Современные устройства памяти (карты памяти, SSD-накопители) построены на основе электрических переключателей, или транзисторов. Они могут формировать два квазистабильных электрических состояния: «открытого», способного обеспечить перенос электронов, и «закрытого», блокирующего этот поток. Транзисторы содержат элементы, которые накапливают и удерживают электрический заряд. От величины этого заряда зависит возможность протекания электрического тока при определенном приложении напряжения к выводам транзистора. В элементах памяти «открытое» состояние кодирует логическую единицу, а «закрытое» — нуль, или наоборот. Чтобы записать или стереть один бит информации нужно просто переключить транзистор между этими состояниями. При использовании фотохромных материалов для накопления и удерживания зарядов переключение требует светового импульса, часто в совокупности с наложением электрического поля.

Виологеновые катионы состоят из двух связанных ароматических пиридиновых колец (C10H8N2R2)2+ с двумя заместителями (R) при атомах азота. Некоторые галогенидные, то есть содержащие элементы седьмой группы таблицы Менделеева (F, Cl, Br, I), комплексы металлов с виологенами могут изменять цвет при освещении. Несмотря на всю привлекательность оптоэлектронных характеристик этих соединений, пока что такие комплексы не находили применения в электронике. В своей работе ученые из Сколковского института науки и технологий (Москва), Института проблем химической физики РАН (Черноголовка) и Института неорганической химии имени А. В. Николаева Сибирского отделения РАН (Новосибирск) впервые получили светочувствительный комплекс висмута с оптимальными свойствами и показали возможность его использования как материала в устройствах для записи и хранения информации.

Схема органического светочувствительного полевого транзистора на основе исследованных фотохромных комплексов висмута с виологеновыми катионами. Внизу слева показано изображение поперечного разреза элемента, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии. Источник: Dashitsyrenova et al. / Chemical Communications, 2020

«Дело в том, что фотохромные свойства подобных комплексов были описаны ранее. Одновременно с этим были получены устройства памяти на других виологенсодержащих соединениях. По сути, мы просто совместили эти два факта и попробовали проверить, как это сработает уже на наших, новых соединениях», — поясняет руководитель проекта по гранту РНФ Сергей Адонин, доктор химических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории синтеза комплексных соединений Института неорганической химии СО РАН.

Исследователи «собрали» органические полевые транзисторы с дополнительным светочувствительным слоем из комплекса висмута с виологеновыми катионами. Для этого на промежуточном этапе «сборки» они осадили кристаллические пленки комплекса из раствора на диэлектрическом слое оксида алюминия. Ученые выяснили, что устройство можно «программировать», то есть обратимо переключать между двумя или даже несколькими квазистабильными электрическими состояниями. Для этого нужно подать импульс света при одновременном наложении электрического потенциала между электродами устройства. Реализация нескольких состояний в одном транзисторе открывает большие возможности для создания мультибитных элементов памяти для записи информации с высокой плотностью.

За полсекунды программирования ток, текущий через канал транзистора, изменяется в 100 раз, а при увеличении времени до нескольких десятков секунд — в 10 000 раз. Этот показатель указывает на высокую эффективность работы устройства и является одним из лучших среди известных органических светочувствительных полевых транзисторов. Авторы предполагают, что разработанные устройства позволят длительное время хранить записанную информацию и будут выдерживать большое число циклов записи-чтения-стирания. В работе уже продемонстрирована стабильность в течение более 200 циклов.