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.
Горбацевич Александр Алексеевич
Физический институт им. П.Н. Лебедева Российской академии наук, г.Москва, Россия; Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г.Москва, Россия
1. 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.
2. 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.
3. Petty M.C. Molecular electronics: from principles to practice. – Wiley-Interscience, 2007. – 544 p.
4. Molecular architectonics: The third stage of single molecule electronics (Advances in atom and single molecule machines) / Ed. by Ogawa Takuji. – Springer, 2017. – 539 p.
5. Cuevas J.C., Scheer E. Molecular electronics: An introduction to theory and experiment. – World Scientific, 2010. – 724 p.
6. Joachim C., Gimzewski J.K., Aviram A. Electronics using hybrid-molecular and mono-molecular devices // Nature. – 2000. – Vol. 408. – P. 541–548.
7. Li Y., Mol J.A., Benjamin S.C., Briggs G.A.D. Interference-based molecular transistors // Sci. Reports. – 2016. – Vol. 6. – P. 33686
8. Gorbatsevich A.A., Krasnikov G.Y., Shubin N.M. PT-symmetric interference transistor // Scientific Reports. – 2018. – Vol. 8. – P. 15780.
9. 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.
10. Botiz I., Darling S.B. Optoelectronics using block copolymers // Materials Today. – 2010. – Vol. 13. – Iss. 5 – P. 42–51.
11. Large Area and Flexible Electronics / Ed. by Caironi M., Noh Y.‐Y. – 2 ed. – Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2015. 592 p.
12. Introduction to organic electronic and optoelectronic materials and devices / Ed. by Sun S.-S., Dalton L.R. – 2 ed. – CRC Press, 2016. – 1091 p.
13. Kandori H., Shichida Y., Yoshizawa T. Photoisomerization in rhodopsin // Biochemistry. – 2001. – Vol. 66. – No. 11. – P. 1197–1209.
14. Bakhshi A.K., Bhalla G. Electrically conducting polymers: Materials of the twentyfirst century // Journal of Scientific & Industrial Research. – 2004. – Vol. 63. – P. 715–728.
15. Бразовский С.А. Электронные возбуждения в состоянии Пайерлса – Фрелиха // Письма в ЖЭТФ. – 1978. –Т. 28. – № 10. – С. 656–660.
16. Su W.P., Schrieffer J.R., Heeger A.J. Solitons in polyacetylene // Phys. Rev. Lett. – 1979. – Vol. 42. – Iss. 25. – P. 1698–1701.
17. 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.
18. Magoga M., Joachim C. Conductance of molecular wires connected or bonded in parallel // Phys. Rev. B. – 1999. – Vol. 59. – No. 24. – P. 16011–16021.
19. 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.
20. Fröhlich H. On the theory of superconductivity: the one-dimensional case // Proc. Roy. Soc. London A. – 1954. – Vol. 223. – P. 296.
21. Пайерлс Р. Квантовая теория твердых тел: пер. с англ. А.А. Абрикосова. – М.: Иностранная литература, 1956. – 259 с.
22. 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.
23. Pople J.A., Walmsley S.H. Bond alternation defects in long polyene molecules // Molec. Phys. – 1962. – Vol. 5. – P. 15–20.
24. 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.
25. 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.
26. Горбацевич А.А., Журавлев М.Н. Локализованные электронные состояния в вет-вящихся молекулах полиацетилена // Письма в ЖЭТФ. – 2014. – Т. 100. – №. 9. – C. 654–658.
27. 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.
28. 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.
29. 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.
30. 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.
31. 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.
32. 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.
33. Rincon J., Hallberg K., Aligia A.A., Ramasesha S. Quantum interference in coherent molecular conductance // Phys. Rev. Lett. – 2009. – Vol. 103. – P. 266807.
34. 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.
35. 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.
36. 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.
37. 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.
38. 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.
39. 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.
40. 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.
41. 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.
42. Dewar M.J.S. The molecular orbital theory of organic chemistry. – N. Y.:, McGraw-Hill, 1969. – 484 p.
43. 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.
44. Горбацевич А.А., Шубин Н.М. Квантовые логические вентили // УФН. – 2018. – Т. 188. – № 11. – С. 1209–1225.
45. 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.
46. 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.
47. 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.
48. Mahan D. Many particle physics. – N. Y., Kluwer Academic, 2000. – 785 p.
49. Miroshnichenko F.S., Kivshar Y.S. Fano resonances in nanoscale structures // Rev. Mod. Phys. – 2010. – Vol. 82. – P. 2257.
50. 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.
51. 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.
52. 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.
53. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Квантовая механика (нерелятивистская теория). – 6-е изд., испр. – М.: Физматлит, 2004. – Т. III. – 800 с.
54. 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.
55. 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.
56. Quantum interference mediated vertical molecular tunneling transistors / M. Carlotti, Y. Liu, P. Wang et al. // Science Advances. – 2018. – Vol. 4. – No. 10 – P. eaat8237.
57. 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.
58. Balzani V., Ceroni P., Maestri M., Vincinelli V. Light-harvesting dendrimers // Curr. Opin. Chem. Biol. – 2003. – No. 7. – P. 657–665.
59. 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.
60. Archut A., Vögtle G. Functional cascade molecules // Chem. Soc. Rev. – 1998. – Vol. 27. – P. 233–240.
61. 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.
62. 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.
63. 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.
64. 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.
65. Saez I.M., Goodby J.W. Supermolecular liquid crystals // J. Mater. Chem. – 2005. – Vol. 15. – P. 26–40.
66. 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.
67. Dendrimers and other dendritic polymers / Ed. by J.M. Frechet, D.A. Tomalia. – N.Y.: Wiley & Sons, 2001. – 688 p.
68. 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.