Разработан принцип молекулярного диода

🕛 19.10.2009, 11:07

В мире электроники диоды являются универсальными и широко распространенными компонентами. В различном виде они используются в огромном числе устройств и продуктов полупроводниковой промышленности. Создание компонентов, использующих более компактные, дешевые, быстрые, а также более эффективные диоды, является одной из главных задач электроники, и теперь ее решение перешло на наноуровень - ученые Университета Аризоны (Arizona State University) нашли способ создания ключевого компонента в сверхмалом масштабе.

Меньший размер предполагает меньшую стоимость и более высокие характеристики электроники. Если первые поколения ЦП компьютеров использовали несколько тысяч транзисторов, то сейчас даже самый простой процессор использует миллионы транзисторов на одном чипе. Это говорит о значительном прогрессе кремниевых технологий. При этом процесс уменьшения размеров все сильнее усложняется, а известный закон Мура, в конечном счете, неминуемо должен столкнуться с физическими ограничениями. Размер транзистора исчисляется десятками нанометров, что лишь в 20 раз больше размеров одной молекулы. Это одна из причин, почему исследователи и разработчики проявляют интерес к идее молекулярной электроники.

Идея преодоления ограничений кремния при помощи основанных на молекулах элементов не нова. Еще в 1974 г. химики-теоретики Марк Ратнер (Mark Ratner) и Ари Авирам (Ari Aviram) предложили использовать молекулы в качестве диодов в электронике, и уже более 30 лет люди по всему миру прилагают усилия к осуществлению этой задачи. Большинство попыток к настоящему времени связаны с использованием нескольких молекул, молекулярными тонкими пленками. И лишь совсем недавно были предприняты серьезные усилия для преодоления препятствий к созданию мономолекулярной структуры.

В общем случае диоды - это элементы, пропускающие электрический ток в определенном направлении. Чтобы молекула могла вести себя подобным образом, она должна быть физически асимметрична, один ее конец должен быть способен образовывать ковалентные связи с отрицательно заряженным анодом, а другой - с положительным катодом. Новое исследование сравнивает симметричные и несимметричные молекулы по способности к передаче электронов. В случае симметричной молекулы имеет место движение тока в обоих направлениях, как в обычном резисторе.

Метод, разработанный группой исследователей, опирается на принцип модуляции переменного тока. К молекуле прикладывают небольшие периодически изменяющиеся механические возмущения. При этом учеными были использованы спаренные молекулы, атомы которых связаны между собой однократными и многократными связями. Такие молекулы обладают большим электрическим сопротивлением и имеют несимметричные концы, которые способны спонтанно формировать ковалентные связи с металлическими электродами для замыкания цепи.

По мнению авторов проекта, результаты этого исследования повышают шансы на появление мономолекулярных диодов, самых крошечных из созданных ранее устройств. "Теперь у нас появилась возможность следить за отдельной молекулой и управлять ею. Мы можем, прикладывая напряжение, механическую силу или оптическое поле, измерять ток и фиксировать отклик. А поскольку квантовая физика регулирует поведение отдельных молекул, это позволит изучать свойства, отличающиеся от обычных устройств", - говорит участник исследования Нонджан Тао (Nongjian Tao).

Кроме того, связующие свойства между молекулами делают их привлекательными кандидатами для нового поколения химических сенсоров. Другими словами, молекулярная электроника интересна не только тем, что может заменить кремний, а тем, что это направление позволит дополнить кремниевые устройства новыми разработками.