Исследование и разработка бистабильных органических устройств.

Данный документ основан на открытых публикациях посвящённых бистабильным органическим устройствам.

1. Введение.

В настоящее время ведутся интенсивные исследования и разработки связанные с органически бистабильными устройствами. Уже получены впечатляющие результаты по их использованию в качестве компьютерной памяти. Однако до сих пор не ясна физика процессов обуславливающих свойства этих устройств. Выяснение физики и/или построение (полу)эмпирических математических моделей может существенно ускорить развитие данного направления исследований.

2. Бистабильные органические устройства.

Бистабильные органические являются многослойными и состоят из анода, катода двух органических слоёв, а также среднего металлического слоя:

Их вольтамперная характеристика имеет две ветви:

Наличие двух ветвей позволяет использовать такие устройства в качестве памяти. На заре развития компьютерной техники в качестве памяти использовались обмотки с ферритовыми сердечниками. Данные обмотки также имели две ветви вольтамперной характеристики.

3. Исследование физики бистабильных органических устройств.

Знание физических процессов бистабильных органических устройств позволит существенно ускорить процесс их дальнейшей разработки. В настоящее время физические явления, связанные с бистабильными устройствами неизвестны. Одна из гипотез заключается в том, что при прохождении тока происходит химическая реакция между металлическим и органическими слоями. Для проверки данной гипотезы можно использовать метод математического моделирования или эксперимент. Например, математическое моделирование с использованием методов компьютерной химии позволяет определить новые химические вещества. В частности можно определить может ли органический слой образовывать с металлом, новое неизвестное до сих пор химическое соединение. Однако эксперименты показывают, что бистабильность не исчезает даже в том случае, когда материалом металлического слоя является химически инертное золото. Данный эксперимент доказывает, что, скорее всего природа бистабильности не обусловлена созданием химического соединения металлического и органического слоёв. Однако золото может быть катализатором химической реакции. В биохимии известны прецеденты химически инертных катализаторов. Общая методология исследования бистабильных устройств изображена на следующем рисунке:

Компьютерное моделирование в данном процессе позволяет сократить материальные затраты и сроки исследований.

4. Разработка (полу)эмпирических моделей.

Существует большое количество успешных технических решений, когда детальная физика явления неизвестна. Эти решения базируются на полуэмпирических моделях. Обычно метод построения таких моделей разбивается на 2 этапа. Первый этап – планирование эксперимента и определение значимых факторов. Второй этап построение модели.

Планирование эксперимента.

Известно, что если система зависит от факторов, то для того, чтобы перебрать минимальную полную комбинацию этих факторов необходимо провести экспериментов. Как правило, число оказывается очень большим и проведение такого большого количества экспериментов практически неосуществимо. В частности, свойства бистабильных органических устройств зависят от толщины слоёв органических и неорганических материалов, химического состава материалов и т.д. Теория планирования экспериментов позволяет сократить длину комбинации и выделить те исходные параметры, которые влияют на свойства бистабильных органических устройств.

Построение регрессионной математической модели.

Математические модели строятся по следующему принципу. Производится выбор формулы:

где выходной параметр,

входные параметры,

- эмпирические параметры.

В случае бистабильных органических устройств параметр может быть порогом срабатывания устройства, отношением напряжений верхней и нижней ветвей устройства или любым другим параметром, влияющим на технические характеристики устройства. Параметры это те величины, которые влияют на параметр . Состав этих величин определяется на этапе планирования эксперимента. Например может являться толщиной металлического слоя, - толщиной органического слоя, - отношение длины ребра кристаллической решётки металла к характерной длине молекулы органического материала, - работа выхода электрона из металла. Эмпирические параметры определяются путём математической обработки. В качестве функции чаще всего используют линейную зависимость типа:

хотя возможно использование других зависимостей. Пример математической обработки изображён на следующем рисунке:

Зелёными крестиками обозначены экспериментальные значения выходного параметра.

5. Применение универсальной инженерной среды для исследования и разработки бистабильных органических устройств.

Изначально универсальная инженерная среда разрабатывалась таким образом, чтобы она потенциально включала в себя все разделы науки и техники. Естественно, что целесообразно её использование для решения задач связанных с вопросами бистабильных органических устройств. Можно применять среду как для решения задач компьютерной химии, так и для получения (полу)эмпирических моделей. Кроме того возможна комбинация компьютерной химии и моделей.

Компьютерная химия.

Компьютерная химия позволяет рассчитывать физико-химические свойства различных веществ. Например в бистабильных органических устройствах используется вещество имеющее следующую химическую структуру:

Универсальная инженерная среда моделирует эту структуру при помощи следующей диаграммы:

Построение (полу)эмпирических моделей.

Универсальная инженерная среда позволяет определять параметры моделей. Например на рисунке:

Изображена красная кривая аппроксимирующая экспериментальные данные.

Сочетание компьютерной химии и (полу)эмпирических моделей.

Эмпирические и полуэмпирические модели бистабильных органических устройств могут содержать информацию о физико-химических свойствах используемых органических соединений. Универсальная среда позволяет осуществлять одновременное решение обоих задач.