::: reklama@pbprog.kz
::: editor@pbprog.kz
::: webmaster@pbprog.kz
Вычисления за пределами кремния
Поскольку электроны легче перемещаются от донора к акцептору, чем в обратном направлении, такая молекула будет проводить ток преимущественно в одном направлении. Это предположение положило начало целому направлению исследований, но для его проверки требовалась возможность контактировать с объектами размером всего в один нанометр, определять их положение и измерять их. Надежные эксперименты стали возможны только после десятилетий кропотливой технической работы.
В новом исследовании, опубликованном в Nanowerk, рассматриваются технологии производства, функциональные устройства и стратегии интеграции, а также показано, что молекулярная электроника превратилась из теории в серьёзную перспективную технологию. Потенциальная плотность может достигать 10¹⁴ устройств на квадратный сантиметр — примерно в 1000 раз больше, чем у современных кремниевых чипов.
Молекулярная электроника работает по совершенно иным принципам, чем обычные микросхемы. Вместо того чтобы перемещаться по непрерывным материалам, заряд проходит через молекулярные соединения посредством квантового туннелирования. Проводимость экспоненциально снижается по мере увеличения длины молекулы, то есть более длинные молекулы проводят меньше тока.
Квантовая интерференция обеспечивает дополнительный уровень контроля. В молекулах на основе бензола электроны могут двигаться по нескольким траекториям, которые либо усиливают, либо ослабляют друг друга. Когда соединения располагаются на противоположных концах кольца (пара-конфигурация), интерференция является конструктивной, что обеспечивает высокую проводимость. При других расположениях (мета-конфигурация) интерференция является деструктивной, что снижает проводимость на несколько порядков. Эти эффекты позволяют добиться поведения, невозможного в обычных полупроводниках.
Для создания молекулярных соединений требуются электроды, расположенные на расстоянии менее 3 нанометров друг от друга. В статических соединениях используются фиксированные зазоры, создаваемые такими методами, как электромиграция или контакт самоорганизующихся молекулярных слоёв с жидкими металлами, а углеродные электроды могут улучшить связность. Динамические соединения многократно образуют и разрывают контакты для сбора данных. Методы включают механически управляемые разрывные соединения, разрывные соединения сканирующего туннельного микроскопа и системы на основе MEMS, автоматизирующие измерения. Тысячи циклов генерируют гистограммы, показывающие характерную проводимость отдельных молекул. Вертикальные каналы, называемые сквозными кремниевыми переходами, могли бы соединять сложенные друг на друга слои молекул, а для горизонтальной проводки можно было бы использовать такие металлы, как медь или рутений.
Однако высокая температура представляет собой серьёзную проблему: органические молекулы разрушаются при температуре выше 392 °F, а стандартные процессы производства микросхем превышают 752 °F. Исследователи предлагают добавлять молекулы только на последних этапах производства. Точное размещение возможно с помощью ДНК-оригами, которое позволяет сворачивать ДНК в наноразмерные структуры для позиционирования молекул. Первые применения показывают многообещающие результаты: молекулярные мемристоры могут обеспечить мозгоподобные вычисления, а молекулярные датчики могут отслеживать отдельные химические реакции, выявляя детали, невидимые при использовании традиционных методов.