Российские химики получили новый фотохромный, т.е. способный менять цвет при освещении, комплекс висмута (III) с так называемыми виологеновыми катионами. На основе этого соединения были созданы элементы оптической памяти и показаны их высокая эффективность и стабильность. Исследование в перспективе поможет расширить элементную базу для микроэлектроники. Результаты работы опубликованы в журнале Chemical Communications.
Современные устройства памяти построены на основе электрических переключателей – транзисторов, способных к формированию двух квазистабильных электрических состояний за счет интегрированных в их структуру элементов, накапливающих и удерживающих электрический заряд. Величина этого заряда определяют саму возможность протекания электрического тока в транзисторе при определенном приложенном напряжении: в одном состоянии (высокотоковом) транзистор «открыт» и обеспечивает перенос электронов, а в другом (низкотоковом) – «закрыт» и блокирует транспорт носителей заряда. Эти два состояния являются эквивалентами логической единицы и нуля в элементах памяти. Чтобы записать или стереть один бит информации нужно просто переключить транзистор между указанными состояниями. При использовании фотохромных материалов для накопления и удерживания зарядов переключение требует светового импульса, часто в совокупности с наложение электрического поля.
Схема органического светочувствительного полевого транзистора на основе исследованных фотохромных комплексов висмута с виологеновыми катионами. Слева показано изображение поперечного разреза элемента, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Источник: Dashitsyrenova et al. / Chemical Communications, 2020
Виологеновые катионы имеют состав (C10H8N2R2)2+ и состоят из двух связанных ароматических пиридиновых колец и двух заместителей (R) при атомах азота. Вещества на основе виологенов обладают рядом уникальных свойств, например, проявляют электрохромизм и могут использоваться для разработки элементов памяти. Более того, некоторые галогенидные, т.е. содержащие элементы седьмой группы таблицы Менделеева (F, Cl, Br, I), комплексы металлов с виологенами могут изменять цвет при освещении. Несмотря на всю привлекательность оптоэлектронных характеристик этих соединений, пока что такие комплексы не находят применения в электронике. В своей работе ученые из Сколковского института науки и технологий (Москва), Института проблем химической физики РАН (Черноголовка) и Института неорганической химии имени А. В. Николаева Сибирского отделения РАН (Новосибирск) впервые получили светочувствительный комплекс висмута с оптимальными свойствами и показали возможность его использования как материала в устройствах для записи и хранения информации.
«Ранее мы показали перспективы использования органических фотохромных материалов для создания фотопереключаемых полевых транзисторов и оптических элементов памяти. Недавно мы исследовали серию производных дигетарилэтенов, что позволило нам установить важнейшие корреляции типа «структура-свойства». В данной работе мы сделали следующий шаг в развитии этого направления исследований, который заключается в использовании металлокомплексных соединений в качестве материалов для оптических переключателей и элементов памяти», — поясняет старший научный сотрудник Сколтеха Любовь Фролова.
Исследователи «собрали» органические полевые транзисторы с дополнительным рецепторным слоем из комплекса висмута с виологеновыми катионами. Для этого на промежуточном этапе «сборки» они осадили кристаллические пленки комплекса из раствора на диэлектрическом слое оксида алюминия. Далее ученые изучили свойства модифицированного транзистора и выяснили, что воздействие импульсом света при одновременном наложении потенциала между электродами устройства позволяет его «программировать», т.е. обратимо переключать между двумя или даже несколькими квазистабильными электрическими состояниями. Реализация нескольких состояний в одном транзисторе открывает большие возможности для создания мультибитных элементов памяти для записи информации с высокой плотностью.
За полсекунды программирования ток, текущий через канал транзистора, изменяется в 100 раз, а при увеличении времени программирования можно обеспечить переключение в 10 000 раз. Этот показатель указывает на высокую эффективность работы устройств и является одним из лучших среди известных органических светочувствительных полевых транзисторов. Авторы предполагают, что разработанные устройства позволят длительное время хранить записанную информацию и будут выдерживать большое число циклов записи-чтения-стирания – в работе уже продемонстрирована стабильность в течение >200 циклов.
Контакты:
Skoltech Communications
+7 (495) 280 14 81
