Группе исследователей из Германии, Японии и США удалось создать крошечный транзистор, собранный из единственной молекулы и десятка дополнительных атомов различных химических элементов. Чувствительность этого транзистора столь высока, что он может управлять потоком, состоящим из единичных электронов, и такая способность молекулярного транзистора открывает путь к разработке нового поколения различных наноматериалов и сверхминиатюризированной электроники.
Практически вся используемая людьми электроника состоит из крошечных “выключателей”, транзисторов, и для того, чтобы современные цифровые электронные устройства продолжали становиться все быстрее и экономичней, требуется уменьшение габаритных размеров транзисторов. Однако, размер кремниевых транзисторов невозможно сокращать до бесконечности. Диаметр одного атома кремния равен приблизительно половине нанометра, а в современных кремниевых транзисторах их электроды разделяет расстояние, равное диаметру 30 атомов. Но как только эти расстояния начнут исчисляться единицами атомов, транзисторы потеряют свою работоспособность поскольку электроны начнут самопроизвольно перемещаться между электродами за счет эффекта квантового туннелирования.
Структура молекулярного транзистора
Крошечные молекулярные транзисторы, созданные учеными, имеют намного меньшие размеры, нежели размеры транзисторов в процессорах наших компьютеров. Однако, при создании первых образцов молекулярных транзисторов ученые столкнулись с весьма тяжелой задачей. Поскольку такие транзисторы имеют очень малые размеры их включенное или выключенное состояние определяется местоположением одного единственного электрона. И лишь недавно вышеупомянутой группе ученых удалось добиться реализации высокоточного управления состоянием молекулярного транзистора, который стал способен контролировать движение через него единственных электронов.
В отличие от кремниевых транзисторов, молекулярные транзисторы строятся постепенно, собирая атомы будущей молекулы один за другим при помощи химических методов. С первого взгляда такой процесс кажется невероятно сложным и трудоемким, однако все используемые технологии обеспечивают достаточно высокую точность сборки и повторяемость результатов. И на основе этих технологий достаточно несложно будет разработать полностью автоматизированный технологический процесс, при помощи которого можно будет производить крошечные молекулярные транзисторы в сколь угодно больших количествах.
Для создания молекулярного транзистора ученые использовали туннельный сканирующий микроскоп (scanning tunneling microscope, STM). Заготовкой для будущего транзистора стал крошечный кристалл арсенида индия, на который в соответствующих местах были помещены 12 атомов индия, образовавших шестиугольную структуру. А “ядром” транзистора стала молекула фталоцианина, помещенная в центр шестиугольной структуры из атомов индия.
Центральная молекула очень слабо связана с поверхностью кристалла арсенида индия. Когда ученые подвели наконечник микроскопа к молекуле на определенное расстояние и подали на него электрический потенциал, то отдельные электроны начали “туннелироваться” с наконечника через молекулу на поверхность кристалла. Положительно заряженные ионы, окружающие молекулу, действуют как управляющий электрод, затвор транзистора, регулируя поток электронов, перемещающихся с наконечника микроскопа на кристалл.
Контролируя работу молекулярного транзистора, ученые заметили весьма необычный эффект. Оказывается, что центральная молекула не находится в статичном состоянии, она ориентируется в различных направлениях в зависимости от ее электрического заряда и положение молекулы имеет сильное влияние на поток электронов, протекающий через структуру молекулярного транзистора.
В настоящее время ученые исследуют работу созданного ими транзистора с целью лучшего понимания всех явлений, происходящих в процессе его работы. Если ученым удастся точно определить и описать математически зависимости проводимости транзистора от ориентации молекулы, то люди получат достаточно надежный метод регулирования электрического тока с невероятной точностью, с точностью до отдельных электронов. И это будет использовано для создания новых типов высокоэффективных полупроводников и наноматериалов, при помощи которых будут реализовываться технологии следующих поколений.
