Лев Блінов
Ця історія починається з одного із численних захоплень Бенджаміна Франкліна, видатного американського вченого і респектабельного дипломата. Будучи в 1774 році в Європі, де він залагоджував черговий конфлікт між Англією і північноамериканськими Штатами, Франклін у вільний час експериментував з масляними плівками на поверхні води. Вчений був неабияк здивований, коли з'ясувалося, що всього-на-всього одна ложка олії розтікається по поверхні ставка площею в пів-акра (1акр ≈ 4000м2). Якщо підрахувати товщину плівки, що утворилася, то виявиться, що вона не перевищує десяти нанометрів (1нм = 10-7см); інакше кажучи, плівка містить тільки один шар молекул. Цей факт, однак, був усвідомлений лише 100 років потому. Якась допитлива англійка на ім'я Агнес Поккельса у своїй власній ванні почала вимірювати поверхневий натяг води, забрудненої органічними домішками, а просто кажучи, милом. Виявилося, що суцільна мильна плівка помітно знижує поверхневий натяг (нагадаємо, що воно являє собою енергію поверхневого шару в розрахунку на одиницю площі). Про свої досліди Поккельса написала знаменитому англійському фізику і математику лорду Релею, а той направив листа до солідний журнал, забезпечивши своїми коментарями. Потім Релей сам відтворив досліди Поккельса і прийшов до наступного висновку:
«Спостерігаються явища виходять за рамки лапласовскій теорії, і їх пояснення вимагає молекулярного підходу». Іншими словами, порівняно простих - феноменологічних - міркувань виявилося недостатньо, потрібно було залучати уявлення про молекулярному будову речовини, тоді ще далеко не очевидні і не загальноприйняті.
Незабаром на науковій сцені з'явився американський вчений та інженер Ірвінг Ленгмюр (1881 ... 1957гг.). Вся його наукова біографія спростовує відомий «визначення», згідно з яким «фізик - це той, хто все розуміє, але нічого не знає; хімік, навпаки, все знає і нічого не розуміє, а физикохимик і не знає і не розуміє». (Мабуть, це висловлювання було пущено в обіг кимось із физикохимик.) Ленгмюр удостоєний Нобелівської премії саме за свої роботи з фізичної хімії, чудові за простотою і продуманості. Крім стали класичними результатів, отриманих Ленгмюром в області термоелектронної емісії, вакуумної техніки і абсорбції, він розробив багато нових експериментальних прийомів, які підтвердили мономолекулярну природу поверхневих плівок і навіть дозволили визначити орієнтацію молекул і питому площу, ними займану. Більш того, Ленгмюр був першим, хто почав переносити плівки товщиною в одну молекулу - моношари - з поверхні води на тверді підкладки. Згодом його учениця Катаріна Блоджетт розробила техніку багаторазового перенесення одного моношару за одним, так що на твердій основі виходила Стопчатів структура-етажерка, або мультіслой, званий тепер плівкою Ленгмюра-Блоджетт. За монослоем, що лежить на поверхні води, часто зберігається назву «ленгмюровских плівка», хоча його використовують і стосовно багатошаровим плівкам.
Моношар на поверхні води
Виявляється, у досить складних молекул є свої уподобання. Наприклад, одні органічні молекули «люблять» контактувати з водою, а інші уникають такого контакту, «бояться» води. Їх і називають відповідно - гідрофільними і гідрофобними молекулами.
Існують, однак, ще й молекули на кшталт русалок - одна їх частина гідрофільна, а інша гідрофобна. Молекули-русалки повинні вирішити для себе проблему: бути їм у воді чи не бути (якщо ми намагаємося приготувати їх водний розчин). Знайдене рішення виявляється воістину соломоновим: звичайно ж, вони будуть у воді, але тільки наполовину. Молекули-русалки розташовуються на поверхні води так, що їх гідрофільна головка (володіє, як правило, розділеними зарядами - електричним дипольним моментом) опущена у воду, а гідрофобний хвіст (зазвичай це вуглеводнева ланцюжок) висовується назовні в навколишнє газоподібним середовищем (рис.1) . Положення русалок дещо незручне, зате воно задовольняє один з основних принципів фізики систем з багатьох частинок - принципу мінімуму вільної енергії і не суперечить нашому досвіду.
Рис. 1. Молекула стеаринової кислоти - типова «русалка». При утворенні мономолекулярного шару на поверхні води гідрофільні головки молекул опущені у воду, а гідрофобні хвости стирчать вертикально над водною поверхнею.
Не слід думати, що схильністю до розташування відразу в двох фазах (водної та неводному), так званої амфіфільних, володіють лише якісь екзотичні речовини. Навпаки, методами хімічного синтезу можна, принаймні в принципі, «пришити» гідрофобний хвіст практично до будь-якої органічної молекулі, так що асортимент молекул-русалок виключно широкий, і всі вони можуть мати найрізноманітніше призначення.
Рис. 2. Ванна і ваги Ленгмюра для вимірювання поверхневого тиску монослоя. Під дією зовнішньої сили плавучий бар'єр рухається вправо і стискає моношар. Тиск на поплавок врівноважується вантажем.
Структурою мономолекулярної плівки на поверхні води можна керувати за допомогою рухомого бар'єру, який стискає моношар. Це робиться у так званої Ленгмюра ванні, де зусилля, що передається від бар'єра до моношар, вимірюється шляхом компенсації прикладеної сили за допомогою спеціально сконструйованих ваг (рис.2). Давайте, наприклад, повторимо такий досвід разом з Ленгмюром, тобто будемо тиснути з торця на мономолекулярний шар, скажімо, стеаринової кислоти при заданій температурі. Поки плівка не суцільна, бар'єр йде легко і площа зайнятої нею поверхні убуває швидко, а сила наростає повільно. Цей етап стиснення плівки повністю аналогічний стисненню тривимірного газу в циліндрі з поршнем. Зі зменшенням площі монослоя, і отже, «посадочного майданчика» однієї молекули, всі вони почнуть торкатися один одного і утворюють щільний моношар. Тепер зусилля на плівку доведеться помітно збільшити (рис.3), і поступово шар проходить через послідовність двомірних станів, а саме рідку, рідкокристалічну і тверду фази. Для рідкої фази характерно практично безладне розташування вуглеводневих хвостів молекул; в рідкокристалічної фазі ці хвости, поки ще гнучкі, починають орієнтуватися в середньому перпендикулярно - як кажуть, уздовж нормалі до плівки, а у твердій фазі хвости стають жорсткими, і всі ланки вуглеводневого ланцюга упаковуються в кристалічну структуру. Моношар стає схожим на крижину товщиною в одну молекулу.
Рис. 3. При збільшенні тиску на моношар з боку плавучого бар'єру можна спостерігати послідовність різних двомірних фаз. Площа поверхні, яка припадає на одну молекулу (посадковий майданчик), залежить від того, в якій фазі знаходиться моношар.
Разом з читачами автор, звичайно, розділяє відчуття, що це на межі фантастики - тиснути з торців на плівку товщиною порядку мільйонної частки міліметра. Адже «крижина» неминуче повинна зламатися. Так, виявляється, і відбувається при подальшому збільшенні зусилля. Колапс плівки настає при тиску, скажімо, 50 міліньютон / м, що відповідає тривимірному тиску 107н/м2 (10 мегапаскалей, МПа), або приблизно 100 атмосфер (рис.4).
Рис. 4. Посадочний майданчик молекул з двома полярними головками сильно залежить від того, яку конфігурацію набуває молекула при зміні поверхневого тиску. На малюнку показана ізотерма для плівки, що складається з таких молекул (дуже схожа на ізотерму тривимірного ідеального газу, що зображає закон Клайперона - Менделєєва). Область плато на ізотермі відповідає такій ситуації, коли під дією поверхневого тиску молекули вигинаються дугою, приймаючи форму арки. При цьому їх посадочний майданчик зменшується при майже незмінному тиску. При подальшому підвищенні поверхневого тиску одна з головок молекули відривається від поверхні, і ми приходимо до моношар з щільною упаковкою вертикально стоять молекул. Тепер вже, щоб хоч трохи зменшити посадочний майданчик молекул, потрібно дуже великий тиск.
Отже, поведінка ленгмюрівського монослоя на поверхні води має багато спільного з тим, що відбувається у тривимірних середовищах. (Поведінка який-небудь макроскопічної, тобто містить багато частинок фізичної системи, описується так званої фазовою діаграмою, на якій зображується послідовність всіх станів, через які проходить така система - в даному випадку ленгмюровских плівка) Однак у плівок у порівнянні, скажімо, з тривимірним газом є і своя специфіка - адже для двомірних середовищ двері в третій вимір завжди залишається відкритою. Наприклад, якщо підвищується поверхневе тиск, то частина молекул може буквально канути у воду. До того ж іноді змінюється і просторова форма молекули.
Як витягнути русалку з води?
Припустимо, що ми навчилися отримувати на поверхні води щільний мономолекулярний шар речовини. Спробуємо тепер перенести його на тверду підкладку. Ви, здається, запитали, з якою метою? Ну хоча б для того, щоб перенести його в іншу кімнату, де стоїть саме різноманітне обладнання для проведення структурних досліджень, оптичних та електричних вимірювань. До того ж споконвіку люди хотіли витягнути русалку з води! Отже, мета зрозуміла, але як це зробити? Є два способи перенесення моношарів на тверді підкладки, причому обидва вони підозріло прості, тому що можуть бути здійснені буквально голими руками.
Рис. 5. Моношари амфіфільних молекул можна перенести з поверхні води на тверду підкладку методом Ленгмюра - Блоджетт (угорі) або методом Шеффера (внизу). Перший спосіб полягає в «протиканні» монослоя вертикально рухається підкладкою. Він дозволяє отримувати верстви як X-(молекулярні хвости спрямовані до підкладки), так і Z-типу (зворотний напрямок). Другий спосіб - це просто дотик монослоя горизонтально орієнтованої підкладкою. Він дає моношари X-типу.
Перший спосіб винайдений Ленгмюром та Блоджетт. Моношар з допомогою плавучого бар'єру перетворюють на рідкий кристал - приводять у двомірне рідкокристалічний стан, а потім буквально протикають його підкладкою. При цьому поверхня, на яку потрібно перенести плівку, орієнтують вертикально. Орієнтація ж молекул-русалок на підкладці залежить від того, опускають чи підкладку крізь моношар у воду або, навпаки, піднімають з води в повітря. Якщо підкладку занурюють у воду, то хвости «русалок» виявляються спрямованими до підкладки (Блоджетт назвала таку конструкцію монослоем X-типу), а якщо витягують, то, навпаки, від підкладки (моношар Z-типу), ріс.5а.Повторяя перенесення одного моношару за одним в різних умовах, можна отримувати мультіслоі-етажерки трьох різних типів (X, Y, Z), які відрізняються один від одного своєю симетрією. Наприклад, в мультіслоях X-і Z-типів (рис.6) відсутня центр відображення - інверсії, і вони мають полярною віссю, спрямованої від підкладки або до підкладки, в залежності від орієнтації рознесених у просторі позитивного і негативного електричних зарядів, тобто в залежно від напряму електричного дипольного моменту молекули. Мультіслоі ж Y-типу складені з подвійних шарів, або, як кажуть, бішару (до речі сказати, вони побудовані аналогічно біологічних мембран), і виявляються центрально-симетричними.
Рис. 6. Багатошарові структури X-, Z-і Y-типів відрізняються орієнтацією молекул відносно підкладки. Структури X-і Z-типів полярні, тому що всі молекули «дивляться» узгоджено в один бік (хвости - до підкладки або від підкладки для X-і Z-типів відповідно). Y-струнтура відповідає неполярної двошарової упаковці, що нагадує пристрій біологічної мембрани.
Другий спосіб запропонований Шеффером - теж учнем Ленгмюра. Підкладка орієнтується практично горизонтально і приводиться в легке зіткнення з монослоем, який утримується у твердій фазі (ріс.5б). Моношар просто прилипає до підкладки. Повтором цієї операції можна отримати мультіслой X-типу.
Як влаштовані плівки?
На жаль, про структурну організацію монослоя на поверхні рідини ми знаємо дуже небагато. В основному інформацію дають оптичні методи, наприклад, розсіювання світла або залежність його поглинання від напрямку - так звана анізотропія. За допомогою таких методів можна судити про переважної орієнтації молекул та ступеня їх впорядкованості при вибудовуванні вздовж потрібного напрямку. Однак про те, як «упаковані» молекули в монослое, тобто про характер получающейся двомірної решітки, нам практично нічого не відомо. Це сумне незнання пов'язано з тим, що класичні методи структурного аналізу, а саме дифракцію рентгенівських променів і електронів, поки не вдається застосувати до плівки, що знаходиться на поверхні води.
А ось моношар, перенесений на спеціальну тверду підкладку, можна дослідити як оптичними методами, так і за допомогою дифракції електронів. У результаті таких досліджень з'ясувалося, що він має кристалічну структуру, однак впорядкування центрів тяжіння молекул має особливостями, характерними саме для двомірних систем. Зокрема, в монослое відсутній справжній дальній позиційний порядок, тобто в міру віддалення від якоїсь однієї вибраної молекули поступово накопичується помилка в позиції інших молекул. Надзвичайно важливим виявилася та обставина, що моношар, перенесений на підкладку, успадковує той орієнтаційний порядок, який був йому нав'язаний поверхнею води. Все багатство фізичних властивостей і можливостей практичного застосування ленгмюровских плівок грунтується саме на цьому «спадщині». На жаль, при побудові мультіслоя з моношарів таку спадщину частково може бути втрачена - досить часто відбувається перекристалізація мультіслоя в нову тривимірну кристалічну структуру. Можна, однак, перешкодити подібного перетворення, якщо полимеризовать кожен перенесений моношар. Робиться це так: вибираються спеціальні молекули з неміцними подвійними хімічними зв'язками, які рвуться, наприклад, при дії ультрафіолетового світла. Із розірваних внутрішньомолекулярних зв'язків формуються нові, тепер уже міжмолекулярні (рис.7), і в результаті виникає міцна полімерна сітка, стабілізуюча шарів структури.
Рис. 7. У процесі полімеризації похідних діацетилену ультрафіолетовим світлом внутрішньомолекулярні потрійні зв'язки розриваються і потім знаходять собі нових партнерів із сусідньої молекули. Відбувається хімічна зшивання сусідів, і утворюється міцна полімерна сітка.
Отже, мультіслой володіє наступними корисними якостями: молекулярна орієнтація в ньому суворо фіксована; є різко виражена залежність від напрямку - структурна анізотропія - вздовж і впоперек площин моношарів, і, нарешті, найголовніше, - мультіслой можна зібрати з моношарів різних спеціально підібраних речовин. Кожному речовині (молекулі) можна доручити виконання якоїсь функції, і тоді мультіслой буде подібний оркестру, в якому різні молекули-русалки виконують свої партії.
Унікальні властивості плівок
Мультіслой - принципово новий об'єкт сучасної фізики, і тому будь-які їхні властивості (оптичні, електричні, акустичні і т.д.) абсолютно незвичайні. Навіть найпростіші структури, складені з однакових моношарів, мають ряд унікальних особливостей, не кажучи вже про спеціально побудованих молекулярних ансамблях.
Коль скоро ми вже вміємо отримувати моношар однаково орієнтованих молекул на твердій основі, виникає спокуса підключити до нього джерело електричної напруги або, скажімо, вимірювальний прилад. Тоді ми фактично підключаємо ці пристрої безпосередньо до кінців індивідуальної молекули. Ще зовсім недавно такий експеримент був неможливий.
Рис. 8. Мономолекулярний шар можна перенести з поверхні води на підкладку з прозорим електродом, а потім зверху на моношар нанести ще один електрод. Тоді до моношар можна прикласти електричне поле і спостерігати за зрушенням смуг оптичного поглинання речовини або вимірювати тунельний струм у зовнішньому ланцюзі.
Підключення джерела напруги до моношар через пару плівкових електродів призводить до двох дуже виразним ефектів (рис.8). По-перше, електричне поле змінює положення смуг поглинання світла молекулою на шкалі довжин хвиль. Це класичний ефект Штарка (названий так по імені відомого німецького фізика, що відкрив його в 1913 році), який, однак, у цьому випадку має цікаві особливості. Справа в тому, що напрямок зсуву смуги поглинання залежить, як виявилося, від взаємної орієнтації вектора електричного поля і власного дипольного моменту молекули. І ось до чого це призводить: для одного і того ж речовини і до того ж при однаковому напрямку поля смуга поглинання зсувається в червону область для моношару X-типу і в синю - для моношару Z-типу. Таким чином, у напрямку зсуву смуги можна судити про орієнтацію диполів в монослое. Якісно ця фізична ситуація зрозуміла, але, якщо спробувати інтерпретувати зміщення смуг кількісно, виникає цікаве питання про те, як саме розподілено електричне поле вздовж складної молекули. Теорія ефекту Штарка побудована у припущенні про точкових атомах і молекулах (це природно - адже їх розміри набагато менше тієї довжини, на якій змінюється поле), тут же підхід повинен бути докорінно іншим, і поки ще він не розроблений.
Інший ефект полягає в протіканні тунельного струму через моношар (мова йде про механізм квантовомеханічного просочування електронів крізь потенційний бар'єр). При низьких температурах тунельний струм через ленгмюровских моношар дійсно спостерігається. Кількісна інтерпретація цього суто квантового явища теж повинна включати облік складної конфігурації молекули-русалки.
А що може дати підключення вольтметра до моношар? Виявляється, тоді можна стежити за зміною електричних характеристик молекули при дії зовнішніх чинників. Наприклад, висвітлення монослоя іноді супроводжується помітним перерозподілом заряду в кожній молекулі, що поглинула квант світла. Це ефект так званого внутрішньомолекулярного переносу заряду. Квант світла як би переміщує електрон уздовж молекули, а це наводить в зовнішньому ланцюзі електричний струм. Вольтметр, таким чином, реєструє внутрішньомолекулярний електронний фотопроцесу. Внутрішньомолекулярні переміщення зарядів можна викликати і шляхом зміни температури. При цьому змінюється сумарний електричний дипольний момент монослоя, і в зовнішній ланцюга реєструється так званий Піроелектричний струм. Підкреслимо, що ні одне з описаних явищ не спостерігається в плівках з хаотичним розподілом молекул по орієнтаціям.
Плазмові плівки можна застосувати для моделювання ефекту концентрації світлової енергії на якийсь обраної молекулі. Наприклад, на початковій стадії фотосинтезу в зелених рослинах світло поглинається молекулами хлорофілу певного типу. Збуджені молекули живуть досить довго, і саме порушення може переміщатися по однотипним щільно розташованим молекулам. Таке збудження називається екситонів. «Прогулянка» екситона закінчується в момент потрапляння його в «вовчу яму», роль якої грає молекула хлорофілу іншого типу з дещо меншою енергією збудження. Саме цій обраної молекулі і передається енергія від багатьох екситонів, порушених світлом. Енергія світла, що збирається з великої площі, концентрується на мікроскопічному ділянці - виходить «воронка для фотонів». Цю воронку вдається змоделювати за допомогою монослоя поглинають світло молекул, в який вкраплені невелике число молекул - перехоплювачів екситонів. Після захоплення екситона молекула-перехоплювач випромінює світло з характерним для неї спектром. Такий моношар показаний на ріс.9а.Прі його освітленні можна спостерігати люмінесценцію як молекул - поглиначів світла, так і молекул - перехоплювачів екситонів. Інтенсивність смуг люмінесценції молекул обох типів приблизно однакова (ріс.9б), хоча їх чисельності відрізняються на 2 ... 3 порядку. Це і доводить, що існує механізм концентрації енергії, тобто ефект фотонної воронки.
Рис. 9. У змішаному монослое є молекули, які поглинають світло (хвостаті прямокутники), і молекули-перехоплювачі (хвостаті гуртки), віднімають енергію від поглиначів. Інтенсивність люмінесценції монослоя при його висвітленні приблизно однакова для поглиначів і перехоплювачів, хоча перехоплювачів набагато менше і самі вони майже не поглинають світло.
Сьогодні в науковій літературі активно дискутується питання: чи можна зробити двомірні магніти? А на фізичному мовою мова йде про те, чи є принципова можливість того, що при взаємодії молекулярних магнітних моментів, розташованих в одній площині, виникне спонтанна намагніченість. Щоб вирішити цю проблему, в амфіфільні молекули-русалки вводять атоми перехідних металів (наприклад, марганцю), а потім отримують моношари методом Блоджетт і вивчають їх магнітні властивості при низьких температурах. Перші результати говорять про можливість феромагнітного упорядкування в двомірних системах.
І ще один приклад, який демонструє незвичайні фізичні властивості ленгмюровских плівок. Виявляється, на молекулярному рівні можна здійснити перенесення інформації від одного моношару до іншого, сусіднього. Після цього сусідній моношар можна відокремити і, таким чином, отримати копію того, що було «записано» у першому монослое. Робиться це в такий спосіб. Нехай, наприклад, ми отримали методом Блоджетт моношар з таких молекул, які здатні злучатися - дімерізоваться - під дією зовнішніх факторів, наприклад, електронного променя (рис. 10). Неспарені молекули будемо вважати нулями, а спарені - одиницями двійкового інформаційного коду. За допомогою цих нулів і одиниць можна, наприклад, записати текст, зчитування оптично, оскільки неспарені і спарені молекули мають різні смуги поглинання. Тепер на цей моношар методом Блоджетт будемо наносити другий моношар. Тоді в силу особливостей міжмолекулярної взаємодії молекулярні пари притягують до себе точно такі ж пари, а молекули-одинаки воліють одинаків. У результаті роботи цього «клубу по інтересам» інформаційна картина повториться на другому монослое. Відокремивши верхній моношар від нижнього, можна отримати копію. Такий копіювальний процес цілком аналогічний процесу реплікації інформації з молекул ДНК - зберігачів генетичного коду - на молекули РНК, що переносять інформацію до місця синтезу білків в клітинах живих організмів.
Рис. 10. Моношар амфіфільних барвника при опроміненні електронами змінює свої оптичні властивості за рахунок утворення молекулярних пар - димерів. При перенесенні другий монослоя за методом Ленгмюра - Блоджетт новий шар формується так, що навпроти молекул-одинаків виявляються одинаки, а навпаки пар - теж пари. Відокремивши другий моношар від першого за допомогою прикладеної зверху полімерної плівки, отримують точну копію інформації, записаної електронним променем.
Через молекулярне зодчество до молекулярної електроніці
Тепер настала пора трохи пофантазувати. Якщо ви споруджує споруда з каменя або дерева, то процес цей називається кам'яним або відповідно дерев'яним архітектурою. Розширивши цей образ, можна назвати молекулярною архітектурою конструювання красивих архітектурних ансамблів з органічних молекул різного функціонального призначення. Виникає питання, як це зробити і навіщо. На запитання «як?» Ми вже відповіли: звичайно ж, з допомогою техніки отримання ленгмюровских плівок. Варіюючи вигляд і орієнтацію молекул в монослое і чергуючи моношари різного типу (рис.11), можна отримати мультіслой, виконує ту чи іншу функцію. Відповідь на питання, навіщо це потрібно, підказує рис.12, на якому продемонстровано тенденція до мікромініатюризації електронних пристроїв. Сьогодні напівпровідникова електроніка вийшла на такі лінійні розміри приладів (менше мікрометра), коли вже починають позначатися принципові обмеження, що диктуються фізикою напівпровідникових кристалів (скажімо, довжиною дифузії нерівноважних носіїв заряду, розмірами дефектів і т.д.). Тому вчені зараз все частіше стали звертати увагу на молекулярні системи, характерні розміри яких лежать в діапазоні нанометрів. У молекулярних систем є ще одна важлива особливість - вони в принципі здатні наслідувати роботі функціональних біологічних пристроїв, так як структурно дуже схожі на ці пристрої. Досить порівняти, наприклад, подвійні ленгмюровські шари (біослоя) Y-типу з біологічними мембранами. Завдяки цим обставинам сьогодні ми вже говоримо про перспективи розвитку нової науки - молекулярної електроніки.
Рис. 11. Ілюстрація процесу молекулярного зодчества. Моношари з різних амфіфільних молекул послідовно переносяться на одну і ту ж підкладку і утворюють молекулярний архітектурний ансамбль, властивості якого визначаються функціональними можливостями складових його «модулів».
Рис. 12. Розміри знову створюваних електронних приладів з часом стають все менше і менше і невдовзі мають досягти масштабів, характерних для окремих молекул.
Ця наука своїми першими успіхами зобов'язана ленгмюровські плівкам, і перш за все в тому, що стосується нових матеріалів. Вже створені перші зразки високопроводящіх надтонких (товщиною в частки нанометра!) Плівок на основі органічних амфіфільних молекул. Такі молекули, як з'ясувалося, володіють донорними і акцепторними властивостями, тобто ведуть себе фактично як крихітні напівпровідники. Далі, полімеризація плівок Ленгмюра - Блоджетт, що мають виключно малу і до того ж калібровану товщину (кілька моношарів), дає можливість вести філігранний літографічний процес за допомогою електронного променя. Просторове дозвіл, який обмежує в електронній технології мінімальну товщину ліній схеми, досягає в цьому випадку декількох нанометрів. Крім того, ленгмюровські плівки пропонується використовувати в якості оптичних хвилеводів із спеціально заданим по товщині профілем показника заломлення.
Широкий розвиток отримують зараз гібридні системи, де ленгмюровські плівки скомбіновані з традиційними транзисторними елементами. Висока діелектрична міцність дозволяє використовувати такі плівки в якості одного з елементів - так званого подзатворного діелектрика в польових транзисторах. Все це розширює діапазон використовуваних напівпровідникових кристалів. Діелектричні моношари покращують характеристики сонячних батарей і світловипромінюючих (люмінесцентних) діодів, «очувствляют» поверхню фотоматеріалів і т.д. Прикладом гібридної структури може служити «штучний ніс» (рис.13), де ленгмюровских плівка грає роль виборчого фільтра, пропускаючи до поверхні транзистора тільки молекули, скажімо, водню або азоту і нічого більше. Для іншого газу потрібно, зрозуміло, брати плівку з іншого матеріалу, і таким чином можна створити набір хімічних сенсорів - чутливих датчиків.
Рис. 13. «Штучний ніс» дозволяє детектувати тільки ті гази, молекули яких вибірково пропускаються Ленгмюра плівкою до чутливої поверхні напівпровідникового транзистора. Змінюючи структуру плівки, можна детектувати різні хімічні речовини.
Ну і, нарешті, використання орієнтованих молекулярних ансамблів дозволяє на абсолютно новій основі поставити питання про спрямованих електро-і фотохімічних реакціях, таких, як фотосинтез, перетворення сонячної енергії або, скажімо, фоторазложеніе води. Одним словом, схоже на те, що технологія ленгмюровских плівок незабаром виявиться чудовою основою для самої передової області - молекулярної електроніки.
Список літератури
Блінов Л.М. «Фізичні властивості і застосування ленгмюровских моно-і мульти-молекулярних структур». Успіхи хімії. т. 52, № 8, с. 1263 ... 1300, 1983.
Блінов Л.М. «Плазмові плівки» Успіхи фізичних наук. т. 155, № 3 с. 443 ... 480, 1988.