На основе сложных молекул, "встроенных" в туннельный переход, можно создавать молекулярные переключатели, работающие за счет управления состоянием молекулы. Швейцарским и французским ученым впервые удалось напрямую измерить энергию, расходуемую на "переключение" между конформационными состояниями молекулы.

Рис. 1. a - химическая структура молекулы Cu-TBPP, b - изображение шести молекул Cu-TBPP на атомно чистой поверхности меди, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии.

За счет малости размеров структурных элементов и малости энергии, требуемой на переключение между состояниями, молекулярная электроника может дать существенный выигрыш в производительности и энергопотреблении по сравнению с полупроводниковой электроникой. Поэтому в последние годы активно идет поиск наиболее удобных для молекулярной электроники материалов и конструирование (пока преимущественно в теории) базовых элементов. Одним из необходимых элементов электронных и, вообще, любых наноразмерных устройств являются переключатели (мы уже писали о предлагаемых вариантах нанотрубных переключателей ).

Одним из прототипных вариантов молекулярных переключателей являются сложная молекулы на поверхности твердого тела, "встроенная" в туннельный переход. Под влиянием управляющего воздействия молекула может принимать ту или иную форму (переходить из одной конформации в другую), при этом ток через туннельный переход может существенно меняться. Таким образом, меняя состояние молекулы, можно "щелкать выключателем". Швейцарские и французские ученые с помощью атомно-силовой микроскопии впервые смогли напрямую изверить энергию, требуемую для переключения между состояниями "включено" и "выключено" [1]. Они проводили эксперименты с молекулой Cu-TBPP (Cu-tetra-3,5 di-tertiary-butyl-phenyl porphyrin) на поверхности меди с помощью комбинированного атомно-силового/сканирующего туннельного микроскопа в высоком вакууме при низкой температуре.

Молекула Cu-TBPP имеет четыре "лапки" (рис.1), для работы использовалась одна из лапок. Вследствие взаимодействия зонда микроскопа, расположенного над лапкой, и лапки молекулы, в зависимости от расстояния между ними ориентация лапки относительно поверхности меди меняется. Если при больших расстояниях лапка молекулы практически перпендикулярна поверхности меди (рис. 2A), то, начиная с определенного расстояния, происходит смена конфирмации молекулы - верхняя часть лапки существенно наклоняется (рис. 2B). Исследователи могли определить силу притяжения между лапкой молекулы и зонда подобным же образом, как при измерении силы притяжения между пластинами при исследовании эффекта Казимира , только изменение частоты колебаний кантилевера контролировалось не с помощью оптической интерферометрии, а по изменению туннельного тока. Зная силу, действующуя на зонд в каждый момент времени и контролируя расстояние между зондом и лапкой молекулы, исследователи могли вычислить работу, произведенную зондом.

Рис. 2. Схематическое изображение острия зонда над молекулой; A - состояние, когда лапка молекулы практически перпендикулярна поверхности меди ("включено"), B - состояние, когда верхняя часть лапки достаточно сильно наклонена ("выключено").

Оценки показали, что энергия, израсходованная на переключение между двумя конформациями молекулы, меньше 10^-19 Дж, что на четыре порядка меньше, чем для самых лучших образцов полупроводниковых транзисторов, что позволяет мечтать о светлых перспективах молекулярной электроники.

1. Ch.Loppacher, M.Guggisberg, O.Pfeiffer et al. Phys.Rev.Lett., v.90, 066107 (2003).

Е.Онищенко