МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА:
|
Символично, а может быть и закономерно или взаимообусловлено, что именно в 2000 году «за открытие и развитие электропроводящих полимеров» была присуждена Нобелевская премия американскому физику Алану Хигеру и химикам А. Макдиармиду (США) и Х. Ширакава (Япония). Мотивация присуждения премии «за высокий научный и практический уровень, достигнутый в этой области, а также за развитие междисциплинарных связей между химией и физикой».
Открытие Хигера, Макдиармида и Ширакава состоит в опровержении общепринятого мнения, что полимеры могут быть только изоляторами. Они показали, что при определенных условиях сопряженные полимеры (т.е. полимеры с чередующимися двойными, тройными и одинарными углеродными связями, хотя в действительности класс подобных соединений более широк), могут обладать проводимостью, близкой к металлической, а по существующим оценкам и значительно превышать проводимость металлов. Столь необычные свойства сопряженных полимеров и родственных им материалов в значительной мере обусловлены физикой одномерных систем, к коим они относятся.
Проводимость одномерных систем оказалась крайне чувствительна к структуре и зарядовому состоянию молекулярных блоков, из которых состоит полимер. Достаточно продопировать полимер ионами с концентрацией, составляющей тысячную долю, чтобы изменить его проводимость на 10 и более порядков. И это далеко не единственный способ управления проводимостью полимера. Высокая чувствительность макроскопической проводимости сопряженных полимеров к зарядовому состоянию и структурным особенностям молекулярных групп, входящих в состав полимера или его ближайшего окружения, является одним из способов считывания микроскопических свойств индивидуальных молекулярных групп или молекулярных образований. Таким образом, уникальные свойства сопряженных полимеров и родственных материалов, обладающих одномерной структурой, стали как бы связующим мостиком между микроскопическим миром индивидуальных свойств молекул и макромиром реально измеряемых физических свойств.
Не вдаваясь в детали, можно сказать, что именно модуляция проводимости сопряженного полимера как функционального материала является основой физического принципа функционирования основных компонентов электронных устройств, будь то транзистор или элемент памяти. Если с транзистором все было понятно с самого начала, то с элементом памяти было далеко не просто. Не было особого разночтения и в том, что в основе следующего поколения элементов памяти должны лежать свойства молекул или их ансамблей. Больше споров было вокруг того, какое физическое явление может лежать в основе физического принципа записи и считывания состояния молекулы или молекулярных ансамблей. Поначалу в качестве кандидатов рассматривались оптические, электрические и магнитные явления. Выбор выпал в пользу электрических явлений, а именно управления проводимостью посредством электрического поля. Таким образом, было признано, что как запись и стирание информации (посредством приложения электрического поля противоположной полярности), так и ее считывание (измерение проводимости) посредством электрических полей наиболее адекватно отвечает логике построения электронных схем, дает максимальную плотность в расположении элементов памяти и обеспечивает минимальный расход энергии. На рисунке показано, что эффект переключения проводимости является основным эффектом, на котором будут строиться элементы памяти нового поколения. Не менее важным обстоятельством является и то, что элементы памяти, основанные на модуляции проводимости, могут выполнять активную роль в построении электронных схем, в частности, использоваться в качестве синапса при построении нейрокомпьютера. Но это отдельная большая и серьезная тема.
Максимальная востребованность новой технологии лежит сегодня в секторе производства микросхем памяти. В настоящее время рынок устройств памяти занимает около 25 % рынка электронных микросхем. Ожидается, что в ближайшее десятилетие его доля возрастет до 80 %. Это связано с появлением в последнее десятилетие огромного количества новых устройств, вошедших в наш быт: сотовых телефонов, цифровых фотоаппаратов, видеокамер, цифровых диктофонов и аудиоплееров, спрос на которые продолжает неуклонно расти. Все они требуют энергонезависимой памяти, способной хранить данные при отключенном питании как можно дольше и при этом быть настолько быстрой, чтобы выполнять и функции DRAM. В последнее время все больше ощущается потребность также и в носителе информации повышенной надежности без движущихся частей, способном заменить «жесткий» диск, что позволит мгновенно загружать операционную систему компьютера и т.д.
Область применения микросхем памяти не ограничивается их использованием в устройствах, к которым мы привыкли. Молекулярная технология решает вопросы не только создания устройств нанометрового размера, но и создания макроэлектронных устройств. В частности, к ним можно отнести радиочастотные идентификационные устройства (Radio Frequency Identification Device, RFID), которые позволяют считывать данные об объекте бесконтактным методом, на расстоянии. Область применения RFID обширна: это маркировка денежных банкнот, почтовых марок и конвертов, товаров в магазине, что позволяет не только мгновенно просчитывать стоимость продуктов и товаров, находящихся в корзине покупателя, но и производить расчет по кредитной карточке, которую не надо вынимать из кармана. Все документы в офисе, книги в библиотеке могут быть оснащены устройством, хранящим необходимую информацию об объекте и позволяющим следить за его продвижением. Можно следить также за передвижением железнодорожных вагонов, автомобилей, животных и людей, конечно, если они того пожелают. Область потенциального применения RFID сдерживается сегодня лишь недостатком фантазии, и обещает широкий рынок сбыта. По данным различных маркетологов, рынок радиочастотных идентификационных устройств может составить фантастическую цифру в 1015 штук в год. Даже при цене $ 0,01, к которой стремится производство, это составляет баснословную сумму.
Другим не менее интересным, с моей точки зрения, продуктом макромолекулярной электроники с потенциально емким рынком, способным существенно изменить издательский процесс и информационный мир, может стать электронная книга. Сегодня электронную книгу можно представить состоящей лишь из двух гибких пластмассовых обложек, на внутренней стороне которых расположены один или два дисплея, а в толще обложек находятся массивы памяти и управляющие схемы. Первоклассник, получив такую электронную книгу в качестве учебника, может закончить по ней школу и еще пару университетов, а, кроме того, активно использовать ее для чтения на досуге.
Билл Гейтс в речи на своем 50-летии (28 октября) пошел дальше, давая прогноз развития информационных технологий. В частности, он подробно остановился на новых типах носителей информации и предсказал гибель бумажных носителей на фоне наступления эры беспроводного интернета. Газеты и журналы в нынешнем виде станут излишеством, так как интерактивная персонифицированная информация будет храниться и поступать на портативные устройства, представляющие собой гибкий пластмассовый дисплей толщиной с лист бумаги с интегрированными в него массивами памяти, управляющими и принимающими устройствами. Компьютеры будут интегрированы во все, что мы делаем, и станут почти невидимыми. Компьютер просто растворится в окружающей среде и будет намного дешевле, чем нынешний, убежден Гейтс.
Сейчас в отечественной науке уже не стоит вопрос о выживании, речь идет о выделении приоритетных направлений, ускорении внедрения и создания наукоемкой продукции, в частности, в области информационных технологий. Молекулярная электроника наряду с другими прорывными технологиями может сыграть при этом не последнюю роль. И это, как все новое, должно привлечь одаренную молодежь, в том числе уехавшую в зарубежье не только по причине отсутствия средств для достойного существования, но и из-за отсутствия возможности проявить себя на новых направлениях.
Можно ожидать, что с течением времени технологический процесс получения новых молекулярных материалов и их внедрения в действующее электронное устройство будет все тоньше и изящнее. Новые молекулярные устройства и новые области их применения будут появляться, как грибы после дождя, цена на них будет падать. Вытесняя привычную электронику, появятся новые всевозможные бытовые устройства, оснащенные памятью и интеллектом. И опять, как когда-то после изобретения книгопечатания Иоганном Гуттенбергом, мы входим в новую эпоху хранения, обмена и потребления информации. Очевидно, что именно молекулярная электроника во всех своих проявлениях и приложениях способна ответить на вызов времени, составить основу технологической базы, на которой будет базироваться информационная эпоха.
Осталось подождать самую малость, когда сбудется пророчество Билла Гейтса, и мы будем читать статьи об истории развития молекулярной электроники, поэзию Шекспира и Пушкина, детективы Конан Дойля и Донцовой на новом типе носителя информации, представляющем собой тонкий гибкий лист пластмассы. Осталось немного лишь дожить до всего этого великолепия, чего желаю себе и всем читателям.
стр. 6