Молекулярний мікрочіп вже майже працює

Перстень-макроцикл не пов’язаний з основною частиною молекули [2] -ротаксана хімічними зв’язками і може займати два положення — «вкл». (малюнок з сайту www.ucla.edu)

У Каліфорнії створено прототип мікросхеми пам’яті з щільністю запису близько 100 гігабіт на квадратний сантиметр — приблизно в 40 разів вище, ніж у вироблених нині аналогів. Носіями інформації в ній служать молекули органічного з’єднання [2] -ротаксана, здатні перемикатися між двома стабільними станами. Мікросхема більш ніж на десятиліття випереджає передбачення закону Мура, згідно з яким такий ступінь мініатюризації запам’ятовуючих пристроїв може бути досягнутий тільки до 2020 року.

Кремнієві інтегральні мікросхеми вже досить близько підійшли до межі своїх можливостей як за мінімальним розміром елементів (наприклад, комірок пам’яті), так і за кількістю елементів в одному кристалі. Тому зараз ведуться активні пошуки матеріалів, які могли б послужити основою для значно більш компактної молекулярної електроніки. В ідеалі, кожну молекулу такої речовини можна було б використовувати як окремий перемикач, що зберігає один біт інформації.

Позитивно заряджене макроциклічне з’єднання (зображено синім кольором) «сидить» на тетратіафульваленовому (TTF) фрагменті (зелений) в зоні мінімальної провідності — еквівалент «нуля» логічного електронного елемента. При окисленні TTF цей фрагмент купує позитивний заряд, кільце макроцикла відштовхується і переміщується «вниз» до діоксинафталінового фрагмента (червоний). У цьому стані провідність молекулярного приладу максимальна — відповідає «одиниці» логічного елемента (малюнок з сайту pubs.rsc.org)

Одним з класів молекул, здатних на це, стали [2] -ротаксани, створені дослідницькою групою під керівництвом Джеймса Хіта (James Heath) з Каліфорнійського технологічного інституту і Фрейзера Стоддарта (Fraser Stoddart), директора Інституту наносистем Каліфорнійського університету в Лос-Анджелесі. Дослідження вже вийшли на стадію розробки технологій: в останньому номері журналу Nature опублікована стаття про працюючий чіпе молекулярної пам’яті об’ємом 160 000 біт.

Ротаксани (rotaxane) складаються з двох компонентів, хімічний зв’язок між якими відсутній. Перший компонент ротаксана — довга гантелеобразна молекула, будова якої лінійно, другий компонент — макроциклічна сполука, що охоплює тонкий стрижневий фрагмент молекулярної гантелі. При цьому об’ємні заступники на кінцях гантелі грають роль своєрідних заглушок і не дають макроциклу зісковзнути зі стрижня, залишаючи для нього можливість руху тільки вздовж осі молекулярної гантелі. А те, що один з кінців гантелі гідрофільний, а другий гідрофобний, дозволяє отримувати з ротоксанів одномолекулярні плівки, в яких всі молекули однаково орієнтовані.

[2] -ротаксан (two-state rotaxane), який використовують каліфорнійські вчені, має у своїй структурі позитивно заряджене кільце, яке може фіксуватися міжмолекулярними взаємодіями у двох різних позиціях. Одна з цих позицій відповідає «нулю», а інша — «одиниці».

У звичайному (закритому, непровідному) стані, відповідному «нулю», кільце зв’язується з тетратіафульваленовою групою. Окислення тетратіафульвалену призводить до появи на фрагменті TTF позитивного заряду (через відбір електронів), і позитивно заряджене макроциклічне з’єднання відштовхується до другої позиції, в якій провідність ротаксана максимальна. Цей стан електронного приладу відповідає логічній «одиниці».

Група Хіта і Стоддарта розмістила монослой молекул [2] — ротаксана між 400 кремнієвими і 400 титановими нанопроводами. Крок решітки становить близько 30 нанометрів (15 нм ширина дроту і стільки ж — відстань між сусідніми проводами). У кожній точці перетину між кремнієм і титаном локалізовано близько 100 молекул, здатних реагувати на електричні сигнали. Подаючи напругу на один горизонтальний і один вертикальний дріт, можна прочитати або записати один біт інформації. При цьому кожен з 400 ст.1400 = 160 000 бітів може функціонувати незалежно від інших.

Таким чином, створено працюючий прототип молекулярного чіпа, здатного зберігати близько 20 кілобайт інформації на площі в 100 разів менше, ніж зріз людської волосини.

Правда, це все-таки тільки прототип. Підвести до нанопроводів зовнішні контакти виявилося складніше, ніж створити самі дроти (для чого була використана оригінальна технологія гравіювання), тому поки реально функціонує тільки невелика ділянка мікросхеми — 10 ″ 18 біт ″. Через обмеження нанотехнології спрацювала всього половина протестованих битів, і тільки з половини з них вдалося вважати записану інформацію. Нарешті, молекули [2] -ротаксана поки витримують лише кілька циклів запису, після чого «виходять з ладу».

а. Молекулярний мікрочіп завширшки 30 мкм у процесі виготовлення. Нижній шар, що складається з кремнієвих нанопроводів, готовий, і до нього підведені електроди (праворуч). Залишилося покласти шар молекул [2] -ротаксана і нанести зверху шар титанових нанопроводів, електроди для якого вже підготовлені (зліва). b. Одна зі стадій виготовлення мікрочіпа: до кремнієвих нанопроводів підведені електроди. Кожен з них має ширину близько 70 нм і стосується 2 або 3 нанопроводів шириною 15 нм кожен (зображення з додаткових матеріалів до статті в Nature)

Каліфорнійські вчені впевнені, що всі ці труднощі будуть подолані, хоча і не беруться назвати конкретні терміни. У будь-якому випадку, вже можна стверджувати, що поставлений новий рекорд щільності запису даних і продемонстрована можливість створення молекулярних мікросхем, придатних для практичного застосування. Недарма одному з авторів дослідження, Фрейзеру Стоддарту, за заслуги в галузі хімії і нанотехнології місяць тому англійська королева завітала на лицарський титул (knight bachelor). Сер Стоддарт поповнив список учених-лицарів поряд з нобелівськими лауреатами Олександром Флемінгом (Alexander Fleming), Олександром Тоддом (Alexander Todd) і Харольдом Крото (Harold Kroto).

Джерела:

1) Chemical computing creates world’s densest data storage medium, RSC, 24.01.2007.

2) Philip Ball. A switch in Time (Pdf, 400 Кб) // Nature. 2007. V. 445, P. 362–363.

3) Jonathan E. Green, Jang Wook Choi, Akram Boukai, Yuri Bunimovich, Ezekiel Johnston-Halperin, Erica DeIonno, Yi Luo, Bonnie A. Sheriff, Ke Xu, Young Shik Shin, Hsian-Rong Tseng, J. Fraser Stoddart, James R. Heath. A 160-kilobit molecular electronic memory patterned at 10¹¹ bits per square centimeter (полный текст — Pdf, 900 Кб) // Nature. 2007. V. 445, P. 414–417.

Аркадій Курамшин