором 420 для обеспечения функции НЕ, которая выдает на выходе результат выполнения функции И-НЕ. В этом процессе функция НЕ также обеспечивает усиление или, иначе говоря, увеличение коэффициента усиления, выходного результирующего сигнала. Логический элемент И 410 сформирован с помощью двух выпрямляющих диодов 412 и 414 и резистора 416. Инвертор 420 включает в себя транзистор 422, в котором вывод (проводник) затвора соединен с выходом логического элемента И. Далее исток транзистора 422 обеспечивает инвертированный выходной сигнал через резистор 424.

Примерная молекулярная структура, которая выполняет функцию И-НЕ, представлена на фиг.10B. Логический элемент И-НЕ 400, как показано, сформирован с помощью молекулярных диодов 412 и 414, у которых их анодные концы соединены вместе, и к ним присоединен резистор, сформированный с помощью изолирующей группы 416, при этом противоположный конец этого резистора присоединен к выводу источника питания с положительной полярностью. Узел, соединяющий два диода 412 и 414, соединен с транзистором 422, причем транзистор имеет секцию истока, в которой изолирующая группа 424 определяет резистор, ограничивающий поток электронов к выходу C. Используя полифениленовый проводник с соответствующими легирующими и изолирующими группами, создается отдельная молекула, которая осуществляет указанную Булеву функцию, т.е. функцию логического элемента И-НЕ, и при этом такая молекула также дает усиление мощности. Усиление мощности дает возможность логическому элементу 400 поддерживать то, что известно как "разветвление по выходу" при последовательных логических операциях, т.е. способность приводить в действие множество логических схем, расположенных после выхода C логического элемента И-НЕ.

На фиг.11A показана общая эквивалентная схема, представляющая логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 500 с двоичными входными сигналами A и B и с двоичным выходным сигналом для выведения результата логической операции на C. Входные сигналы A и B подаются на диодно-диодный логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 510. Выход этого логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ далее соединен с инвертором 420 для обеспечения функции НЕ, которая выдает на выходе результат выполнения функции ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ. Как и в случае логического элемента И-НЕ, функция НЕ также обеспечивает усиление или увеличение коэффициента усиления выходного результирующего сигнала. Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 510 сформирован с помощью двух выпрямляющих диодов 512 и 514, у которых катоды соединены вместе через соответствующие сопротивления R₀. Узел, соединяющий два сопротивления R₀, соединен с резонансным туннельным диодом 516 на одном его конце, а противоположный конец этого диода соединен с сопротивлением 518 нагрузки, и этот последний конец этого диода также выдает выходной сигнал логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выход логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 510 соединен с выводом (проводником) затвора транзистора 422. Резистор 424 инвертора 420 соединяет исток транзистора с выходом C.

Обращаясь теперь к фиг.11B, здесь показана примерная молекулярная структура, которая выполняет функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ. Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 500, как показано, сформирован с помощью молекулярного логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 510, причем этот логический элемент включает в себя молекулярные диоды 512 и 514, у которых их катодные концы соединены вместе через сопротивления, определяемые их соответствующими собственными сопротивлениями. После узла, соединяющего выпрямляющие диоды, находится молекулярный резонансный туннельный диод 516, присоединенный одним своим концом к указанным выпрямляющим диодам и соединенный своим противоположным концом с молекулярным проводником, имеющим вставленный в него изолятор для формирования резистора 518. Тот конец молекулярного резонансного туннельного диода 516, который соединен с резистором 518, соединен также и с молекулярным логическим элементом НЕ 420, т.е. с молекулярной структурой, подобной молекулярному логическому элементу НЕ в обсужденном ранее логическом элементе И-НЕ. Как и логический элемент И-НЕ, обсуждаемый логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 500 использует полифениленовый проводник с соответствующими легирующими и изолирующими группами для получения отдельной молекулы, которая выполняет указанную Булеву функцию. В дополнение к выполнению логической Булевой функции молекула дает усиление мощности, и по этой причине она имеет способность к приведению в действие множества логических схем, расположенных после выхода C логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ.

Общая эквивалентная электрическая схема, представляющая полусумматор, изображена на фиг.12A. В полусумматоре 600 логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 500 объединен с инвертором 420 для создания выхода S положительной полярности. Логический элемент ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 500 объединен с логическим элементом И-НЕ 400, выход которого соединен с дополнительным инвертором 420. На входы A и B подают входные сигналы, при этом выход S представляет собой логический выход суммы, а выход C представляет собой логический выход переноса (в старший разряд).

Примерная молекулярная структура, которая выполняет функцию полусумматора, изображена на фиг.12B. Как показано, полусумматор 600 сформирован с помощью отдельной молекулы на основе полифенилена. Она объединяет функции логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ-НЕ 500 с функциями логического элемента И-НЕ 400 путем соответствующего объединения логического элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 510 с первым инвертором (логическим элементом НЕ) 420 и логического элемента И 410 со вторым инвертором (логическим элементом НЕ) 420. Выход каждого из этих логических элементов соединен с соответствующими инверторами 420 для обеспечения желаемой полярности выходного сигнала. Подобным же образом, более сложные логические Булевы функции могут быть сформированы путем дальнейшего (дополнительного) объединения молекул, выполняющих отдельные функции, с формированием еще большей отдельной молекулы, которая способна выполнять сложные логические функции.

Хотя настоящее изобретение описывается в связи с его конкретными формами и вариантами воплощения, понятно, что различные модификации и вариации, отличные от тех, которые обсуждались выше, могут быть осуществлены без отклонения от духа и рамок настоящего изобретения. Например, эквивалентные элементы могут заменить те, которые конкретно изображены и описаны, определенные признаки могут быть использованы независимо от других признаков, а в определенных случаях конкретные расположения элементов могут быть обращены или заменены местами, и все это без отклонения от духа или рамок настоящего изобретения, определенных в формуле изобретения.

1. Мономолекулярное электронное устройство, содержащее множество молекулярных проводников, химически соединенных вместе с по меньшей мере одной изолирующей группой, причем по меньшей мере один из указанного множества молекулярных проводников химически соединен с легирующим заместителем для формирования собственного смещения на концах указанной изолирующей группы, при этом вторая изолирующая группа химически связана с указанным по меньшей мере одним молекулярным проводником, а проводящий ток комплекс химически соединен с указанной второй изолирующей группой для формирования отдельной молекулы, которая демонстрирует усиление мощности, и при этом указанная вторая изолирующая группа находится в достаточной близости к указанному легирующему заместителю для воздействия на указанное собственное смещение вместе с потенциалом, приложенным к указанному проводящему ток комплексу.

2. Мономолекулярное электронное устройство по п.1, дополнительно содержащее третью изолирующую группу, химически связанную со вторым из указанного множества проводников, и множество соединенных ароматических кольцевых структур, химически связанных с указанной третьей изолирующей группой для формирования выхода схемы инвертора.

3. Мономолекулярное электронное устройство, обладающее усилением мощности, содержащее:

по меньшей мере один молекулярный проводник, имеющий множество соединенных, по существу идентичных ароматических кольцевых структур;

по меньшей мере одну первую изолирующую группу, присоединенную между соответствующей парой указанных ароматических кольцевых структур для создания двух секций указанного молекулярного проводника, причем первая из указанных секций соединена с первым электрическим контактом, а вторая из указанных секций соединена со вторым контактом;

средство легирования по меньшей мере одной из указанных первой и второй секций соответственно для формирования по меньшей мере одного центра-донора электронов и центра-акцептора электронов, и

средство молекулярного затвора, химически связанное с одной из указанных первой и второй секций в достаточной близости к указанному средству легирования для воздействия на собственное смещение, сформированное между указанными первой и второй секциями с помощью указанного средства легирования, вместе с потенциалом, приложенным к указанному средству молекулярного затвора, причем указанное средство молекулярного затвора соединено с третьим контактом для соединения с источником указанного потенциала.

4. Мономолекулярное электронное устройство по п.3, в котором указанное средство легирования включает в себя по меньшей мере одну группу, выбранную из набора, состоящего из групп-доноров электронов и групп-акцепторов электронов, химически связанную с указанной одной из указанных первой и второй секций.

5. Мономолекулярное электронное устройство по п.3, в котором указанное средство легирования включает в себя по меньшей мере одну группу-донор электронов, химически связанную с указанной первой секцией, и по меньшей мере одну группу-акцептор электронов, химически связанную с указанной второй секцией.

6. Мономолекулярное электронное устройство по п.3, в котором указанное средство легирования включает в себя множество групп, выбранных из набора, состоящего из групп-доноров электронов и групп-акцепторов электронов, причем указанное множество групп химически связано с указанной по меньшей мере одной из указанных первой и второй секций.

7. Мономолекулярное электронное устройство по п.3, в котором указанная изолирующая группа выбрана из набора, состоящего из насыщенной алифатической мостиковой группы или групп, имеющих преимущественно алифатический характер по отношению к транспорту электронов.

8. Мономолекулярное электронное устройство по п.7, в котором указанная насыщенная алифатическая мостиковая группа выбрана из набора, состоящего из метиленовой группы -СН₂-, диметиленовой группы -СН₂СН₂- с сигма-связью и их более длинных цепей.

9. Мономолекулярное электронное устройство по п.3, в котором указанный молекулярный проводник включает в себя множество этиниленовых разделителей, соответствующим образом расположенных между указанными ароматическими кольцевыми структурами для связывания одной ароматической кольцевой структуры с другой соседней структурой.

10. Мономолекулярное электронное устройство по п.3, в котором указанный по меньшей мере один молекулярный проводник представляет собой молекулярный проводник на основе полифенилена.

11. Мономолекулярное электронное устройство по п.3, в котором указанная изолирующая группа выбрана из групп, которые создают потенциальный барьер для транспорта электронов в указанном по меньшей мере одном молекулярном проводнике.

12. Мономолекулярное электронное устройство по п.3, в котором указанное средство молекулярного затвора включает в себя вторую изолирующую группу, химически связанную с указанной по меньшей мере одной из указанных первой и второй секций вблизи от указанного средства легирования и проводящего ток комплекса, химически присоединенного между указанной второй изолирующей группой и указанным третьим контактом.

13. Мономолекулярное электронное устройство по п.12, в котором указанная вторая изолирующая группа выбрана из набора, состоящего из насыщенной алифатической мостиковой группы или групп, имеющих преимущественно алифатический характер по отношению к транспорту электронов.

14. Мономолекулярное электронное устройство по п.4, в котором указанное средство затвора включает в себя вторую изолирующую группу, химически связанную с одной из указанных первой и второй секций, и проводящий полимерный комплекс, химически присоединенный между указанной второй изолирующей группой и указанным третьим контактом.

15. Мономолекулярное электронное устройство по п.14, дополнительно содержащее третью изолирующую группу, химически связанную с другой из указанных первой и второй секций, и множество соединенных ароматических кольцевых структур, химически присоединенных между указанной третьей изолирующей группой и четвертым контактом, для формирования логической Булевой функции.

16. Мономолекулярное электронное устройство по п.15, в котором указанная логическая Булева функция представляет собой функцию НЕ.

17. Мономолекулярный транзистор, содержащий:

проводник на основе полифенилена, имеющий множество соединенных молекулярных кольцевых структур;

по меньшей мере одну изолирующую группу, присоединенную между соответствующей парой указанных молекулярных кольцевых структур для создания двух секций указанного проводника;

первую легирующую группу, связанную с по меньшей мере одной молекулярной кольцевой структурой указанной первой секции для формирования соответствующего центра-донора электронов;

вторую легирующую группу, связанную с по меньшей мере одной молекулярной кольцевой структурой указанной второй секции для формирования центра-акцептора электронов;

вторую изолирующую группу, химически присоединенную вблизи одной из указанных первой и второй легирующих групп, и

проводящий ток комплекс, связанный с указанной второй изолирующей группой для связывания с ней электрического заряда с целью модифицирования собственного смещения, сформированного указанными первой и второй легирующими группами.

18. Мономолекулярный транзистор, имеющий формулу

где α представляет собой кольцо ароматической группы, R представляет собой элемент насыщенной алифатической группы, R' представляет собой элемент насыщенной алифатической группы, β представляет собой проводящий ток комплекс, Z представляет собой по меньшей мере один легирующий заместитель.

19. Мономолекулярный транзистор по п.18, в котором указанный по меньшей мере один легирующий заместитель выбран из набора, состоящего из элемента группы-донора электронов и элемента группы-акцептора электронов.

20. Мономолекулярный транзистор, имеющий формулу

21. Мономолекулярный транзистор по п.20, в котором указанный по меньшей мере один легирующий заместитель выбран из набора, состоящего из элемента группы-донора электронов и элемента группы-акцептора электронов.

22. Мономолекулярный логический инвертор, имеющий формулу

где α представляет собой кольцо ароматической группы, R, R' и R" представляют собой насыщенные алифатические группы, Z представляет собой по меньшей мере один легирующий заместитель, β представляет собой проводящий ток комплекс, ω представляет собой заместитель, который химически связывается с электрическим контактом, А обозначает вход, С обозначает выход, а V+ и V- представляют собой потенциалы источника питания.

23. Мономолекулярный логический инвертор по п.22, дополнительно характеризуемый молекулой формулы

где А обозначает вход, С обозначает выход, а V+ и V- представляют собой потенциалы источника питания.

24. Мономолекулярный логический инвертор, имеющий формулу

где α представляет собой кольцо ароматической группы, R, R' и R" представляют собой насыщенные алифатические группы, Z представляет собой по меньшей мере один легирующий заместитель, β представляет собой проводящий полимерный комплекс, ω представляет собой заместитель, который химически связывается с электрическим контактом, А обозначает вход, С обозначает выход, а V+ и V- представляют собой потенциалы источника литания.

25. Мономолекулярный логический инвертор по п.24, дополнительно характеризуемый молекулой формулы

где А обозначает вход, С обозначает выход, a V+и V- представляют собой потенциалы источника питания.

26. Транзистор, сформированный в отдельной молекуле, содержащий:

множество проводящих полимерных цепей, причем каждая из указанных полимерных цепей включает в себя множество химически соединенных, по существу идентичных ароматических кольцевых структур;

по меньшей мере одну первую изолирующую группу, присоединенную между соответствующей парой из указанного множества полимерных цепей;

по меньшей мере один легирующий заместитель, связанный с по меньшей мере одной из указанных полимерных цепей для формирования собственного смещения на концах указанной первой изолирующей группы;

вторую изолирующую группу, связанную с одной из указанной пары указанного множества полимерных цепей вблизи от указанного по меньшей мере одного легирующего заместителя; и

проводящий ток комплекс, связанный с указанной второй изолирующей группой для проведения приложенного к нему напряжения с целью воздействия на указанное собственное смещение.

27. Мономолекулярное электронное устройство, содержащее:

вторую изолирующую группу, соединенную с указанным по меньшей мере одним легирующим заместителем;

проводящий ток комплекс, соединенный с указанной второй изолирующей группой для формирования входа схемы инвертора;

третью изолирующую группу, соединенную с другой цепью из указанного множества полимерных цепей; и

множество соединенных ароматических кольцевых структур, химически связанных с указанной третьей изолирующей группой для формирования выхода указанного устройства.

28. Мономолекулярный транзистор, имеющий формулу

29. Мономолекулярный транзистор, имеющий формулу

30. Мономолекулярный транзистор, содержащий:

молекулярный диод, имеющий по меньшей мере одну барьерную изолирующую группу, химически присоединенную между парой молекулярных кольцевых структур;

по меньшей мере одну легирующую группу, химически связанную с одной из указанной пары молекулярных кольцевых структур указанного молекулярного диода, и

средство молекулярного затвора, химически связанное с указанной по меньшей мере одной легирующей группой для воздействия на собственное смещение, сформированное указанной по меньшей мере одной легирующей группой.

31. Мономолекулярный транзистор по п.30, в котором группа-донор электронов химически связана с одной из указанной пары молекулярных кольцевых структур указанного молекулярного диода, а группа-акцептор электронов химически связана с другой из указанной пары молекулярных кольцевых структур указанного молекулярного диода.

32. Мономолекулярный транзистор по п.30, в котором указанное средство молекулярного затвора включает в себя вторую изолирующую группу, химически связанную с указанной по меньшей мере одной легирующей группой, и проводящий полимерный комплекс, химически связанный с указанной второй изолирующей группой.

33. Электронное логическое устройство, реализующее логический элемент И-НЕ и характеризуемое молекулой, имеющей формулу

где А и В обозначают соответствующие входы, С обозначает выход, a V+ и V- представляют собой потенциалы источника питания.

34. Электронное логическое устройство, реализующее логический элемент Исключающее ИЛИ-НЕ и характеризуемое молекулой, имеющей формулу

где А и В обозначают соответствующие входы, С обозначает выход, а V+и V- представляют собой потенциалы источника питания.

35. Электронное логическое устройство, реализующее полусумматор и характеризуемое молекулой, имеющей формулу

где А и В обозначают соответствующие входы, S обозначает выход суммы, С обозначает выход переноса, a V+ и V- представляют собой потенциалы источника питания.

36. Мономолекулярное электронное устройство, содержащее:

молекулярный диод, имеющий по меньшей мере одну барьерную изолирующую группу, химически присоединенную между парой молекулярных кольцевых структур для формирования пары секций диода;

по меньшей мере одну легирующую группу, химически связанную с одной из указанной пары указанных секций диода; и

средство молекулярного затвора, химически связанное с указанной одной секцией диода для воздействия на собственное смещение, сформированное указанной по меньшей мере одной легирующей группой.

Похожие патенты:

Полимерная композиция // 2222065

Изобретение относится к области электротехники, в частности к полимерной композиции, содержащей по меньшей мере один по существу непроводящий полимер и по меньшей мере один электропроводящий наполнитель, в форме гранул, причем гранулы предпочтительно имеют размер в интервале до 1 мм, более предпочтительно между 0,04 и 0,2 мм, при объемном соотношении проводника и полимера предпочтительно от 3:1 до 15:1.

Хлоргаллий-(4',4'',4''',4''''-тетрахлор)-фталоцианин в качестве полупроводникового материала для изготовления терморезисторов // 1512105

Электропроводящий композит для аналитического микрочипа // 2265918

Изобретение относится к микротехнологии и может быть использовано при изготовлении электродной системы микрочипа для микроаналитических приборов различного назначения

Генератор электрических колебаний // 2285981

Изобретение относится к области полупроводников, а именно к структурам, собранным из жидких органических полупроводников и основанным на их свойствах, которые могут найти широкое применение в биологии, экологии и медицине

Способ генерирования электрических колебаний с частотами, близкими к наблюдаемым у биологических объектов // 2285982

Изобретение относится к области жидких полупроводников, которые могут найти широкое применение в биологии, экологии и медицине

Уф-фотоприемник на основе органических материалов // 2289871

Изобретение относится к фотодиодам, чувствительным к ультрафиолетовой области спектра

Способ генерирования электрических колебаний // 2361325

Изобретение относится к способу генерирования электрических колебаний с помощью полупроводников и жидких диэлектриков и может найти широкое применение в биологии, экологии, медицине и других отраслях, связанных с биологическими объектами

Способ генерирования колебаний // 2363075

Изобретение относится к способам генерирования электрических колебаний с помощью полупроводников и жидких диэлектриков и может найти широкое применение в биологии, экологии, медицине

Состав для получения инжектирующих дырки или транспортирующих дырки слоев в электролюминесцентных устройствах, органических элементах солнечных батарей, органических лазерных диодах, органических тонкопленочных транзисторах или органических полевых транзисторах или для получения электродов или электропроводных покрытий, электролюминесцентное устройство, а также органический светодиод // 2382809

Способ изготовления тонкопленочного органического покрытия // 2529216

Изобретение относится к технологии наноматериалов и наноструктур и может применяться для получения тонкопленочных полимерных материалов и покрытий, используемых как в сенсорных, аналитических, диагностических и других устройствах, так и при создании защитных диэлектрических покрытий. Cпособ изготовления тонкопленочного органического покрытия из катионного полиэлектролита включает модификацию подложки, приготовление водного раствора катионного полиэлектролита с адсорбцией полиэлектролита на подложку, промывку, сушку подложку с осажденным слоем. В качестве подложки используют монокристаллический кремний с шероховатостью, меньшей или сравнимой с толщиной получаемого покрытия. Для создания отрицательного электростатического заряда модифицируют подложку в растворе щелочи, перекиси водорода и воды при 75°С в течение 15 мин. Во время адсорбции осуществляют освещение подложки со стороны раствора светом с интенсивностью в диапазоне 2-8 мВт/см2 и с длинами волн из области собственного поглощения кремния. Изобретение позволяет уменьшить шероховатость и толщину органического покрытия. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.,5 табл., 6 пр.

Метанофуллерены в качестве органических материалов для солнечных батарей // 2554590

Изобретение относится к полупроводниковым преобразователям солнечной энергии в электрическую и тепловую и может быть использовано в электрических устройствах, например солнечных батареях, которые имеют формирующие структуры на основе композиционных материалов. В частности, изобретение относится к фотоэлектрическому элементу, состоящему из электронодонорного и электроноакцепторного слоев, в составе электроноакцепторного слоя содержащему метанофуллерены, где в качестве метанофуллеренов используются соединения общей формулы в которой R = -СООСН3, -Cl, а в качестве электронодонорного слоя используется допированный соляной кислотой полианилин или полианилин на основе метансульфокислоты. Целью настоящего изобретения является повышение эффективности работы преобразователей солнечной энергии в электрическую и напряжения холостого хода. 1 табл., 4 пр.

Способ обработки электрода для органического электронного устройства // 2588605

Изобретение относится к способу, который включает этапы: обеспечение в электронном устройстве одного или больше электродов, содержащих металл или оксид металла, и нанесение на поверхность указанных электродов слоя, содержащего соединение, выбранное из формул I11, I12 и I15, и нанесение на поверхности указанных электродов, которые покрыты указанным слоем, который включает соединение, выбранное из формул I11, I12 и I15, или нанесение в области между двумя или больше указанными электродами органического полупроводника, где Rx представляет собой Н, NH2, и R обозначает в каждом случае одинаково или по разному F или C1-C15 перфторалкил и r представляет собой 0, 1, 2, 3 или 4. Также изобретение относится к составу для обработки электродов и органическому электронному устройству. Использование предлагаемого изобретения позволяет преодолеть недостатки металлических электродов, таких как низкая работа выхода и низкая устойчивость к окислению. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 пр.