Pretvaranje molekula u pouzdane elektroničke uređaje

Molekule su među najmanjim građevnim blokovima dostupnim za izradu uređaja sljedeće generacije. Njihova jedinstvena, prilagodljiva svojstva omogućuju obećavajuće primjene u novim računalnim, senzorskim, optičkim i kvantnim tehnologijama.

No integracija molekula u funkcionalne uređaje u velikim razmjerima i dalje predstavlja izazov, jer tradicionalni procesi proizvodnje poluvodiča mogu oštetiti male i krhke molekularne materijale.

Istraživači s MIT-a sada su razvili skalabilnu tehniku ​​izrade koja ugrađuje osjetljive molekularne materijale u elektroničke uređaje na čipu bez nanošenja štete.

Njihova metoda proširuje mogućnosti standardnih procesa proizvodnje poluvodiča kako bi se prilagodila molekulama. Istraživači prvo prethodno izrađuju komponente uređaja koristeći tradicionalne procese. Zatim uvode molekule i koriste nanoskalne površinske sile kako bi mehanički transformirali izrađeni uređaj, koji se sam sastavlja bez oštećenja molekula.

Tim je demonstrirao robusnost i skalabilnost svoje tehnike izradom više od 1000 uređaja koristeći molekularne slojeve veličine subnanometara.

„Naša platforma kombinira skalabilnost konvencionalne proizvodnje poluvodiča s preciznošću i kontrolom samosastavljanja. To uspostavlja novi okvir za izradu skalabilne, visokopropusne integracije novih nanoskalnih i kvantnih materijala, uključujući molekule, u funkcionalne uređaje s arhitekturama i mogućnostima koje su prije bile neizvedive“, kaže Farnaz Niroui, izvanredni profesor elektrotehnike i računarstva (EECS), član Istraživačkog laboratorija za elektroniku (RLE) i glavni autor novog rada objavljenog u časopisu Nature Nanotechnology.

Nakon što se integriraju u arhitekture uređaja, ove molekule mogle bi omogućiti elektroničke i računalne platforme sljedeće generacije, koje su manje, brže i prilagodljivije, kao i fotonske uređaje viših performansi i nove kvantne tehnologije.

Za izgradnju funkcionalnog sustava, molekularne građevne blokove potrebno je integrirati s drugim slojevima uređaja. U elektroničkim sustavima ključni je korak uspostavljanje električnih kontakata s molekulama spajanjem s metalnim površinama. Međutim, agresivne kemikalije i procesi potrebni za tradicionalnu proizvodnju čipova oštećuju ove krhke molekularne materijale, smanjujući pouzdanost i performanse.

Kako bi iskoristili skalabilnost standardnih tehnika izrade uz postizanje preciznosti potrebne za rukovanje molekulama, istraživači MIT-a razvili su odvojeni, dvostupanjski pristup.

Prvo izrađuju sve komponente uređaja koristeći standardnu ​​poluvodičku proizvodnju, a zatim naknadno ugrađuju molekularni materijal kako bi dovršili izgradnju uređaja.

U svojoj demonstraciji, istraživači su izradili nosač s dvije metalne elektrode odvojene precizno dimenzioniranim razmakom. Zatim su nanijeli molekularni sloj na površine elektroda.

Konačno, istraživači koriste nanoskalne sile kako bi nježno povukli gornju elektrodu na molekule, formirajući konačni uređaj na nerazorni način. To stvara samoporavnavajući, električni kontakt s molekulama bez oštećenja.

Pažljivim projektiranjem krutosti elektroda, kada otopina koja sadrži molekule ispari, kapilarne sile nježno povlače dvije metalne površine zajedno s molekulama između njih.

Nakon što su dvije elektrode na mjestu, istraživači ih moraju držati u stabilnom stanju. Da bi to učinili, oslanjaju se na drugu nanoskalnu silu poznatu kao van der Waalsova sila. Kontroliranjem površine uređaja i svojstava molekula, istraživači osiguravaju da će te sile biti dovoljno jake da drže elektrode u stabilnoj strukturi bez oštećenja molekula.

Koristili su ovu tehniku ​​za izradu više od 1000 uređaja s molekularnim slojevima debljine manje od 1 nanometara. Čak i u tako maloj mjeri, izrađeni čipovi sadržavali su visok prinos radnih uređaja, u prosjeku 96 posto. Robusni uređaji također su izdržali desetke tisuća električnih ciklusa bez ikakvih znakova degradacije.

Važno je napomenuti da ova svestrana tehnika omogućuje integraciju molekularnih uređaja na razini sklopova i sustava, pomičući područje izvan proučavanja izoliranih uređaja, kažu istraživači. To su demonstrirali izgradnjom međusobno povezanog niza molekularnih memorijskih uređaja koji bi mogli imati primjenu u računalnim platformama sljedeće generacije.

U budućnosti, istraživači žele graditi na ovoj platformi kako bi istražili i razvili nove klase višenamjenskih računalnih i senzorskih uređaja i sustava.