Молекулярное программирование
Группа, занимающаяся молетроникой в USC, показала, что даже два в высшей степени нелинейных устройства, соединенных в серию, дают многозначную реакцию. Более того, именно такая многозначная реакция позволяет осуществлять перепрограммирование молекулярного устройства. Это возможно благодаря достигнутым в недавнее время успехам группы из USC в области теоретического подхода со сборкой снизу-вверх к конструированию молекулярных электронных цепей. Коллектив использовал точную процедуру для определения параметров ток - напряжение (I-V) интегрированных молекулярных цепей, где анализ систем осуществляется на нескольких уровнях на основе теоретических идей. Это позволяет связывать системы размером от доль нанометров до нескольких микрометров, т. е. здесь создается нано-микро-интерфейс. Обширные исследования были проведены в области изучения молекулярных цепей с осуществлением критического анализа геометрии и природы контактов.
Программируемость является самым важным понятием в молекулярной электронике, поскольку она позволяет компенсировать недостаток адресуемости в атомном масштабе. Процедура, разработанная в USC, позволяет нам находить решения при типичных конфигурациях в условиях, когда молекулярные устройства осуществляют самосборку. На Рис. 6 показано, как были вычислены нелинейные параметры тока-напряжения для одной молекулы с использованием технологий ab initio. Соответственно, получены и параметры I-V серии конфигураций двух одинаковых устройств (Рис. 6, внизу слева). След I-V ясно показывает наличие многозначности. Например, два значения тока могут быть получены для любого приложенного напряжения в диапазоне 2,5-3,5 в. Это означает, что для данного напряжения смещения в выбранном диапазоне, можно получить два возможных состояния, отличающиеся различными значениями силы тока. Так, внешние импульсы могут запускать внезапные изменения состояния, что позволяет программировать цепь серии так, чтобы она следовала специальному маршруту в том, что касается I-V. Заметьте, что, в этом конкретном случае, две активные молекулы разделяются кластерами золота. Тем не менее, это явление не ограничивается одним кластером золота, но может просто создаваться серией двух активных колец. Это объясняет, почему при одних и тех же параметрах I-V иногда получается два пика. Это также объясняет, почему при одном рассмотрении получается одна кривая I-V, а при другом другая. В случае наличия более трех устройств, количество возможностей увеличивается, позволяя создавать конфигурации с параметрами усиления и запоминания (Рис. 6, снизу справа). Благодаря многозначной природе нелинейных устройств, это является одним из самых важных свойств, на основании которых можно программировать параметры извне. Эти возможности полностью используются при создании НаноЯчейки на конце стрелок (Рис. 6, наверху в центре), которую можно соединить с другими НаноЯчейками с помощью стандартной литографической технологии. 
Рис. 6. Параметры тока – напряжения конфигурации серии двух одинаковых устройств (снизу слева) получены из нелинейных параметров тока – напряжения отдельной молекулы с использованием самой точной технологии «С самого начала» (сверху слева).
Признание инструментов моделирования и имитационного моделирования адекватными обычно осуществляется с помощью сопоставления данных измерений с данными, полученными в результате расчетов моделей. Важным компонентом программы Moletronics является валидация инструментов моделирования и имитационного моделирования и совершенствование фундаментального понимания поведения устройств молекулярной размерности как отдельных молекул. Это позволит осуществлять дальнейшее изучение процессов, связанных с проводимостью в отдельных молекулах. Проводимость в отдельных молекулах
Возможность проектирования молекулярных устройств, которые обладают особыми электронными свойствами, основывается на четком понимании тех фундаментальных механизмов, которые отвечают за проводимость в отдельных молекулах и их небольших совокупностях.
Исследователи из Университета штата Пенсильвания измерили способность к электрическому переносу отдельных молекулярных проводов из фенилен – этилена с группой NO2 (NOPE), которые перекрывают преграду из наноразмерного золота для того, чтобы уменьшить значение теплового воздействия на проводимость через данную молекулу. Неадаптивная туннельная спектроскопия подтверждает теоретическое предсказание относительно изменения механизма молекулярной проводимости при термическом посредничестве (Рис. 7). 
Рис. 7. Изображение молекулярного узла. Совпадение теоретических моделей и экспериментальных наблюдений открывает перспективы создания цепей с большими архитектурами. Другим новым подходом, который используется в программе Moletronics, является применение биологически созданных наноструктур для создания наноразмерных электронных цепей. Наноэлектроника на био-платформе
Одной из наиболее существенных задач создания наноэлектронных устройств является изготовление наноразмерной платформы, на которую можно поместить с помощью проводов необходимую наноэлектронную цепь. Для этого необходимо конструирование платформы в размерности длины молекул (2-3 нм). Группа, занимающаяся молетроникой в научно-исследовательской лаборатории ВМС США (NRL), в сотрудничестве с учеными из Института Скрипс, Geo-Centers, NCSU, и Университета Северного Техаса работала над идеей использования полученной на биологической основе вирусной наночастицы или вирусного наноблока (VNB) в качестве платформы, на которой будет строиться наноэлектронная цепь.
К числу различных этапов создания цепи на основе VNB относятся: введение особенных для данной точки мутаций на VNB с использованием молекулярной биологии, присоединение наночастиц золота к модифицированным участкам, и, наконец, присоединение молекулярных проводов для создания мостика для наночастиц золота. На Рис. 8 дана блок-схема молекулярной электронной сети, присоединенной проводами на наночастицы золота, которые, в свою очередь, присоединены к специальным участкам на VNB. 
Рис. 8. Блок-схема вирусного наноблока (VNB).
Электронные свойства молекулярных электронных цепей на VNB были определены с помощью неадаптивной туннельной спектроскопии (STM). На Рис. 9 представлена модель множества путей прохождения тока через VNB. 
Рис. 9. Модель наноэлектронной сети с VNB с множеством путей для прохождения тока. Использование VNB в качестве наноразмерной платформы для молекулярных цепей и НаноЯчеек для сборки сложных электронных устройств это лишь два из многочисленных компонентов программы Moletronics, которые выгодно используют инструменты, полезные для других применений в области молекулярной электроники. Нанопроводные гетероструктуры и лазеры
Группа Чарльза Либера в Гарвардском Университете сделала революционные открытия в области изучения наноразмерных строительных блоков и блоков молекулярной размерности, имеющих применения от высокоэффективной молекулярной электроники и компьютерных технологий до нанофотоники, включая первый наноразмерный электрически активированный лазер.
Исследователи разработали общий подход к синтезу полупроводниковых нанопроводных кристаллических сверхрешеток из элементов III-V и IV групп, в которых состав и/или введение добавок варьируется по оси нанопровода на молекулярном уровне. Гарвардская группа продемонстрировала рост сверхрешеток GaAs/GaP, n-Si/p-Si и n-InP/p-InP, модулированных по составу добавками нанопроводов, содержащих до 21 слоя. Кроме того, они показали, что эти новые системы могут функционировать в качестве молекулярных электронных устройств, наноразмерных бар-кодов и поляризованных наноразмерных светоизлучающих диодов (Рис. 10).  Рис. 10. Изображения эмиссии из наноразмерных участков арсенида галлия в сверхрешетках нанопроводов GaP/GaAs, которые содержат 7, 11, и 21 слой. Либер также изобрел подход к выращиванию ядерных и многооболочечных нанопроводных гетероструктур, которые применимы ко многим наноразмерным материалам. Он продемонстрировал рост гомоэпитаксиального и гетероэпитаксиального кремния и ядерно-оболочечных наноструктур SiGe, и использовал эти новые наноматериалы для создания принципиально нового высокопроизводительного, коаксиально пропускающего полевого транзистора (Рис. 11). В более обобщенном виде можно сказать, что, описанные здесь исследования открывают множество возможностей в области молекулярной электроники и нанофотоники, начиная от сравнительно несложных наноразмерных излучателей и комплементарной логики до сложных периодических сверхрешеток, которые позволят реализовать такие применения, как нанопроводные инжекционные лазеры и «сконструированные» одномерные электронные волноводы.
 Рис. 11. Слева: полученный с помощью трансмиссионного электронного микроскопа снимок эпитаксиальных монокристаллических нанопроводных гетероструктур Ge/Si (ядро/оболочка). Справа: блок-схема более сложного коаксиального ядерно-оболочечного нанопроводного транзистора. Существенно, что эта работа привела к созданию электрически возбуждаемого лазера из отдельных полупроводниковых проводов. Нанопроводные лазеры состоят из отдельных проводов из CdS, которые испускают зеленый свет при длине волны в примерно 495-500 нм, находясь между кремнием типа p и металлическим электродом. Нанопровода функционируют как полупроводники типа n (переносчики электронов), в то время как кремний дополняется так, чтобы превратиться в тип p (транспорт дырок). Взаимодействие между двумя формами приводит к созданию узла p-n, через который в нанопровод может быть введен заряд. Там изменение сочетания носителей зарядов вызывает эмиссию сине-зеленого света. Лазерная генерация начинается при пороговом значении силы тока примерно 200 мкA, при котором широкий спонтанный пик распадается на очень острые пики, типичные для лазерной генерации (Рис. 12). 
Рис. 12. Изображение нанопроводного инжекционного лазера CdS со светом, выходящим из нанопроводного конца в правой центральной части снимка. Традиционные миниатюрные полупроводниковые лазерные диоды, используемые при оптоволоконной телекоммуникации и оптическом хранении информации (таком как компакт диски), очень затрудняют работу. Это означает, что, к примеру, оптоэлектронная технология при создании схем для преобразования электронных сигналов в оптические импульсы для оптоволоконных линий передачи, испытывает затруднения, поскольку затруднен интерфейс между микроэлектроникой и фотонными устройствами. Было бы намного удобнее, если бы лазеры можно было монтировать непосредственно на чипы. До некоторой степени интеграция стала возможной при использовании микролазеров, таких как лазер с поверхностным излучением и с вертикальным резонатором, в котором лазерный резонатор в виде квантовой ямы находится между слоями многослойных диэлектрических зеркал, сделанных из тонких пленок полупроводников. Тем не менее, эти устройства все еще имеют гигантские размеры (несколько микрон в поперечнике) по сравнению с теми нанопроводными лазерами, которые разработал Либер. В сущности, новые устройства представляют собой миниатюрные варианты оптоволоконных лазеров, внутри которых традиционное толщиной с волос оптическое волокно представляет собой лазерный резонатор. Оптоволоконные лазеры широко распространены в области телекоммуникаций и медицинских технологий. В нанопроводном лазере провод действует как волновод для стимулированной эмиссии. Группе Либера удалось уменьшить оптоволоконный лазер, по крайней мере, в тысячу раз. Кроме того, он сделал нанопровода из других полупроводников с различными запрещенными зонами, таких как GaN и InP. Таким образом, появилась возможность делать наноразмерные лазеры, которые расширяют спектр от ультрафиолетовых до инфракрасных лучей (Рис. 13). Эти устройства могут быть достаточно маленькими для того, чтобы позволять осуществлять интеграцию оптоэлектроники и фотоники на уровне чипов в действительно беспрецедентном объеме. 
Рис. 13. Иллюстрация интегрированной многоцветной нанопроводной лазерной решетки, созданной за счет сборки нанопроводов различного размера в инжекционно-лазерную структуру. Применения нанопроводных лазеров не ограничиваются сферами оптических телекоммуникаций и информационных технологий. Либер считает, что можно будет использовать нанопроводные лазеры для хирургических операций, осуществляемых с беспрецедентной точностью, или в качестве оптических зондов для химических и биологических датчиков (нанопровода могут проникать сквозь стенки клеток, не вызывая особых повреждений). Более того, их можно применять для литографии с очень высокой разрешающей способностью, используя оптическую ближнюю зону для того, чтобы преодолеть предел разрешающей способности для данной длины волны. Электроника за рамками традиционных технологий
Программа Moletronics, запущенная DARPA, уже использовала молекулярные переключатели для создания прототипа 64-разрядного запоминающего устройства с плотностью 6,4 гигабита/см2, которое имеет плотность в десять раз большую, нежели используемые в настоящее время кремниевые DRAM. Программа Moletronics будет продолжать продвигать электронные технологии, непосредственно к молекулярной и квантовой областям, для того, чтобы создать новую разновидность радиочастотной электроники и электроники смешанного типа. По программе будет сделан прототип 16-килобитной памяти с плотностью100 гигабит/см2. Этот прототип 2004-2005 будет иметь в десять раз большую плотность, чем DRAM, которую кремниевая промышленность стремится получить при завершении своих усилий в 2016 г. В результате, в мире больше не будут говорить об электронных микросистемах, а только о «наносистемах».
Для того чтобы яснее видеть перспективы отметим, что прототип 16-килобитной нанозапоминающей системы будет не больше человеческой клетки. Более того, это будет энергонезависимое молекулярное запоминающее устройство со способностью сохранять содержание без потребления энергии, и это тоже снизит требования к размеру поддерживающих систем и конструкций. На основе этих первых успехов в развитии электроники молекулярного уровня, DARPA расширяет разработку молетроники и за пределы запоминающих наноустройств: к молекулярным наносистемам обработки данных и наносенсорным системам. Технология молетроники выводит размерность устройств за рамки пределов, установленных кремниевыми CMOS. Мы ожидаем, что эти революционные инновации окажут огромное воздействие на системы обороны, увеличивая их возможности и ограничивая фактор массы и размера для тех платформ, которые зависят от электроники: а в наши дни это, конечно же, означает все платформы. Кван С. Квок,
http://www.nanotoday.com |
