МОЛЕКУЛЯРНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА:
ФАНТАСТИКА, СТАВШАЯ РЕАЛЬНОСТЬЮ
Около семи лет назад на страницах газеты «Наука в Сибири» была
опубликована статья д.ф.-м.н. Юрия КРИГЕРА
«Молекулярная
электроника — технология будущего» (№ 18, 1998 г.).
Если судить по тому, как
молекулярная электроника сегодня развивается и внедряется в
производство и быт — можно считать, что будущее наступило.
Автор публикации недавно возвратился из США,
куда был приглашен для работы научным консультантом в фирму
«Advanced Microdevices». Представляем читателям его новую статью,
посвященную современному состоянию и перспективам развития
молекулярной электроники.
В последнее время на древе молекулярной электроники появились
новые ответвления: микромолекулярная или наномолекулярная
электроника, нацеленная на достижение минимально допустимых
размеров электронных устройств, нанометрового или молекулярного
размера; макромолекулярная, ориентированная на создание
электронных макросхем с характерными размерами в десятки микрон.
Последняя включает в себя также и создание на основе молекулярных
материалов электролюминесцентных дисплеев, солнечных батарей,
фоточувствительных элементов, химических сенсоров и многого
другого. Наряду с основным названием — молекулярная
электроника — используются такие термины, как органическая, полимерная и даже
принтерная электроника. В последнем случае в названии сделан
акцент на то, каким образом формируется электронная схема, а
именно, ее печать посредством струйного принтера, где в качестве
чернил используются растворы тех или иных полимерных или
молекулярных соединений.
Если 10-15 лет назад молекулярная электроника только стала
появляться на порогах университетов, то сегодня, точнее с 2000
года, она внедряется в производственные и исследовательские
корпуса многих электронных компаний. Вхождение молекулярной
электроники в существующий технологический процесс, который
оттачивался десятилетиями, происходит не гладко. Многомиллиардная
долларовая электронная индустрия, основанная на полупроводниковой
технологии, в течение приблизительно 50 лет знала одномерную
дорожку — миниатюризацию. Не просто с нее свернуть. Тем не
менее, процесс необратим, и практически все крупные компании,
особенно работающие в секторе создания запоминающих устройств,
уже не представляют свое будущее без использования новых
эффектов, реализуемых на уровне отдельных молекул или их
ансамблей. В качестве примера можно привести наглядный план по
развитию и исследованию нового поколения элементов памяти
(см. рисунок) проводимый компанией «Infineon», дочерней компании
«Siemens», являющейся одним из мировых лидеров по производству
динамической памяти (DRAM). Подобные стратегические планы
развития и исследований имеют и другие гиганты электронной
индустрии, такие как «IBM», «Philips» и т.д. Ожидается, что
качественный скачок в технологии производства устройств
молекулярной электроники произойдет, когда будут разработаны и
освоены методы получения посредством самосборки молекулярных
пленок, а в будущем — соответствующих устройств. Фактор
самосборки является одним из ключевых при описании возможностей и
преимуществ новой технологии.
 |
|
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
|
