Инженеры разработали способ создавать надёжные электронные устройства из отдельных молекул
Исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) разработали новую технологическую платформу, которая позволяет интегрировать молекулы в электронные устройства без их повреждения. Разработка открывает путь к массовому производству молекулярной электроники и может ускорить создание новых вычислительных систем, датчиков, фотонных и квантовых устройств.
Молекулы считаются одними из самых маленьких строительных блоков, которые можно использовать для создания электронных компонентов нового поколения. Благодаря возможности точно изменять их химическую структуру и свойства они способны обеспечить появление более компактных, быстрых и гибких вычислительных платформ, высокоэффективных фотонных устройств и перспективных квантовых технологий.
Однако практическое применение молекул долгое время оставалось серьёзной инженерной задачей. Традиционные процессы производства полупроводников требуют использования агрессивных химических веществ и технологических операций, которые легко повреждают хрупкие молекулярные материалы, снижая их надёжность и рабочие характеристики.
Команда MIT предложила новый масштабируемый подход, который позволяет совместить стандартные методы производства микросхем с использованием молекулярных материалов. Вместо того чтобы вводить молекулы на ранних этапах изготовления, исследователи сначала полностью создают основные элементы устройства традиционными полупроводниковыми технологиями, а уже затем аккуратно интегрируют молекулы в готовую конструкцию.
По словам старшего автора исследования, доцента кафедры электротехники и информатики MIT Фарназ Нируи, разработанная платформа объединяет масштабируемость современной полупроводниковой промышленности с высокой точностью и контролем, которые обеспечивает самосборка наноструктур. Это создаёт новый подход к массовой интеграции молекул и других наномасштабных и квантовых материалов в функциональные электронные устройства с архитектурой, которая ранее считалась практически недостижимой.
Во время демонстрации технологии исследователи изготовили каркас устройства, состоящий из двух металлических электродов, разделённых зазором строго заданного размера. Затем на поверхность электродов был нанесён молекулярный слой толщиной менее одного нанометра.
После этого учёные использовали естественные силы, действующие на наноуровне, чтобы аккуратно соединить электроды, заключив молекулы между ними. Такой подход позволил сформировать электрические контакты без механического или химического повреждения молекулярного материала.
Ключевую роль в процессе сыграли капиллярные силы. При испарении раствора с молекулами они мягко притягивали электроды друг к другу. Для этого исследователи заранее рассчитали жёсткость металлических элементов таким образом, чтобы капиллярные силы могли выполнить сборку автоматически.
После формирования структуры её устойчивость обеспечивали силы Ван-дер-Ваальса — слабые межмолекулярные силы притяжения. Контролируя площадь поверхности электродов и свойства молекулярного слоя, исследователи добились того, чтобы этих сил оказалось достаточно для надёжной фиксации конструкции без повреждения молекул.
Как объясняет одна из ведущих авторов работы Сара Спектор, вместо изготовления окончательной структуры традиционными методами исследователи сначала создают механически подвижную конструкцию, а затем используют силы, действующие на наноуровне, чтобы преобразовать её в архитектуру, которую невозможно получить обычными способами.
Используя новую технологию, команда изготовила более 1000 электронных устройств с молекулярными слоями толщиной менее 1 нанометра. Несмотря на столь малые размеры, средний выход полностью работоспособных устройств составил 96 %.
Не менее важным результатом стала высокая долговечность новой технологии. Созданные устройства выдержали десятки тысяч циклов электрических переключений без каких-либо признаков деградации или ухудшения характеристик.
По словам одного из ведущих авторов исследования Питера Саттертуэйта, именно стабильность долгое время оставалась главным препятствием для практического применения молекулярной электроники. Полученные результаты показывают, что эту проблему удалось существенно продвинуть к решению.
Авторы также подчёркивают, что новая технология позволяет перейти от изучения отдельных молекулярных компонентов к созданию полноценных электронных схем и систем. В качестве демонстрации возможностей платформы исследователи изготовили взаимосвязанный массив молекулярных устройств памяти, который в будущем может найти применение в вычислительных системах нового поколения.
По мнению разработчиков, предложенный метод можно адаптировать и для других материалов, а также различных архитектур электронных устройств. В дальнейшем команда планирует использовать платформу для создания новых классов многофункциональных вычислительных систем и высокочувствительных сенсоров.
Исследователи считают, что возможность массово интегрировать молекулярные и другие материалы атомного масштаба в функциональные электронные устройства позволит значительно ускорить разработку новых материалов с заранее заданными свойствами и их внедрение в перспективные технологии.
Исследование в журнале Nature Nanotechnology.