Zmenšovanie tranzistorov celé desaťročia poháňalo rast výpočtového výkonu, no dnes sa tento prístup dostáva na fyzikálne aj ekonomické hranice. Najmodernejšie čipy ako Apple A17 Pro či M4, vyrábané trojnanometrovým procesom v továrňach TSMC, už pracujú s tranzistormi, ktorých dĺžka hradla klesla pod pätnásť nanometrov, upozorňuje Interesting Engieering.

V tomto meradle sa správanie elektrónov prestáva dať krotiť klasickou polovodičovou fyzikou. Elektróny začínajú kvantovo tunelovať cez bariéry, ktoré ich mali zadržať, takže prúd preteká aj vtedy, keď je tranzistor vypnutý.

Výsledkom sú energetické straty, nadbytočné teplo a fakt, že každá ďalšia generácia prináša čoraz menší nárast efektivity. K tomu sa pridáva realita výroby, keď výstavba modernej fabriky na trojnanometrové čipy presahuje dvadsať miliárd dolárov.

Molekuly ako aktívne súčiastky

Práve tieto limity znovu oživili záujem o myšlienku, ktorá znie skôr ako sci-fi než ako inžiniersky plán. Ide o využitie jednotlivých molekúl ako aktívnych elektronických súčiastok. Na molekulárnej úrovni totiž elektróny prirodzene pretekajú jedným smerom ľahšie než opačným, čo otvára možnosť, aby jediná molekula fungovala ako miniatúrna dióda alebo iný funkčný prvok.

Tento koncept položil základy celého výskumného odboru, no dlhé roky narážal na praktické problémy. Manipulovať a spoľahlivo merať objekty veľké približne jeden nanometer bolo nad možnosti dostupných nástrojov. Až desaťročia technologického vývoja priniesli metódy, ktoré umožňujú opakovateľné a presné experimenty.

Nové poznatky naznačujú, že molekulárna elektronika dnes zahŕňa nielen spôsoby výroby, ale aj konkrétne funkčné zariadenia a stratégie, ako ich integrovať do väčších celkov.

Teoretické hustoty dosahujú hodnoty okolo sto biliónov prvkov na štvorcový centimeter, čo je približne tisícnásobok oproti dnešným kremíkovým čipom. Takéto čísla sú možné preto, že tu už nejde o klasický tok náboja v spojitom materiáli. Elektróny prechádzajú molekulárnym spojom kvantovým tunelovaním a vodivosť prudko klesá s rastúcou dĺžkou molekuly. Čím je molekula dlhšia, tým menší prúd prenesie.

Zásadnú úlohu zohráva kvantová interferencia. V molekulách založených na benzénovom kruhu môžu elektróny prechádzať viacerými dráhami naraz. Ak sa tieto dráhy posilňujú, vodivosť výrazne narastie. Ak sa naopak navzájom rušia, prúd sa zníži o celé rády. Záleží pritom na tom, kde sú elektródy pripojené k molekule. Takéto správanie nemá v klasických polovodičoch obdobu a dáva vedcom do rúk nový spôsob riadenia elektrických vlastností na úplne základnej úrovni.

3D molekulárna elektronika

Samotná tvorba molekulárnych spojov vyžaduje elektródy vzdialené menej než tri nanometre. Existujú statické usporiadania s pevnou medzerou, vytvorenou napríklad kontrolovaným pretrhnutím kovového vodiča alebo kontaktom samousporiadaných molekulárnych vrstiev s tekutými kovmi. Uhlíkové elektródy môžu zlepšiť stabilitu a kontakt.

The Wafers World

Dynamické metódy naopak spoje opakovane vytvárajú a prerušujú, aby sa nazbieralo veľké množstvo dát. Mechanicky ovládané prerušované spoje, varianty využívajúce skenovací tunelovací mikroskop či systémy založené na mikromechanike dokážu automatizovať tisíce cyklov. Z nameraných hodnôt potom vznikajú štatistické rozdelenia, ktoré odhaľujú typickú vodivosť jednotlivých molekúl.

Čoraz viac sa uvažuje aj o trojrozmernej molekulárnej elektronike. Vrstvy molekúl by sa mohli ukladať nad seba a prepájať vertikálnymi kanálmi prechádzajúcimi kremíkom, zatiaľ čo horizontálne vedenia by tvorili kovy ako meď či ruténium. Jednou z najväčších prekážok zostáva teplo. Organické molekuly sa rozkladajú pri teplotách nad dvesto stupňov Celzia, zatiaľ čo bežné výrobné procesy čipov pracujú pri oveľa vyšších teplotách. Riešením môže byť pridávanie molekulárnych vrstiev až v úplne záverečných krokoch výroby.

Presné umiestňovanie molekúl umožňujú aj techniky založené na DNA origami, kde sa molekuly DNA skladajú do nanoskopických tvarov slúžiacich ako šablóny. Prvé praktické aplikácie už naznačujú potenciál. Molekulárne memristory môžu napodobňovať synaptické správanie mozgu a otvárať cestu k neuromorfnému počítaniu.

Čítajte viac z kategórie: Novinky