Созданы атомные переключатели для молекулярной электроники

Переключатель работает за счёт формирования и разрыва атомных нитей серебра при подаче и изменении полярности напряжения, что соответствует состояниям «включено» и «выключено». Этот метод позволяет масштабировать интеграцию молекулярных компонентов, прокладывая путь к созданию сверхкомпактных и энергоэффективных схем из отдельных молекул.

Электронные схемы будущего могут быть изготовлены не из кремния, а из отдельных молекул. Ученые уже продемонстрировали, как молекулярная электроника работает в качестве выпрямителей, переключателей и блоков памяти. Ожидается, что такие устройства будут меньше и энергоэффективнее современной электроники. Однако основная сложность заключается в обеспечении стабильного электрического контакта между молекулами и металлическими электродами, что необходимо для объединения отдельных компонентов в функциональную схему.

Одним из решений этой проблемы является использование атомного переключателя (АП) — разумной альтернативы традиционному механическому переключателю. Вместо движущихся частей АП использует химические реакции, которые перемещают ионы металлов или запускают окислительно-восстановительные процессы для создания и разрыва проводящих путей. Это делает его более простым, надёжным и удобным для интеграции в молекулярные схемы следующего поколения.

На пути к использованию атомно-силовых полей в молекулярных схемах исследователи из Токийского института науки продемонстрировали атомно-силовое поле на основе серебра, которое можно использовать для соединения отдельных молекул в твёрдой среде. Исследование, опубликованное в журнале Small , является шагом на пути к созданию молекулярных соединений, способных связывать различные молекулярно-электронные компоненты.

«Использование антисегнетовой проводимости обеспечивает стабильную молекулярную связь в твердотельной среде, позволяя подавать напряжение непосредственно на функциональные молекулы. Такой подход устраняет необходимость в механических манипуляциях с электродами, упрощает конструкцию устройств и обеспечивает возможность параллелизации и интеграции, что является ключевыми шагами на пути к масштабируемой молекулярной электронике», — говорит доцент Сатоси Канеко.

АП формируется на тонкой плёнке оксида тантала (Ta₂O₅). Внутрь вводятся молекулы ацетилена, и подаётся небольшое напряжение, чтобы сформировать атомарные нити серебра, которые соединяются с этими молекулами. При подаче положительного напряжения атомы серебра перемещаются и образуют нить, которая соединяет электроды, включая переключатель. При изменении полярности напряжения нить разрывается, и переключатель выключается.

При разрыве нити молекула ацетилена застревает между оставшимися атомами серебра, образуя молекулярный переход. В этом состоянии молекула ацетилена сама становится мостиком между электродами и пропускает ток. Дальнейшее изменение напряжения в конечном счёте разрушает этот молекулярный переход, завершая цикл переключения. Серебряный AS на основе Ta₂O₅ стабильно работал при низком напряжении (около 0,3 В) как в условиях сверхвысокого вакуума, так и в среде ацетилена.

Исследователи подтвердили, что их переключатель работает должным образом, с помощью метода, называемого спектроскопией неупругого электронного туннелирования. Этот метод позволяет обнаружить мельчайшие колебания молекул при прохождении через них электрического тока. Молекулы ацетилена издавали чёткие колебательные сигналы, что свидетельствовало о том, что они напрямую связаны с серебряной нитью и помогают проводить ток. Кроме того, проводимость устройства находилась в диапазоне от 10^-3 до 10^-1 Г₀, что характерно для одномолекулярных соединений и подтверждает наличие электрического соединения на молекулярном уровне.

Эта новая технология устраняет необходимость в физической настройке электродов для формирования молекулярных соединений — процесса, который долгое время ограничивал применение молекулярной электроники лабораторными экспериментами. С помощью атомных переключателей можно автоматически и одновременно создавать несколько молекулярных соединений, что открывает путь к надёжному и масштабируемому методу производства.

Эта разработка приближает создание сверхкомпактных и энергоэффективных устройств, в которых целые электронные схемы состоят из отдельных молекул.

Источник

Сообщение Созданы атомные переключатели для молекулярной электроники появились сначала на Время электроники.