ВЕСТНИК ЮЖНОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН, Том 1, №4,2005, стр. 18-20
— ЭЛЕКТРОНИКА -
УДК 581.14:582.926.2
РЕЗУЛЬТАТЫ ПОИСКОВЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ПРИБОРОВ ДЛЯ БИОЭЛЕКТРОНИКИ
© 2005 г. М.Г. Барышев1 И.В. Сидоров2, О.В. Евдокимова2, А.Н. Коржов2, H.H. Куликова2
Обнаружен неизвестный ранее эффект неустойчивости тока (НТ) на границе раздела металл -- органическая пленка - водный раствор органического полупроводника. Выявлено, что эффект неустойчивости тока наблюдается при приложении разности потенциалов от 5 до 70В между двумя электродами, погруженными в анилин. Анилин расположен на поверхности водного раствора, содержащего органический полупроводник р-типа. Измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) показали наличие S-образных участков.
На рубеже ХХ-ХХ1 вв. развитии науки и, в частности, электроники наметился прорыв в научных исследованиях, который может вывести человеческую цивилизацию на новую ступень развития, связанную с нанотехнологиями, нанома-териалами и наноэлектроникой [1, 2]. По оценкам различных экспертов, технологии, основанные на использовании наноматериалов, будут доминировать не менее 30 лет. Постепенно с развитием нанотехнологий человечество будет приближаться к эре биоэлектронных компонентов и биокомпьютеров. То есть развитие нанотехнологий должно дать мощный толчок к развитию биоэлектроники.
Однако еще в недрах микроэлектроники, основанной на использовании твердотельных приборов, появилось направление, которое связано с тем, что отдельные компоненты электронных схем, по аналогии с отдельными составляющими биологических объектов, выполняют не узкоспецифические и единичные функции, а являются многофункциональными. Принцип действия таких приборов микроэлектроники основан на использовании динамических неоднородностей. Развитие этого направления привело к формированию новой области электроники - функциональной электроники, изучающей процессы генерации, распространения и взаимодействия динамических неоднородностей в твердом теле.
Так, например, в приборах с зарядовой связью, относящихся к приборам функциональной
1 Лаборатория проблем природных и новых материалов Южного научного центра РАН, г. Краснодар.
2 Кубанский государственный университет, г. Краснодар.
электроники, информация хранится или обрабатывается в виде динамической неоднородности -зарядового пакета из электронов и дырок. Вероятно, что в будущем чрезвычайно важными станут функциональные приборы, способные генерировать электрические колебания по параметрам, близким к принятым в электронике стандартам, что позволит встраивать эти новые функциональные устройства в уже существующие или же легко согласовывать с ними. Поэтому нами была предпринята попытка создания функционального электронного прибора на основе органических полупроводников.
Для создания новой функциональной структуры водный раствор органического полупроводника р-типа заливали в ванну размером 5 х 2,5 х 2,5 мм, на дне которой располагался медный электрод площадью 3,1 мм2, и поверх этого раствора создавали тонкую пленку из полупроводника и-типа. В силу различной плотности вещества не перемешивались. В качестве «-полупроводника использовали анилин, а р-гю-лупроводника - фуксин, метиленовый голубой и глюкозу. В анилин погружались два электрода, выполненные в виде медных игл диаметром 0,25 мм, гальванически обработанных оловом. Электроды можно было перемещать по поверхности «-области независимо друг от друга и регулировать глубину их погружения. К одному из электродов прикладывался отрицательный полюс источника питания, который в дальнейшем мы будем называть активным электродом (АЭ). Падение напряжения, вызванное протекающим через АЭ током, снималось с резистора 7?, и регистрировалось с помощью осциллографа.
О ПОИСКОВЫХ РЕЗУЛЬТАТАХ ИССЛЕДОВАНИЙ
19
Блок-схема включения функциональной структуры показана на рисунке 1.
При приложении разности потенциалов от 30 до 70 В между двумя электродами, погруженными в полупроводник «-типа на резисторе Rb включенном в цепь АЭ, нами были зафиксированы релаксационные колебания, форма которых представлена на рисунке 2.
Экспериментально было установлено, что для возникновения устойчивых колебаний при меньшем напряжении Ux (от 5 В) необходимо было задавать постоянный уровень тока (от 10 до 100 мкА) между р- и «-областями (между электродами 2 и 3) с помощью генератора тока, состоящего из высокоомного резистора R2 и источника постоянного напряжения U2.
Исследования вольт-амперных характеристик (ВАХ) структур на основе жидких органических полупроводников проводились с помощью харак-териографа Л2-56. Схема включения была аналогична снятию семейств транзистора, подключенного по схеме с общей базой. На АЭ подавалось обратное напряжение, а между раствором фуксина и пленкой анилина подавался ток величиной 50 мкА. На рисунке 3 представлены типичные семейства ВАХ новых структур, измеренные в режиме генератора тока.
Как следует из графиков, при некотором критическом напряжении UKp (для исследуемых образцов - в пределах от 5,3 до 6,8 В, в зависимости от расстояния между электродами в анилине) возникает неустойчивость тока (характерное размытие на ВАХ). При увеличении уровня тока инжекции на ВАХ появляется участок отрицательного сопротивления (S-образный участок).
Возникновение колебаний тока и участков отрицательного сопротивления и отрицательной проводимости в структурах свидетельствует о наличии в них положительной обратной связи по току и напряжению. Созданная функциональная структура может найти широкое применение в медико-биологических исследованиях.
Ранее подобные колебания были обнаружены Б.С. Муравским в твердотельных приборах, изготовленных на основе кремния, а именно в структурах с распределенным р-гс-переходом и локальным контактом на «-области структуры металл-туннельный окисел-полупроводник (МТОП) [3]. Согласно теории, разработанной Б.С. Муравским, возникновение этих релаксационных колебаний связано с накоплением неравновесных носителей на границе контакта металл-л-полупроводник [4, 5]. Созданная нами структура является аналогом разработанной Б.С. Муравским, но выполнена на жидких органических
к осциллографу
Рис. 1. Блок-схема включения функциональной структуры, где 1 - активный электрод, погруженный в раствор органического полупроводника «-типа, 2 - пассивный электрод, погруженный в раствор органического полупроводника п-типа, 3 - электрод, погруженный в раствор органического полупроводника р-типа, /?1 - резистор, ограничивающий ток в цепи АЭ, Ш - источник напряжения в цепи АЭ, 1]2 -источник напряжения в цепи электродов 2 и 3
3 6 9 t, мкс
Рис. 2. Релаксационные колебания тока, наблюдаемые в структуре, созданной на основе жидких полупроводников
/, мкА 100 -75 -50 -25 -
1 7 и,Ъ
Рис. 3. Семейство вольт-амперных характеристик функциональной структуры, созданной на основе жидких полупроводников: кривая 1 - расстояние между электродами 1,5 мм; кривая 2 - расстояние между электродами 1 мм
20
М.Г. БАРЫШЕВ И ДР.
полупроводниках. Известны и другие устройства, способные генерировать подобные колебания, но все они выполнены на основе твердотельных структур, что затрудняет их использование внутри биологических систем [6, 7].
Разработанная на основе органических полупроводников функциональная структура может изменять свои геометрические размеры в соответствии с имеющимся внутри биологической системы свободным объемом, имеет близкие величины плотности в силу того, что состоит из органических веществ. Благодаря этому появляется возможность создания новых датчиков акустических колебаний, давления, внутриклеточных потенциалов и др. Кроме того, были предприняты попытки (весьма успешные) создания генерирующих структур в трикотажных материалах, пропитанных органическим раствором полупроводника, для разработки одежды, обладающей физиотерапевтическим эффектом.
Отметим, что генерация электрических колебаний возникает только тогда, когда толщина окисла, созданного на «-области, меньше 3 нм, то есть этот прибор можно отнести к изделиям наноэлектроники. Возможно, в основе работы лежит наноэффект туннелирования электронов с поверхностных состояний через слой окисла в зону проводимости полупроводника.
По величинам используемых напряжений и параметрам генерируемых колебаний созданная нами структура подобна существующим электронным устройствам. Благодаря органическому происхождению основной части структуры, физическим принципам работы и многофункциональности она крайне близка к биологическим системам передачи информации, созданным природой. Поэтому ее можно считать промежуточной стадией в переходе к чисто молекулярным элементам электронных схем.
Выводы. Удалось создать функциональную структуру, генерирующую релаксационные колебания, частотой которых легко управлять, изменяя величину тока через р- и «-области или величину прикладываемой разности потенциалов между электродами к «-области. Эта структура может положить начало созданию новой одежды, обладающей лечебными свойствами. Проведенные предварительные исследования по созданию датчика акустических колебаний и одежды, обладающей физиотерапевтическими свойствами, позволяют сформировать новое направление в электронике, которое будет неразрывно связано с экологией, биологией и медициной.
Результаты работы получены в соответствии с тематикой выполнения НИР ЮНЦ РАН N00-04-13 и N 00-04-25.
ЛИТЕРАТУРА
1. Collins P., Bradley К., hhigami М., Zettl А. // Science, 2000. V. 287. Р. 1801-1804.
2. Сидоров Ю.Г., Торопов А.И., Шашкин В.В., Овсюк В.Н., Гайслер В.А., Гутаковский А.К., Латышев A.B., Ткаченко В.А., Квон З.Д., Двуреченский A.B., Пчеляков О.П., Принц
B.Я., Попов В.П., Асеев АЛ. // Автометрия. РАН, Сибирское отделение. 2004. Т. 40. № 2. С. 4-19.
3. Муравский Б.С., Черный В.Н., Яманов ИЛ., Потапов А.П., Жужжа М.А. // Микроэлектроника, 1989. Т. 18. № 4.
C. 304—309.
4. Муравский Б.С., Кузнецов В.И. // Радиотехника и электроника, 1980. Т. 25. С. 1112-1114.
5. Муравский Б.С., Гусаков B.C., Кружилина Н.Г., Швед А.Г. // ФТТ, 1965. Т. 7. № 10. С. 3412-3413.
6. Заикина Н.Б., Кучкова Е
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.