Учени от MIT превръщат молекулите в надеждни електронни устройства

Нова производствена платформа интегрира молекули в електронни устройства и отваря вратата към нововъзникващи изчислителни технологии.

Молекулите са сред най-малките строителни блокове, с които могат да се създават устройства от ново поколение. Техните уникални свойства, които могат да се проектират по поръчка, ги превръщат в обещаваща основа за нови приложения в изчислителната техника, сензориката, оптиката и квантовите технологии. Проблемът е, че интегрирането на молекули във функциониращи устройства в голям мащаб остава сериозно предизвикателство — традиционните процеси за производство на полупроводници лесно увреждат крехките молекулни материали.

Сега изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) са разработили мащабируема технология, която вгражда деликатни молекулни материали в електронни устройства върху чип, без да ги поврежда. Резултатите са публикувани в списание Nature Nanotechnology.

Методът разширява възможностите на стандартните полупроводникови процеси, така че те да могат да работят и с молекули. Екипът първо изработва компонентите на устройството по конвенционален начин, след което въвежда молекулите и използва сили, действащи в наномащаба, за да преобразува механично вече изработената структура. Устройството на практика се самосглобява, без молекулите да пострадат.

„Нашата платформа съчетава мащабируемостта на конвенционалното производство на полупроводници с прецизността и контрола на самосглобяването“, обяснява Фарназ Нируи, доцент по електроинженерство и компютърни науки в MIT и старши автор на изследването. По думите ѝ това създава изцяло нова рамка за интегриране на нововъзникващи наноматериали, включително молекули, в устройства с архитектури, които досега са били невъзможни.

Строеж с молекули

Молекулите представляват малки групи от атоми, чиято структура и химия могат да бъдат проектирани с изключителна точност. Това позволява свойствата им да се настройват в широк диапазон. Веднъж вградени в архитектурата на устройство, тези молекули биха могли да захранят електроника и изчислителни платформи от ново поколение — по-малки, по-бързи и по-адаптивни, както и по-високопроизводителни фотонни устройства и квантови технологии.

За да изгради работеща система, екипът трябва да свърже молекулните блокове с останалите слоеве на устройството — а най-критичната стъпка е осъществяването на електрически контакт между молекулите и металните повърхности. Именно тук традиционното производство се проваля: агресивните химикали и процеси увреждат материала и намаляват надеждността.

Решението на изследователите е двустъпков подход, при който деликатните материали се въвеждат едва след като основните елементи на устройството вече са изработени. „Като внасяме крехките материали в процеса чак след изработката на главните елементи, можем да използваме конвенционални методи, които обичайно са несъвместими с тези наноматериали“, посочва Питър Сатъртуейт, един от водещите автори.

В демонстрацията си екипът изгражда структура с два метални електрода, разделени с прецизно оразмерен процеп, върху които се нанася молекулният слой. След това учените използват сили от наномащаба, за да придърпат внимателно горния електрод върху молекулите — така се формира самоподравнен и незасегнат от повреди електрически контакт.

Силата на наномащаба

Ако в нашия свят доминира гравитацията, то в наномащаба надделяват други сили. Една от тях е капилярната сила — същата, която кара растенията да поемат вода през стъблата си. Когато разтворът с молекулите се изпари, капилярните сили нежно сближават двете метални повърхности, а молекулите остават като плънка между тях. За да задържат електродите стабилно, изследователите разчитат на друга наномащабна сила — тази на ван дер Ваалс, която кара повърхностите взаимно да се привличат.

„Силите в наномащаба играят решаваща роля в нашия подход. Вместо да изработваме директно структурите, които искаме, ние създаваме нещо механично подвижно и използваме сили, за да го превърнем в архитектура, която иначе би била невъзможна за изработка“, обяснява Сара Спектър, също водещ автор.

С тази техника екипът е изработил над 1000 устройства с молекулни слоеве, по-тънки от 1 нанометър. Дори при този миниатюрен мащаб добивът на работещи устройства е впечатляващ — средно 96 процента. Освен това устройствата издържат десетки хиляди електрически цикъла без никакви признаци на деградация.

„Стабилността наистина се откроява. Това е ключова характеристика по пътя към практическото приложение на молекулните устройства, но досега беше упорито предизвикателство в областта“, отбелязва Сатъртуейт.

Не по-малко важно е, че методът позволява интеграция на молекулни устройства на ниво схема и система, а не само изследване на изолирани елементи. За да го докажат, изследователите изграждат свързана мрежа от молекулни памет-устройства, които биха могли да намерят приложение в изчислителни платформи от ново поколение. Техниката може да бъде разширена и към други материали и архитектури.

В бъдеще екипът планира да надгради платформата и да разработи нови класове многофункционални изчислителни и сензорни устройства. Изследването е финансирано отчасти от американската агенция DARPA, Semiconductor Research Corporation, Националната научна фондация на САЩ (NSF) и други.

Източник: MIT News