НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Молекулярная электроника

Р. С. Уильяме[36]

Если размеры электронных устройств будут и далее уменьшаться по экспонен­те, то уже в ближайшие десятилетия они приблизятся к размерам молекул. Очевидно, что для этого должны произойти резкие изменения как в физиче­ских принципах создания таких устройств, так и в методах их промышленного производства.

Это связано прежде всего с тем, что современная электроника базируется на классической механике, в то время как на молекулярном уровне электроны
должны рассматриваться как квантовомеханические объекты. Кроме того, сле­дует учитывать, что стоимость производства электронных устройств возраста­ет значительно быстрее, чем спрос на них, вследствие чего необходимо разви­вать более дешевые методы производства.

Таким образом, растет значение исследований в области молекулярной электроники, где квантовые электронные устройства создаются из деталей, синтезируемых в результате периодических химических процессов. Эти детали затем объединяются в требуемые электронные схемы при помощи процессов самосборки и самоупорядочения. Если цель молекулярной электроники — собирать электронные схемы из отдельных молекул (переключатели) и угле­родных нанотрубок (провода) — будет достигнута, то, возможно, появятся уст­ройства памяти с плотностью записи в миллион раз выше, чем у современных устройств. При этом потребляемая электрическая мощность снизится в мил­лиарды раз (по сравнению, например, с. обычными полупроводниковыми схе­мами на комплементарных МОП-структурах). Столь резкое увеличение объе­ма энергонезависимой памяти в некоторых случаях могло бы сильно упростить работу на компьютере.

Основным ограничением для реализации указанного процесса является то, что при химическом производстве и сборке системы неизбежно должны возникать «дефектные» компоненты и соединения. Впервые это ограничение было рассмотрено в статье 1998 г. [42] под названием «Дефектоустойчивая ар­хитектура компьютеров: возможности для нанотехнологии». Исследователи фирмы «Хьюлетт-Паккард» и Лос-Анжелеского университета проанализиро­вали возможности точной работы обычного компьютера с кремниевыми чипа­ми при наличии большого числа производственных дефектов и предложили архитектурное решение проблемы с помощью устройств молекулярной элект­роники (рис. 6.2), которое доказывает (по крайней мере в принципе) примени­мость химической сборки.

В 1999 г. исследователи из тех же лабораторий (фирмы «Хьюлетг-Паккард» и Лос-Анжелеского университета) экспериментально продемонстрировали возможность работы наиболее важного элемента такой системы, а именно мо­лекулярного переключателя с электронной адресацией, способного действо­вать в совершенно «сухом» окружении [43]. На рис. 6.3 показан логический вентиль, состоящий из набора молекулярных переключателей с изменяемой конфигурацией, каждый из которых представляет собой монослой электрохи­мически активных молекул ротаксана, расположенный между металлически­ми электродами.

На рис. 6.4 приведена рабочая характеристика переключателя такого типа. В «замкнутом» состоянии протекание тока обеспечивается резонансным туннели - рованием между электронными состояниями молекул. При подаче напряжения, переводящего молекулы в окисленное состояние, переключатель необратимо размыкается. Поскольку в этом случае молекулы не выступают в качестве энер­гозависимого запоминающего устройства, для установки и считывания их состояния необходимо иметь лишь один набор проводов, и, в принципе, одна молекула может заменить семь транзисторов в обычной кремниевой схеме. При демонстрации работы таких переключателей было показано, что они могут быть объединены в логические схемы И и ИЛИ (для логического умножения и лога - ческого сложения соответственно). Верхний и нижний пределы тока подобных переключателей различаются множителями 15 и 30 соответственно, что значи­тельно превышает аналогичные показатели для обычных логических элементов.

Рис. 6.3. Атомная структура молекулярного пе­реключателя, называемого ротаксаном[37]. В хи­мически восстановленном состоянии (пере­ключатель замкнут) система обладает проводи­мостью из-за резонансного туннелирования между незанятыми орбиталями. В окисленном состоянии (переключатель разомкнут) тунне - лирование становится невозможным из-за воз­никновения барьера. Такой переключатель в твердотельной схеме замыкается при подаче соответствующего напряжения в направлении поперек молекулы [44,45].

Ч

О

Напряжение, В

Рис. 6.4. Вольт-амперная характеристика большого числа молекулярных переключате­лей в состояниях «включено» и «выключено». Первоначально, когда молекулярные пе­реключатели замкнуты, отрицательное напряжение (приложенное поперек молекул) создает «большой» ток, который возрастает экспоненциально с увеличением прило­женного напряжения. Этот участок вольт-амперной характеристики обладает высокой воспроизводимостью до тех пор, пока напряжение поперек молекулы не превысит +1 В. При таком напряжении происходит необратимое окисление переключателей, по­сле чего приложение отрицательного напряжения приводит к протеканию «малого» то­ка, что показывает разомкнутое состояние переключателя.