Новые технологии молекулярной электроники могут превзойти плотность размещения элементов на кремниевых чипах в 1000 раз
Традиционный путь развития вычислительной техники, основанный на постоянном уменьшении размеров транзисторов, приближается к физическим и экономическим пределам. Современные передовые чипы, такие как процессоры Apple A17 Pro и M4, созданные по 3-нанометровому технологическому процессу TSMC, уже содержат транзисторы с длиной затвора менее 15 нанометров. На таких масштабах начинают проявляться квантовые эффекты, такие как туннелирование электронов, ведущее к утечке тока, бесполезному расходу энергии, перегреву и снижению эффективности. Параллельно стоимость строительства фабрики для производства 3-нанометровых чипов превышает 20 миллиардов долларов. Эти вызовы возродили интерес к радикально иной концепции — использованию отдельных молекул в качестве функциональных электронных компонентов, что открывает путь к созданию молекулярной электроники.
Идея о том, что отдельная молекула, благодаря асимметричной проводимости, может работать как крошечный диод, существует давно, но долгое время её реализации мешали трудности контроля и измерения объектов размером в нанометр. Согласно обзору в журнале Microsystems & Nanoengineering, после десятилетий технического прогресса надёжное тестирование стало возможным, и молекулярная электроника превратилась из теории в серьёзную альтернативную технологию. Потенциальная плотность размещения таких устройств может достичь 10¹⁴ на квадратный сантиметр, что примерно в 1000 раз превышает плотность современных кремниевых чипов.
Молекулярная электроника работает на принципах, отличных от традиционных чипов. Перенос заряда происходит через молекулярные контакты посредством квантового туннелирования, причём проводимость экспоненциально падает с увеличением длины молекулы. Дополнительный контроль обеспечивает квантовая интерференция: в молекулах на основе бензольного кольца электроны могут двигаться разными путями, усиливая или подавляя друг друга. Это позволяет достигать уникальных эффектов, невозможных в обычных полупроводниках.
Ключевой задачей является создание надёжных молекулярных переходов (контактов) с зазором менее 3 нанометров. Для этого используются как статические соединения с фиксированным зазором, создаваемые методами электромиграции или с помощью самоорганизующихся монослоев, так и динамические контакты, которые постоянно формируются и разрываются для сбора статистических данных. Такие методы, как механически управляемый разрывной контакт или сканирующий туннельный микроскоп, позволяют провести тысячи измерений и определить характерную проводимость отдельных молекул.
Учёные исследуют пути создания трёхмерной молекулярной электроники, где вертикальные межслойные соединения и горизонтальная разводка могли бы обеспечить высокую интеграцию. Одной из основных проблем является термостойкость: органические молекулы разрушаются при температурах выше 200 °C, в то время как стандартные процессы производства чипов требуют более высоких температур. Предлагается решение — внедрять молекулы на финальных этапах сборки. Для точного позиционирования молекул может применяться техника ДНК-оригами, которая использует свёрнутые цепочки ДНК в качестве наношаблонов.
Перспективными ранними применениями молекулярной электроники являются мемристоры для нейроморфных вычислений, имитирующих работу мозга, а также сверхчувствительные сенсоры, способные отслеживать единичные химические реакции, невидимые для обычных методов.