1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2019-24-5-439-458539.19:621.38Фундаментальные исследованияElectronic Properties of Branched Molecular Structures. ReviewЭлектронные свойства ветвящихся молекулярных структур. Обзор439458http://ivuz-e.ru/en/issues/5-_2019/elektronnye_svoystva_vetvyashchikhsya_molekulyarnykh_struktur_obzor/http://ivuz-e.ru/en/download/5_2019_2468_en.pdf

The design of new types of macromolecular architecture is one of the main directions of development of modern polymer physics. With regard to electronics, a special place is occupied by electrically conductive π-conjugated molecules. The review considers the distinctive features of the electronic properties of organic semiconductors in compare with their solid-state analogs. Special attention is paid to the role of electron-electron and electron-phonon interactions in the formation of autolocalized excited states: solitons and polarons. The constructive and destructive interference effects in molecular structures containing branching nodes and ring groups are discussed. The size of a branched molecule should be not large to preserve quantum coherence. The autolocalization effects in such molecules are not pronounced and transport is provided by electrons and holes injected from electrodes. Two main approaches to the description of quantum interference in branched molecules are desribed in the review: on the basis of molecular orbitals and within localized atomic orbitals picture. These approaches make it possible to formulate design rules for molecular structure exhibiting quantum interference. The recent results are presented on the design of quantum interference molecular transistor with extremely low switching power. Dendrimers, tree-branching nonconjugated molecules, are briefly considered, which can become effective tools for electromagnetic radiation collection and transformation.

Разработка новых типов макромолекулярной архитектуры - одно из основных направлений развития современной физики полимеров. Применительно к электронике особое место занимают электропроводящие π-сопряженные молекулы. В обзоре рассмотрены отличительные особенности электронных свойств органических полупроводников по сравнению с их твердотельными аналогами. Особое внимание уделено роли электрон-электронных и электрон-фононных взаимодействий в образовании автолокализованных возбужденных состояний - солитонов и поляронов. Проанализированы конструктивные и деструктивные интерференционные эффекты в молекулярных структурах, содержащих узлы ветвления и кольцевые группы. Размер ветвящейся молекулы при этом должен быть мал для сохранения квантовой когерентности. В таких молекулах эффекты автолокализации несущественны и транспорт определяется электронами и дырками, инжектированными из контактов. Предложены два подхода к описанию квантовой интерференции в ветвящихся молекулах: на основе молекулярных орбиталей и в рамках картины локализованных атомных орбиталей. Данные подходы позволяют сформулировать правила конструирования молекулярных структур, в которых наблюдается квантовая интерференция. Представлены последние результаты по разработке квантовых молекулярных интерференционных транзисторов со сверхнизким энергопотреблением. Кратко рассмотрены несопряженные ветвящиеся полимеры с древовидной структурой - дендримеры, которые могут быть эффективны для создания систем сбора и преобразования электромагнитного излучения.

 Heeger A.J. Nobel Lecture: Semiconducting and metallic polymers: The fourth generation of polymeric materials // Rev. Mod. Phys. – 2001. – Vol. 73. – Iss. 3. – P. 681–700.Feringa B.L. The art of building small: from molecular switches to motors (Nobel Lec-ture) // Angew. Chem. Int. Ed. – 2017. – Vol. 56. – Iss. 37 – P. 11060–11078.Petty M.C. Molecular electronics: from principles to practice. – Wiley-Interscience, 2007. – 544 p.Molecular architectonics: The third stage of single molecule electronics (Advances in atom and single molecule machines) / Ed. by Ogawa Takuji. – Springer, 2017. – 539 p.Cuevas J.C., Scheer E. Molecular electronics: An introduction to theory and experiment. – World Scientific, 2010. – 724 p.Joachim C., Gimzewski J.K., Aviram A. Electronics using hybrid-molecular and mono-molecular devices // Nature. – 2000. – Vol. 408. – P. 541–548.Li Y., Mol J.A., Benjamin S.C., Briggs G.A.D. Interference-based molecular transistors // Sci. Reports. – 2016. – Vol. 6. – P. 33686Gorbatsevich A.A., Krasnikov G.Y., Shubin N.M. PT-symmetric interference transistor // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8. – P. 15780.Printable electronics: flexibility for the future / M.A. Leenen, V. Arning, H. Thiem et al. // Phys. Stat. Sol. A. – 2009. – Vol. 206. – P. 588–597.Botiz I., Darling S.B. Optoelectronics using block copolymers // Materials Today. – 2010. – Vol. 13. – Iss. 5 – P. 42–51.Large Area and Flexible Electronics / Ed. by Caironi M., Noh Y.‐Y. – 2 ed. – Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. 592 p.Introduction to organic electronic and optoelectronic materials and devices / Ed. by Sun S.-S., Dalton L.R. – 2 ed. – CRC Press, 2016. – 1091 p.Kandori H., Shichida Y., Yoshizawa T. Photoisomerization in rhodopsin // Biochemistry. – 2001. – Vol. 66. – No. 11. – P. 1197–1209.Bakhshi A.K., Bhalla G. Electrically conducting polymers: Materials of the twentyfirst century // Journal of Scientific & Industrial Research. – 2004. – Vol. 63. – P. 715–728.Бразовский С.А. Электронные возбуждения в состоянии Пайерлса – Фрелиха // Письма в ЖЭТФ. – 1978. –Т. 28. – № 10. – С. 656–660.Su W.P., Schrieffer J.R., Heeger A.J. Solitons in polyacetylene // Phys. Rev. Lett. – 1979. – Vol. 42. – Iss. 25. – P. 1698–1701.Heeger A.J., Kivelson S., Schrieffer J.R., Su W.-P. Solitons in conducting polymers // Rev. Mod. Phys. – Vol. 60. – Iss. 3. – P. 781–850.Magoga M., Joachim C. Conductance of molecular wires connected or bonded in parallel // Phys. Rev. B. – 1999. – Vol. 59. – No. 24. – P. 16011–16021.Bässler H., Köhler A. Charge transport in organic semiconductors. In: Metzger R. (eds). Unimolecular and Supramolecular Electronics I. Topics in Current Chemistry. – Berlin, Heidel-berg: Springer, 2011. – 308 p.Fröhlich H. On the theory of superconductivity: the one-dimensional case // Proc. Roy. Soc. London A. – 1954. – Vol. 223. – P. 296.Пайерлс Р. Квантовая теория твердых тел: пер. с англ. А.А. Абрикосова. – М.: Иностранная литература, 1956. – 259 с.Longuet-Higgins H.C., Salem L. The alternation of bond lengths in long conjugated chain molecules // Proc. Roy. Soc. London A. – 1959. – Vol. 251. – P. 172.Pople J.A., Walmsley S.H. Bond alternation defects in long polyene molecules // Molec. Phys. – 1962. – Vol. 5. – P. 15–20.Овчинников А.А., Украинский И.И., Квенцель Г.Ф. Теория одномерных моттов-ских полупроводников и электронная структура длинных молекул с сопряженными свя-зями // УФН. – 1972. – Т. 108. – С. 81–111.Hudson B.S., Kohler B.E. A low-lying weak transition in the polyene α,ω-diphenyloctatetraene // Chem. Phys. Lett. – 1972. – Vol. 14. – Iss. 3. – P. 299–304.Горбацевич А.А., Журавлев М.Н. Локализованные электронные состояния в вет-вящихся молекулах полиацетилена // Письма в ЖЭТФ. – 2014. – Т. 100. – №. 9. – C. 654–658.Горбацевич А.А., Журавлев М.Н., Катаева Т.С., Кобрянский В.М. Локализован-ные электроны и фононы в ветвящихся молекулах полиацетилена // Российские нанотех-нологии. – 2016. – Т. 11. – № 11–12. – С. 121–127.Controlling and observing sharp-valleyed quantum interference effect in single molecular junctions / B. Huang, X. Liu, Y. Yuan et al. // J. Am. Chem. Soc. – 2018. – Vol. 140. – Iss. 50. – P. 17685–17690.Comprehensive suppression of single-molecule conductance using destructive sigma-interference M.H. Garner, H. Li, Y. Chen et al. // Nature. – 2018. – Vol. 558. – Iss. 7710. – P. 415–419.Anti-resonance features of destructive quantum interference in single-molecule thiophene junctions achieved by electrochemical gating / J. Bails, A. Daaoub, S. Sangtarash et al. // Nature Materials. – 2019. – Vol. 18. – Iss. 4 – P. 364–369.Liu J., Huang X., Wang F., Hong W. Quantum interference effects in charge transport through single-molecule junctions: detection, manipulation, and application // Acc. Chem. Res. – 2019. – Vol. 52. – Iss. 1. – P. 151–160.Gate c ontrolling of quantum interference and direct observation of anti-resonances in single molecule charge transport / Y. Li, M. Buerkle, G. Li et al. // Nature Materials. – 2019. – Vol. 18. – Iss. 4. – P. 357–363.Rincon J., Hallberg K., Aligia A.A., Ramasesha S. Quantum interference in coherent molecular conductance // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 103. – P. 266807.Lambert C.J. Basic concepts of quantum interference and electron transport and in sin-gle-molecule electronics // Chem. Soc. Rev. – 2015. – Vol. 44. – Iss. 4. – P. 875–888.Горбацевич А.А., Журавлёв М.Н., Капаев В.В. Коллапс резонансов в полупровод-никовых гетероструктурах как переход с нарушением симметрии в открытой квантовой системе // ЖЭТФ. – 2008. – Т.134. – Вып. 2 (8). – С. 338–353.Nozaki D., Schmidt W. G. Current density analysis of electron transport through molec-ular wires in open quantum systems // Journal of Computational Chemistry. – 2017. – Vol. 38. – Iss.19. – P. 1685–1692.Promising anchoring groups for single-molecule conductance measurements / V. Kaliginedi, A.V. Rudnev, P. Moreno-García et al. // Phys. Chem. Chem. Phys. – 2014. – Vol. 16. – Iss. 43. – P. 23529–23539.Liu J., Huang X., Wang F., Hong W. Quantum interference effects in charge transport through single-molecule junctions: detection, manipulation, and application // Acc. Chem. Res. – 2019. – Vol. 52. – Iss. 1. – P. 1151–1160.Illusory Connection between cross-conjugation and quantum interference / K.G.L. Pedersen, A. Borges, P.Hedegard et al. // J. Phys. Chem. C. – 2015. – Vol. 119. – Iss. 48. – P. 26919–26924.Yoshizawa K., Tada T., Staykov A. Orbital view of the electron transport in molecular devices // J. Am. Chem. Soc. – 2008. – Vol. 130. – Iss. 29. – P. 9406–9413.Markussen T., Stadler R., Thygesen K.S. The Relation between structure and quantum interference in single molecule junctions // Nano Lett. – 2010. – Vol. 10. – Iss. 10. – P. 4260-4265.Dewar M.J.S. The molecular orbital theory of organic chemistry. – N. Y.:, McGraw-Hill, 1969. – 484 p.Breakdown of interference rules in azulene, a nonalternat hydrocarbon / J. Xia, B. Capozzi, S. Wei et al. // Nano Lett. – 2014. – Vol. 14. – P. 2941–2945.Горбацевич А.А., Шубин Н.М. Квантовые логические вентили // УФН. – 2018. – Т. 188. – № 11. – С. 1209–1225.Magic ratios for connectivity-driven conductance of graphene-like molecules / Y. Geng, S. Sangtarash, C. Huang et al. // J. Am. Chem. Soc. – 2015. – Vol. 137. – P. 4469–4476.Liu S.-X., Lambert C.J.A. Magic ratio rule for beginners: A chemist's guide to quantum interference in molecules // Chem. Eur. J. – 2018. – Vol. 24. – P. 4193–4201.Qunatum interference in acyclic systems: conductance of cross-conjugated molecules / G.C. Solomon, D.Q. Andrews, R.H. Goldsmith et al. // J. Am. Chem. Soc. – 2008. – Vol. 130. – P. 17301–17308.Mahan D. Many particle physics. – N. Y., Kluwer Academic, 2000. – 785 p.Miroshnichenko F.S., Kivshar Y.S. Fano resonances in nanoscale structures // Rev. Mod. Phys. – 2010. – Vol. 82. – P. 2257.Direct observation of large quantum interfference effect in anthraquinone solid-state junctions / A. Rabache, J. Chaste, P. Petit et al. // J. Am. Chem. Soc. – 2013. – Vol. 135. – P. 10218–10221.Large negative differential conductance in single-molecule break junctions / M.L. Perrin, R. Frisenda, M. Koole et al. // Nature Nanotechnology. – 2014. – Vol. 9. – P. 830–834.Bound states in the continuum / C.W. Hsu, B. Zhen, A.D. Stone et al. // Nature Review Materials. – 2016. – Vol.1. – Iss. 9. – P. 1–13.Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). – 6-е изд., испр. – М.: Физматлит, 2004. – Т. III. – 800 с.Gorbatsevich A.A., Shubin N.M. Coalescence of resonances in dissipationless resonant tunneling structures and PT-symmetry breaking // Annals of Physics. – 2017. – Vol. 376. – P. 353–371.Gorbatsevich A.A., Shubin N.M. Unified theory of resonances and bound states in the continuum in Hermitian tight-binding models // Physical Review B. – 2017. – Vol. 96. – No. 20. – P. 205441.Quantum interference mediated vertical molecular tunneling transistors / M. Carlotti, Y. Liu, P. Wang et al. // Science Advances. – 2018. – Vol. 4. – No. 10 – P. eaat8237.Scholes G.D., Fleming G.R., Olaya-Castro A., van Grondelle R. Lessons from nature about solar light harvesting // Nature Chemistry. – 2011. – Vol. 3 – P. 763–774.Balzani V., Ceroni P., Maestri M., Vincinelli V. Light-harvesting dendrimers // Curr. Opin. Chem. Biol. – 2003. – No. 7. – P. 657–665.Hecht S., Fréchet J.M.J. Dendritic encapsulation of function: applying nature’s site iso-lation principle from biomimetics to material science // Angew Chem Int Ed Engl. – 2001. – Vol. 40. – P. 74–91.Archut A., Vögtle G. Functional cascade molecules // Chem. Soc. Rev. – 1998. – Vol. 27. – P. 233–240.Bradshaw D.S., Andrews D.L. Mechanisms of light energy harvesting in dendrimers and hyperbranched polymers // Polymers. – 2011. – Vol. 3. – Iss. 4. – P. 2053–2077.Olaya-Castro A., Scholes G.D. Energy transfer from Förster–Dexter theory to quantum coherent light-harvesting // International Reviews in Physical Chemistry. – 2011. – Vol. 30. – No. 1. – P. 49–77.Serin J.M., Brousmiche D.W., Fréchet J.M.J. A FRET-based ultraviolet to near-infrared frequency converter // Journal of the American Chemical Society. – 2002. – Vol. 124. – Iss. 40. – P. 11848–11849.Marcos M., Martín-Rapún R., Omenat A., Serrano J.L. Highly congested liquid crystal structures: dendrimers, dendrons, dendronized and hyperbranched polymers // Chem. Soc. Rev. – 2007. – Vol. 36. – P. 1889-1901.Saez I.M., Goodby J.W. Supermolecular liquid crystals // J. Mater. Chem. – 2005. – Vol. 15. – P. 26–40.Lam J.W.Y., Tang B.Z. Liquid‐crystalline and light‐emitting polyacetylenes // J. Polym. Sci. A Polym. Chem. – 2003. – Vol. 41. – Iss. 17. – P. 2607–2629.Dendrimers and other dendritic polymers / Ed. by J.M. Frechet, D.A. Tomalia. – N.Y.: Wiley & Sons, 2001. – 688 p.Astruc D., Boisselier E., Ornelas C. Dendrimers designed for functions: from physical, photophysical, and supramolecular properties to applications in sensing, catalysis, molecular electronics, and nanomedicine // Chem. Rev. – 2010. – Vol. 110. – Iss. 4. – P. 1857–1959.