Диоды из молекул: МИФИ работает над микросхемами молекулярного размера

23.02.2024

Российские ученые продвинулись еще дальше в миниатюризации микроэлектроники. Результаты нового исследования НИЯУ МИФИ позволят создавать элементы микросхем молекулярного размера, а также делать компьютеры и гаджеты более продуктивными. Подробности — в интервью профессора кафедры физики конденсированных сред НИЯУ МИФИ Константина Катина.

— Константин, недавно вы опубликовали в научном журнале Nano Letters результаты исследования вольт-амперных характеристик органического нанослоя, содержащего ионы рутения. Объясните, пожалуйста, популярно, суть этой работы.

— Мы хотим доказать, что молекула, состоящая из иона металла и органических лиганд, может работать в качестве нанодиода, то есть пропускать электрический ток только в одном направлении. Ион металла играет роль «островка», который может временно принять электрон, переправляющийся с одного электрода на другой через плохо проводящий органический материал. Нужные свойства достигаются за счет того, что ион расположен не посередине молекулы, а сильно смещен к одному из ее краев. Это обеспечивает неодинаковую проводимость молекулы в разных направлениях.

Существует множество подходящих металлоорганических молекул. Самое трудное — это создать хороший контакт между молекулой и электродами. Нужно учитывать, что поверхность электрода не является совершенной на атомарном уровне – там всегда есть дефекты и неровности, поэтому невозможно контролировать способ ее соединения с молекулой. Однако структура соединения сильно меняет свойства самой молекулы: у нее нет «собственных» свойств, поскольку результаты любого измерения обязательно искажаются воздействием измерительного прибора, в нашем случае — присоединенного электрода.

— Как это связано с миниатюризацией электроники?

— Размеры транзисторов и других электронных компонентов экспоненциально уменьшаются уже несколько десятилетий подряд. В наше время размер самых маленьких образцов — несколько нанометров, что уже очень близко к молекулярным размерам. Дальнейшая миниатюризация предполагает, что в качестве электронных устройств будут использоваться отдельные молекулы небольшого и среднего размера. Пока такая «молекулярная электроника» не может массово применяться в промышленности: устройства получаются плохо воспроизводимыми из-за невозможности контролировать их структуру на атомарном уровне. Однако множество научных групп работают в этой области, изготавливая все более эффективные и разнообразные одномолекулярные устройства. Мы пытаемся создать и охарактеризовать одно из таких устройств — молекулярный диод.

— Каких успехов удалось достичь на сегодня?

— Нам удалось измерить вольт-амперную характеристику системы, в которой ток проходил через несколько молекул (от 3 до 10). Мы смогли измерить рост сопротивления цепочки молекул по мере увеличения ее длины. Полученные данные удалось объяснить на основе законов квантовой механики: рассчитанная нами на компьютере вольт-амперная характеристика совпала с измеренной. Это значит, что наши теоретические модели надежны, и их можно использовать для предсказания поведения многих аналогичных молекул, сокращая количество длительных и дорогостоящих экспериментов.

— Как миниатюризация микроэлектроники связана с производительностью компьютеров?

— Миниатюрные устройства обеспечивают гораздо лучшее быстродействие и огромную экономию энергии. Мощные компьютеры, собранные из молекулярных компонентов, смогут анализировать гораздо больше данных.

— Какие новые возможности для науки откроют миниатюрные мощные компьютеры будущего?

— В молекулярном моделировании, которым я занимаюсь, можно ожидать настоящей революции. Мы наконец-то сможем точно предсказывать свойства новых молекул и материалов, а также «прогонять» через компьютер огромное число гипотетических соединений, чтобы отобрать из них настоящие «жемчужины». Такими «жемчужинами» в первую очередь станут новые эффективные лекарства, а также материалы с новыми свойствами, которые решат главные современные проблемы, включая утилизацию мусора, эффективное преобразование солнечной энергии, создание экологически безопасного топлива и реализацию искусственного фотосинтеза.