Skip to main content

Molecular 'Click-tronics': Surface-based synthesis of single-molecule electronic components

Article Category

Article available in the folowing languages:

Jednocząsteczkowe obwody pomagają w miniaturyzacji elektroniki

W miarę postępujące miniaturyzacji komponentów urządzeń elektronicznych (z 800 nanometrów w 1993 r. do zaledwie 7 nm w 2015 r.), dziedzina elektroniki jednocząsteczkowej staje się przedmiotem wielu eksperymentalnych inicjatyw badawczych – w tym finansowanego przez UE projektu MOLCLICK.

Badania podstawowe

Historyczną motywacją do stworzenia elektroniki jednocząsteczkowej była możliwość przeniesienia trendu miniaturyzacji na komponenty o rozmiarach rzędu atomów i cząsteczek, przy czym cząsteczki uważane są za najmniejszą możliwą jednostkę funkcjonalną. „Wykazano, że pojedyncze cząsteczki zachowują się jak komponenty elektroniczne, takie jak przewody, rezystory i przełączniki”, wyjaśnia koordynator projektu MOLCLICK dr Philippe Hapiot. „Jednak nadal daleko nam jeszcze do zrozumienia, w jaki sposób podłączyć dużą liczbę pojedynczych cząsteczek do adresowalnych obwodów w sposób, który wykorzystywałby przede wszystkim zalety rozmiarów systemu opartego na cząsteczkach”. Próbując wypełnić tę lukę, naukowcy w ramach finansowanego przez UE projektu MOLCLICK zbadali, czy można wykorzystać chemię syntetyczną do budowy złożonych obwodów na powierzchniach. „Naszym celem było opracowanie różnych metod budowy obwodów molekularnych na powierzchniach, znalezienie sposobów oceny skuteczności naszych metod, a następnie zbadanie, jak można by zwiększyć nasze możliwości w tej dziedzinie”, dodaje badacz projektu dr Michael Inkpen. Udana demonstracja Projekt MOLCLICK z powodzeniem zademonstrował, że chemia syntetyczna może być wykorzystywana do połączenia obwodów jednocząsteczkowych. Dokładniej mówiąc, w ramach projektu opracowano innowacyjną metodę odwracalnego tworzenia i przerywania wiązań pomiędzy poszczególnymi fragmentami, które zachowują się jak oporowe elementy obwodów. Następnie proces ten badano metodą przerywania złącz z wykorzystaniem tunelowego mikroskopu skaningowego (ang. scanning tunnelling microscope-based break junction, STM-BJ), która mierzy przewodnictwo cząsteczek na powierzchni zarówno przed modyfikacją syntetyczną, jak i po niej. STM-BJ jest techniką stosowaną do łączenia poszczególnych cząsteczek obwodu elektronicznego w celu jego testowania, opracowaną przez dr Lathę Venkataraman z Uniwersytetu Columbia, światowej liderki w tej dziedzinie, która była jednym z partnerów projektu. „Na podstawie wyraźnych różnic przewodności, dających się zaobserwować przed i po modyfikacji, mogliśmy potwierdzić, że rzeczywiście zbudowaliśmy prostsze obwody molekularne, będące pierwotnym celem projektu”, mówi dr Inkpen. „Co najważniejsze, wykazaliśmy możliwość uogólnienia naszego podejścia, demonstrując sukces innych metod syntetycznych, a w procesie tym zademonstrowaliśmy również rolę STM-BJ jako niezwykle czułego narzędzia do analizy powierzchni”. Klucz do dalszej miniaturyzacji Od momentu wynalezienia tranzystora w 1946 r. miniaturyzacja układów scalonych ma na celu obniżenie kosztów i zmniejszenie rozmiarów, a jednocześnie zwiększenie mocy i możliwości. Jednak ze względu na ograniczenia obecnej technologii dalsza miniaturyzacja wyhamowała. „Alternatywne technologie i materiały, takie jak wykorzystanie obwodów zbudowanych z pojedynczych cząsteczek, zademonstrowanych w tym projekcie, są kluczem do dalszej miniaturyzacji obwodów elektronicznych w nadchodzących latach i dziesięcioleciach”, dodaje dr Hapiot. Chociaż projekt MOLCLICK został już oficjalnie zakończony, prace nadal trwają. Na przykład, dr Inkpen będzie kontynuował swoje badania w dziedzinie elektroniki jednocząsteczkowej i chemii powierzchni jako adiunkt na wydziale chemii Uniwersytetu Południowej Kalifornii. „Lekcje i doświadczenie zdobyte podczas tego projektu będą nieocenione dla mojej indywidualnej kariery naukowej”, mówi.

Słowa kluczowe

MOLCLICK, urządzenia elektroniczne, elektronika jednocząsteczkowa, chemia syntetyczna, przerywanie złącz z wykorzystaniem tunelowego mikroskopu skaningowego, STM-BJ

Znajdź inne artykuły w tej samej dziedzinie zastosowania