62 подписчика

Глава 3. Часть 4. Смена стратегии развития электроники XXI века. Новые подходы. Молекулярная электроника.

19 января 202019 янв 2020

6 мин

Технологический мир сегодня пронизан конвергенцией – взаимным влиянием и взаимопроникновением технологий, стиранием границ между ними, организацией и исследованием экспериментов на стыках научных областей в рамках междисциплинарных работ. Именно благодаря конвергенциальному научному подходу реализуется появление новых научных парадигм, которые изучаются и совершенствуются в рамках концепции НБИКС-технологий. В результате взаимодействия смежных научных дисциплин возникло множество перспективных направлений развития наноэлектроники, среди которых в данной главе мы освещаем парадигму молекулярной электроники.

Молекулярная электроника решает те же задачи, что и традиционная электроника, но при этом использует принципы молекулярного конструирования. Отличительной особенностью новой парадигмы является создание уникальных молекулярных электронных элементов, благодаря которым станет возможным дальнейшее развитие электроники на междисциплинарной основе.

Главной целью молекулярной электроники является создание сложных молекулярных систем, реализующих одновременно несколько различных эффектов. Благодаря таким системам станет возможным создание универсального элемента памяти - наиболее важной части любого информационно-вычислительного устройства. В процессе развития молекулярной технологии появятся новые виды ЭВМ: нано-, квантовые и нейрокомпьютеры, в которых все проводящие элементы и переключатели будут представлять собой органические молекулы [29]. Переход на молекулярную элементную базу станет революционным в сфере информационных технологий: создание средствами молекулярной электроники искусственных нейронов и сенсоров различных типов, включенных в единую сеть, откроет путь к созданию искусственного интеллекта [30].

Принципиальная возможность использования отдельных молекул как активных элементов микроэлектроники была высказана Фейнманом еще в 1957 году. Он показал, что квантово-механические законы не являются препятствием в создании электронных устройств атомарного размера при условии, что плотность записи информации не превышает 1 бит/атом. Однако, только с появлением работ Картера и Авирама в конце 80-х стали говорить о молекулярной электронике как о новой междисциплинарной области, включающей физику, химию, микроэлектронику и компьютерную науку [31]. Ученые предложили заменить диоды и полупроводники молекулами, в связи с чем сразу возникло несколько направлений исследований:

1. Использование органических материалов в традиционной полупроводниковой вычислительной технике.

2. Проектирование и организация производства ЭВМ, в которых используются физические процессы, происходящие в молекулах.

Для воплощения предложенных идей в жизнь возникает острая необходимость перемен в современных представлениях схемотехники, поскольку сами по себе молекулы могут представлять отдельные готовые элементы электронно-компонентной базы. Использование молекул позволит тратить заметно меньшее количество энергии на переключение, нежели у современных элементов, а устройства на их основе не подвержены дробовому, паразитному шуму [32].

У молекулярной парадигмы электроники есть ряд преимуществ перед парадигмой неорганических интегральных схем:

размеры молекул (продолжится дальнейшая миниатюризация элементов вычислительной техники, поскольку молекулы располагаются в объёме, а не в плоской двухмерной поверхности);
мощность (благодаря организации сложных молекулярных структур повысится КПД, снизится энергопотребление, повысится скорость операций);
стоимость производства (молекулярные устройства представляют собой покрытия или самоорганизующиеся структуры из органических соединений, поэтому нужно лишь нанести органическую смесь на поверхность подложки);
производство при низких температурах и невысоких давлениях (благодаря полимерным органическим материалам)[33].

Однако, существуют и недостатки, которые необходимо решать:

низкая стабильность органических материалов;
влияние на их свойства кислорода и влаги;
необходимость инкапсуляции.

Все эти задачи в настоящее время являются предметом фундаментальных и прикладных исследований, которые интенсивно ведутся во многих лабораториях и фирмах.

На сегодняшний день налаживается не только производство различных устройств на органических материалах, таких как хемосенсоры, светодиоды и гибкие дисплеи, но и проектирование гибридных интегральных молекулярных схем. К примеру, фирма ZettaСore, основанная в 2004 году студентами в Денвере, смогла реализовать самосборку органических молекул по принципу «снизу-вверх» на изготовленных по принципу «сверху-вниз» кристаллических подложках (рис.38). Фирма использует синтетические органические молекулы порфирина (рис.39), которые способны к самоорганизации или самосборке при облучении подложки. При облучении образуются мультипорфированные наноструктуры, способные окисляться и восстанавливаться при потере или присоединении электронов соответственно. Процессы окисления-восстановления являются устойчивыми, воспроизводимыми и обратимыми, что позволяет использовать такие поверхности в качестве надёжных сред записи информации в различных электронных устройствах.

Более того, такая среда способна не только хранить информацию в течении продолжительного времени, но и позволяет записать значительно больший объём информации, чем обычные диски, благодаря пространственным конфигурациям каждой молекулы, имеющей 8 разных устойчивых состояний.

В будущем возможно создание крупных трёхмерных запоминающих устройств с ничтожно малым энергопотреблением, основанных на данной технологии. Авторы этой идеи вдохновлялись механизмом усвоения энергии хлорофиллом [33]. Их разработки легли в основу гибридной полнофункциональной КМОП с молекулярным запоминающим устройством (рис.40). В данном гибриде область памяти полностью интегрирована с расположенным на том же кристалле усилителями считывания, изготовленных традиционным методом. Благодаря такому решению данное устройство соответствует всем стандартам полупроводниковой техники.

Следовательно, подобные устройства можно сразу же подключить без использования различных преобразователей к уже разработанным стандартным схемам.

Рис.39. Запоминающие молекулы порфирина.

Рис.40. Гибридная молекулярная КМОП с запоминающим устройством.

Рис.41. Начало сигмоидальной кривой развития молекулярной электроники.

Источники:

29. Травень В. Ф. / Органическая химия: учебник для вузов / В. Ф. Травень. -Москва: ИКЦ Академкнига, 2004. – 724 с.

30. Разумов В. Ф. / Молекулярная электроника – проблемы и перспективы / В. Ф. Разумов // Известия ран. Серия физическая. - 2012. – Т. 76, № 2. - С. 223–226.

31. Марков В. Ф. / «Материалы Современной Электроники» / Х. Н. Мухамедзянов, Л. Н. Маскаева, В. Ф. Марков; М-во образования и науки Рос. Федерации, Урал. федер. ун-т. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2014. – 272 с.

32. Зигуненко С. Н. / «100 великих достижений в мире техники» / С. Н.Зигуненко. - Вече, 2012 г. – 416 с.

33. Рамбиди Н.Г. / «Физические основы нанотехнологий» / Н.Г. Рамбиди, А.В. Берёзкин, ФИЗМАЛИТ, г.Москва, 2008 г, 456 с.