NANOELEKTRONIKA
Niewiarygodnie
ma"e
obwody
NAUKOWCY STWORZYLI JU
NANOTRANZYSTORY I NANODRUTY.
TRZEBA JESZCZE ZNALEŁ SPOSÓB,
JAK JE POŃCZY
CHARLES M. LIEBER
NANODRUTY, kaŻdy o Ęrednicy 5 10 nm, mogą sta si przysz"oĘcią
elektroniki. Wykonane z fosforku indu i po"ączone ze z"otymi elektroda-
mi są na zdjciu widoczne w postaci brązowych linii. Druty mają bardzo
róŻne zastosowania pe"nią funkcje pamici, elementów logicznych
oraz wykorzystane są w macierzy diod elektroluminescencyjnych.
LISTOPAD 2001 WIAT NAUKI 49
Czy naprawd potrzebujemy coraz mniej- nia sygna"y. W mikroelektronice tranzystory są wykony-
szych obwodów elektronicznych? Nieustanna miniatury- wane z pó"przewodników materia"ów takich jak domiesz-
zacja uk"adów krzemowych wydaje si nam tak oczywista, kowany krzem, który pod wp"ywem zewntrznych czyn-
Że pytanie to stawiamy rzadko moŻe tylko wtedy, kiedy ników przewodzi prąd lub go nie przewodzi. W przypad-
wychodząc ze sklepu z nowym komputerem, mamy wraŻenie, ku nanoelektroniki rol tranzystorów mogą przeją cząstecz-
Że jest juŻ z lekka przestarza"y. Najbardziej zaawansowane ki związków organicznych lub nieorganiczne struktury o roz-
mikroprocesory zawierają dziĘ przesz"o 40 mln tranzysto- miarach nanometrów.
rów; do roku 2015 liczba ta moŻe wzrosną nawet do 5 mld. Kolejny poziom organizacji to po"ączenia midzy elemen-
Jednak w ciągu nastpnych 20 lat w tym szybkim marszu tami druty , które są niezbdne, aby tranzystory mog"y
napotkamy ograniczenia naukowe, techniczne i ekonomicz- wspólnie realizowa operacje arytmetyczne i logiczne. W mi-
ne. W takim razie co dalej? CzyŻby 5 mld tranzystorów nie kroelektronice rol po"ączeł spe"niają metalowe ĘcieŻki o sze-
wystarcza"o? rokoĘci od kilkuset nanometrów do kilkudziesiciu mikrome-
Pokonywanie barier leŻy w ludzkiej naturze. Tych, którzy trów, osadzane na krzemie. W nanoelektronice funkcj t
pracują nad udoskonalaniem komputerów, motywuje z pew- mogą spe"nia nanorurki lub inne przewodniki o Ęrednicy
noĘcią moŻliwoĘ odkrywania i podboju nowych obszarów nanometra.
Zanim w chemii, fizyce i inŻynierii nastąpi" ogromny postp,
zastosowanie moleku" w elementach elektronicznych
nie wykracza"o poza ramy teorii.
wiedzy i techniki. Dostrzega si teŻ szans rewolucji w me- NajwyŻszy poziom nazywany przez inŻynierów archi-
dycynie i innych dziedzinach wszdzie, gdzie miniaturyza- tekturą to po"ączenie tranzystorów w bloki funkcjonalne,
cja pozwoli na interakcj ludzi i maszyn w sposób, który dziĘ które moŻna wykorzysta w komputerze lub innym syste-
nie jest moŻliwy. mie, zapominając o szczegó"ach ich budowy. W nanoelek-
Jak sugeruje sama nazwa mikroelektronika zajmuje si tronice nie osiągnito jeszcze poziomu pozwalającego testo-
obwodami, których elementy mają krytyczne wymiary rz- wa róŻne typy architektury, ale badacze są Ęwiadomi moŻ-
du mikrometra (chociaŻ ostatnio skurczy"y si one nawet do liwych do wykorzystania zalet i niedogodnoĘci, które trzeba
100 nm). Aby przekroczy t granic, trzeba czegoĘ wicej ominą.
niŻ tylko zmniejszenia rozmiarów 10 1000 razy. NaleŻy zmie- Krótko mówiąc, trudno o wiksze róŻnice niŻ te pomidzy
ni sposób myĘlenia o "ączeniu elementów. mikroelektroniką i nanoelektroniką. Wielu ekspertów uwa-
Zarówno mikroelektronika, jak i nanoelektronika odnoszą Ża, Że wraz ze skalą zmieni si ca"kowicie sposób wytwarza-
si do trzech poziomów organizacji. Podstawową cegie"ką nia z tego, który moŻna okreĘli jako z góry na dó" , na
jest tranzystor lub jego odpowiednik w nanoskali prze"ącz- z do"u do góry . Aby dziĘ uzyska krzemowy uk"ad scalony,
nik, który w"ącza i wy"ącza prąd elektryczny czy teŻ wzmac- trzeba techniką fotograficzną, zwaną litografią, nanieĘ na
kryszta" krzemu uk"ad po"ączeł i usuną zbdny materia",
wytrawiając go w roztworze kwasów lub plazmą. Przy takiej
procedurze nie osiąga si precyzji wymaganej dla elemen-
Przegląd / Nanoelektronika
tów o rozmiarach nanometrów. Przeciwnie naukowcy wy-
Uk"ady krzemowe, p"ytki drukowane, lutownice to we
twarzają sk"adniki nanostruktur metodami chemicznymi
wspó"czesnej elektronice charakterystyczne elementy. Ale elektronika
w iloĘciach molowych (6 1023 sztuk), a nastpnie wykorzy-
przysz"oĘci moŻe by znacznie bliŻsza chemii. Techniki
stują czĘ z nich do budowy coraz wikszych ca"oĘci. Do-
konwencjonalne pozwolą tylko do pewnego stopnia zmniejsza
tychczasowy postp robi duŻe wraŻenie. Ale jeŻeli badania
rozmiary obwodów inŻynierowie juŻ wkrótce bdą musieli
porówna do wyprawy na Mount Everest, to na razie co naj-
ca"kowicie nowymi metodami projektowa i realizowa obwody.
wyŻej za"oŻyliĘmy baz.
Pewnego dnia moŻe si okaza, Że nasz komputer powsta" w zlewce.
Naukowcy stworzyli juŻ elementy elektroniczne w skali
Coraz mniejsze maszyny
nanometrowej tranzystory, diody, przekaęniki, bramki logiczne
ZASTOSOWANIE MOLEKU w elementach elektronicznych zapro-
korzystając z cząsteczek organicznych, nanorurek wglowych
i pó"przewodnikowych nanodrutów. Obecnie g"ówny problem ponowali z górą wier wieku temu Avi Aviram z IBM i Mark
polega na tym, aby nauczy si "ączy te niezwykle ma"e elementy.
A. Ratner z Northwestern University. W wizjonerskim artyku-
W przeciwiełstwie do uk"adów konwencjonalnych, których
le przepowiadali, Że dobierając odpowiednią struktur cząste-
wytwarzanie rozpoczyna si od opracowania masek
czek organicznych, bdzie moŻna uzyska elementy przypo-
umoŻliwiających fotograficzne przenoszenie schematu po"ączeł,
minające swym dzia"aniem tranzystor. Do niedawna ich idee,
punktem wyjĘcia do uzyskania nanoobwodu bdzie uk"ad scalony
zanim w chemii, fizyce i inŻynierii nastąpi" ogromny postp,
zawierający przypadkową mieszanin nawet 1024 elementów
nie wykracza"y poza ramy teorii.
i po"ączeł, nie wszystkich dzia"ających który trzeba bdzie
SpoĘród wszystkich grup, które wcielają w Życie idee Avi-
stopniowo przekszta"ca w uŻyteczny podzespó".
rama i Ratnera, przodują dwie pierwsza utworzona przez
50 WIAT NAUKI LISTOPAD 2001
ZDJóCIE: FELICE FRANKEL, POMOC TECHNICZNA YU HUANG
Harvard University (strona 48)
NANOTRANZYSTORY
ROTAKSAN
BENZENOTIOL
TRANZYSTORY MOLEKULARNE
mogą sta si elementarnymi
cegie"kami do budowy
uk"adów elektronicznych
w skali nanometrowej.
KaŻda z przedstawionych tu
dwu cząsteczek moŻe
WYŃCZONY
przewodzi prąd elektryczny
niczym malutki drucik, WYŃCZONY
jeŻeli tylko w wyniku
reakcji utlenianie redukcja
WŃCZONY
zmieni si konfiguracja
WŃCZONY
atomów, powodując
w"ączenie cząsteczki.
Na rysunku kaŻdy odcinek
oznacza wiązanie
chemiczne, w miejscu
zetknicia dwóch odcinków DODATKOWY
ELEKTRON
znajduje si atom wgla. KaŻda
kulka to atom inny niŻ wgiel.
University of California w Los Angeles (UCLA) i firm Hew- Mój zespó" z Harvard University jest jednym z kilku, które
lett-Packard i druga przez uniwersytety Yale, Rice i Pennsyl- nie zajmują si cząsteczkami organicznymi, lecz d"ugimi,
vania State. W minionym roku obydwa zespo"y wykaza"y, iŻ cienkimi nieorganicznymi drutami. Najlepszym przyk"adem
tysiące po"ączonych ze sobą moleku" mogą przewodzi prąd są nanorurki wglowe, których typowa Ęrednica wynosi oko-
elektryczny pomidzy metalowymi elektrodami. KaŻda z czą- "o 1.4 nm [patrz: Philip G. Collins i Phaedon Avouris Nano-
steczek ma oko"o 0.5 nm szerokoĘci i co najmniej 1 nm d"u- rurki w elektronice ; wiat Nauki, luty 2001]. Druty o nano-
goĘci. Obydwa zespo"y wykaza"y teŻ, Że klastry cząsteczek metrowych Ęrednicach nie tylko przewodzą prąd o wikszym
mogą zachowywa si jak w"ączniki i zosta zastosowane natŻeniu, w stosunku do liczby atomów, niŻ metal, ale mo-
w pamiciach komputerowych; w"ączone nie zmieniają sta- gą teŻ dzia"a jak ma"e tranzystory. W ten sposób rozwiązu-
nu przez oko"o 10 min [patrz: Mark A. Reed i James M. Tour jemy jednoczeĘnie dwa problemy. RównieŻ zasady dzia"ania
Obliczenia molekularne w elektronice ; wiat Nauki, wrze- takie same jak standardowych elementów krzemowych
sieł 2000]. Na pozór uzyskany czas nie jest imponujący, ale u"atwiają pos"ugiwanie si tymi nanoobiektami.
przecieŻ pami RAM komputera traci zawartoĘ natych- W 1997 roku zespo"y Ceesa Dekkera z Politechniki w Delft
miast po wy"ączeniu zasilania. Nawet jeŻeli komputer jest w Holandii oraz Paula L. McEuena, wówczas pracującego
w"ączony, dane przechowywane w pamici zanikają i trzeba w University of California w Berkeley, niezaleŻnie od siebie
je odĘwieŻa mniej wicej co 0.1 s. poinformowa"y o uzyskaniu bardzo czu"ych tranzystorów wy-
Mimo róŻnic w szczegó"ach mechanizmów prze"ącza- konanych z nanorurek wglowych o przewodnictwie metalicz-
nia w przypadku obydwu cząsteczek sądzi si, Że u jego pod- nym. MoŻna by"o je w"ącza i wy"ącza, uŻywając zaledwie
staw leŻy szeroko znany w chemii schemat utlenianie reduk- jednego elektronu, ale tylko w bardzo niskiej temperaturze.
cja, który polega na przemieszczaniu elektronów pomidzy W lipcu br. zespó" Dekkera doniós", Że zdo"a" pokona to
atomami w obrbie cząsteczki. W wyniku reakcji nastpuje
skrcenie cząsteczki, co blokuje przep"yw elektronów, po-
CHARLES M. LIEBER w dzieciłstwie spdzi" wiele czasu, budując
dobnie jak zgicie wŻa ogrodniczego powstrzymuje prze-
i rozbierając sprzt stereo oraz modele samochodów i samolotów.
p"yw wody [ilustracja powyŻej]. W pozycji w"ączone czą-
Obecnie jest profesorem chemii w Harvard University, gdzie kieruje ze-
steczka przewodzi prąd tysiąc razy lepiej niŻ w pozycji
spo"em 25 studentów, doktorantów i doktorów, którzy zajmują si
wy"ączone . To na razie niewiele w porównaniu z tranzy-
naukowymi i technologicznymi aspektami obiektów w nanoskali. Nie-
storami, w których przewodnictwo zmienia si milion razy.
dawno Lieber za"oŻy" wraz z Larrym Bockiem pracującym w CW Ven-
Obecnie naukowcy poszukują innych cząsteczek o lepszych
tures i Hongkun Park z Harvard University firm NanoSys, Inc. DąŻą,
w"aĘciwoĘciach prze"ączających, a takŻe próbują zrozumie
bagatela, do zrewolucjonizowania takich dziedzin, jak detekcja che-
istot samego procesu. miczna i biologiczna, elektronika, optoelektronika i zapis danych.
LISTOPAD 2001 WIAT NAUKI 51
O AUTORZE
SLIM FILMS
ograniczenie. Naukowcy, korzystając z mikroskopu si" ato- w jednym kierunku. Moja grupa zademonstrowa"a ca"kowi-
mowych, zbudowali dzia"ający w temperaturze pokojowej cie inne rozwiązanie wykonany w nanoskali przekaęnik
tranzystor prze"ączany za pomocą jednego elektronu. Dek- elektromechaniczny.
ker i jego wspó"pracownicy stworzyli teŻ z nanorurek bar-
dziej konwencjonalny tranzystor polowy podstawową ce- Gorące druty
gie"k wikszoĘci wspó"czesnych cyfrowych uk"adów sca- PODSTAWOWY PROBLEM z nanorurkami polega na tym, Że trud-
lonych. Zespó" McEuena po"ączy" nanorurki metaliczne i pó"- no je uzyska w postaci jednorodnej. PoniewaŻ niewielka mo-
przewodzące, uzyskując diod przepuszczającą prąd tylko dyfikacja Ęrednicy moŻe spowodowa przejĘcie z odmiany
Obliczenia
POJEDYNCZY
z wykorzystaniem DNA
AĄCUCH DNA
PYTKA
DLACZEGO OGRANICZA SIó DO ELEKTRONIKI? Wysi"ki
KRZEMOWA
zmierzające do zmniejszenia rozmiarów komputerów
wiąŻą si z za"oŻeniem, Że bdą one dzia"a na tych
samych zasadach jak dziĘ, przesy"ając sygna"y w postaci 1
Pojedyncze "ałcuchy DNA są przytwierdzane do p"ytki
krzemowej. Zakodowano w nich wszystkie moŻliwe
elektronów i przetwarzając je za pomocą tranzystorów.
wartoĘci zmiennych w równaniu, które ma by rozwiązane.
Ale komputer w nanoskali moŻe funkcjonowa wed"ug
ca"kiem innych regu". Jedną z najbardziej ekscytujących
moŻliwoĘci jest wykorzystanie noĘnika informacji
AĄCUCH
KOMPLEMENTARNY
Żywych organizmów DNA.
Ta podstawowa dla Życia cząsteczka moŻe przechowywa
ROZWIŃZANIE
ROZWIŃZANIE
POPRAWNE
BóDNE
olbrzymie iloĘci danych w postaci sekwencji czterech
zasad (adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny), a enzymy
potrafią manipulowa danymi w sposób wysoce równoleg"y.
Ogromne, wynikające stąd moŻliwoĘci pierwszy zauwaŻy"
2
Na powierzchni p"ytki wylewany jest roztwór
w 1994 roku informatyk Leonard M. Adleman.
zawierający "ałcuchy komplementarne, w których
Wykaza" on, Że komputer oparty na cząsteczkach DNA
zakodowano pierwszy warunek, jaki musi spe"ni
moŻe rozwiąza pewne zadanie szczególnie trudne
rozwiązanie równania. Nowe "ałcuchy do"ączają si
dla zwyk"ych komputerów zagadnienie drogi Hamiltona,
do tych spoĘród obecnych wczeĘniej, które spe"niają
związane ze s"ynnym problemem komiwojaŻera
Żądany warunek. ałcuchy zawierające niepoprawne
[patrz: Leonard M. Adleman DNA
rozwiązania pozostają pojedyncze.
komputerem ; wiat Nauki, paędziernik 1998].
Adleman zaczą" eksperyment od przygotowania
roztworu DNA. W pojedynczych cząsteczkach tego kwasu
ENZYM
zakodowa" wszystkie moŻliwe drogi pomidzy dwoma
punktami. W kolejnych krokach polegających
na separacji i wzmacnianiu Adleman eliminowa"
rozwiązania nie spe"niające wymagał na przyk"ad te,
3
Enzym usuwa wszystkie pojedyncze "ałcuchy.
które zawiera"y niedozwolone punkty aŻ do chwili,
kiedy pozosta"a poprawna trasa. Nieco póęniej zespó"
Lloyda M. Smitha z University of Wisconsin-Madison
zaimplementowa" podobny algorytm, wykorzystując
bioczujniki DNA, które lepiej nadają si do realizacji
praktycznych obliczeł (ilustracja obok).
Pomimo zalet DNA, umoŻliwiających rozwiązywanie
4
Nastpnie od"ącza "ałcuchy komplementarne.
zagadnieł nierozwiązywalnych innymi metodami,
Ca"a operacja jest powtarzana z kolejnymi warunkami,
trzeba pokona liczne trudnoĘci, na przyk"ad wyeliminowa
które ma spe"nia rozwiązanie równania.
czste przypadkowe b"dy wynikające z niedopasowania
pomidzy parą zasad oraz zmniejszy liczb cząsteczek tego
kwasu, których potrzeba ogromnie duŻo, nawet w przypadku
prostych zadał. By moŻe obliczenia z wykorzystaniem DNA
uda si w przysz"oĘci po"ączy z innymi nurtami
5
ałcuch DNA, który przetrwa kolejne operacje tego
nanoelektroniki, wykorzystując moŻliwoĘci integracji
typu, zawiera poszukiwane rozwiązanie równania.
i zdolnoĘci detekcyjne nanodrutów i nanorurek.
52 WIAT NAUKI LISTOPAD 2001
BRYAN CHRISTIE
Wkrótce nanoelementy mogą znaleę praktyczne zastosowania
na przyk"ad jako ultraczu"e detektory do wykrywania
róŻnorodnych cząsteczek gazów i związków organicznych.
przewodzącej w pó"przewodzącą, to nawet duŻa partia nano- Po drugie, gdy elementy bdą juŻ po"ączone z nanodruta-
rurek moŻe zawiera ma"o dzia"ających elementów. W kwiet- mi, trzeba z nich u"oŻy pewną dwuwymiarową siatk. W ra-
niu tego roku Phaedon Avouris i jego wspó"pracownicy z IBM porcie opublikowanym na początku roku cz"onkowie mojego
Thomas J. Watson Research Center znaleęli na to sposób. Mie- zespo"u, Duan i Yu Huang, opisali prze"omowe osiągnicie
szanin rurek przewodzących i pó"przewodzących umieĘcili po- zdo"ali zbudowa nanoobwody, wykorzystując przep"yw cie-
midzy dwiema metalowymi elektrodami i przepuĘcili przez czy. Podobnie jak rzeka unosi z nurtem pnie i k"ody, tak za
nie prąd. Dziki temu zdo"ali selektywnie wypali rurki prze- pomocą p"ynu moŻna u"oŻy równolegle nanodruty. W na-
wodzące pozosta"y tylko te, które by"y pó"przewodnikami. szym laboratorium zastosowaliĘmy etanol i inne roztwory,
Rozwiązanie to nie jest idealne, poniewaŻ trzeba skorzysta a przep"yw cieczy kontrolowaliĘmy za pomocą kana"ów w po-
z konwencjonalnej litografii, aby po"ączy ze sobą przypad- limerowych klockach, które moŻna "atwo umieĘci na pod-
kowo roz"oŻone nanorurki i zbada oraz zmodyfikowa kaŻ- "oŻu, tam, gdzie chcemy zmontowa obwód.
dy z elementów, których mogą by nawet miliardy. W procesie tworzą si po"ączenia w kierunku przep"ywu:
Mój zespó" pracuje nad innym typem drutu w nanoska- kiedy ciecz p"ynie w jednym kanale, otrzymujemy nanodru-
li, który nazywamy nanodrutem pó"przewodnikowym. Ma ty równoleg"e. Aby uzyska po"ączenia w innych kierunkach,
on mniej wicej taką samą Ęrednic, jak nanorurka wglo- zmieniamy kierunek przep"ywu i powtarzamy proces, wytwa-
wa, ale jego sk"ad "atwiej jest precyzyjnie kontrolowa. Aby rzając kolejne warstwy nanodrutów. Na przyk"ad aby uzy-
wyhodowa takie obiekty, korzystamy z metalicznego kata- ska prostokątną sie, obracamy kierunek przep"ywu
lizatora, który okreĘla Ęrednic powstającego drutu i wy- o 90 i nak"adamy nastpną warstw. Zmieniając sk"ad dru-
znacza miejsce, gdzie chtnie zbierają si cząsteczki two- tów w róŻnych warstwach, moŻemy "atwo uzyska sie na-
rzące Żądany materia". W trakcie wzrostu nanodrutu wpro- noelementów o róŻnych w"aĘciwoĘciach, nie korzystając przy
wadzamy domieszki chemiczne (dodające lub usuwające tym z aparatury bardziej z"oŻonej niŻ ta, której uŻywa si
elektrony), które decydują, czy materia" jest typu n (ma nad- w laboratorium chemicznym szko"y Ęredniej. I tak sie diod
miar elektronów), czy typu p (niedobór elektronów, czyli zawiera warstw nanorurek przewodzących nad warstwą na-
co jest równowaŻne nadmiar obdarzonych "adunkiem norurek pó"przewodzących albo warstw nanodrutów typu
dodatnim dziur ). n na wierzchu warstwy nanodrutów typu p. W obydwu przy-
Dziki dostpowi do materia"ów typu n i p, niezbdnego padkach kaŻde z"ącze w węle sieci dzia"a jak dioda.
budulca tranzystorów, diod i innych elementów elektronicz- Mamy, podobnie jak zespó" z UCLA i Hewlett-Packard, de-
nych, mamy nowe moŻliwoĘci zbudowaliĘmy róŻne elemen- terministyczne podejĘcie dąŻymy do uzyskania elementów
ty: tranzystory (obydwa podstawowe ich typy polowe i bipo- o przewidywalnym dzia"aniu. Forma wynika z funkcji. Alter-
larne), inwertery przekszta"cające sygna" 0 w 1 oraz diody natywne rozwiązanie, które przyj"a grupa z uniwersytetów
elektroluminescencyjne, umoŻliwiające wspó"prac z uk"a- Rice, Yale i Pennsylvania State, dopuszcza przypadkowe po-
dami optycznymi. Nasze tranzystory bipolarne by"y pierw- "ączenie róŻnych bloków elementów. Nastpnie bada si, ja-
szymi elementami wykonanymi w skali molekularnej, zdol- kie funkcje pamiciowe czy obliczeniowe moŻe realizowa
nymi do wzmacniania prądu. Najnowszym osiągniciem otrzymany uk"ad. W tym przypadku funkcja podąŻa za for-
pracowników mojego laboratorium jest pami, którą Xiang- mą. Podstawowy problem tkwi w tym, Że trzeba duŻego wy-
feng Duan uzyska", "ącząc ze sobą nanodruty typu n i p. Po- si"ku, aby przeĘledzi z"oŻoną sie po"ączeł i zrozumie, jak
zwala ona przechowywa dane w postaci "adunków uwizio- ją wykorzysta.
nych w obszarze pomidzy przecinającymi si nanodrutami Wszystkie te wysi"ki wiąŻą si nierozerwalnie z poszukiwa-
przez co najmniej 10 min [ilustracja na nastpnej stronie]. niem architektur, które pozwolą jak najlepiej wykorzysta uni-
kalne w"aĘciwoĘci nanoelementów i moŻliwoĘci montaŻu z do-
Droga przez dŻungl "u do góry . ChociaŻ potrafimy wykona niezliczoną liczb
ZBUDOWANIE ELEMENTÓW MOLEKULARNYCH i innych o rozmia- praktycznie darmowych nanostruktur, to jednak elementy,
rach nanometrowych to dopiero początek. Ich "ączenie i in- w których je wykorzystujemy, są o wiele bardziej zawodne niŻ
tegracja jest, jak si wydaje, wikszym wyzwaniem. Po pierw- ich odpowiedniki mikroelektroniczne. Poza tym nasze moŻli-
sze, nanoelementy trzeba "ączy, korzystając z przewodów woĘci formowania struktur są wciąŻ niezwykle skromne.
w tej samej co one skali. Obecnie elementy z cząsteczek orga- Mój zespó" wspó"pracuje z grupą Andr DeHona z Califor-
nicznych mocuje si do konwencjonalnych ĘcieŻek metalizo- nia Institute of Technology nad uproszczeniem architektury
wanych, wytworzonych techniką litografii. Nie moŻna ich za- bloków, by sta"y si wystarczająco uniwersalne do zastoso-
stąpi nanodrutami, poniewaŻ nie umiemy uzyska dobrych wania ich w komputerach. W przypadku pamici punktem
po"ączeł elektrycznych, nie niszcząc zarazem naszych ma- wyjĘcia jest dwuwymiarowa macierz krzyŻujących si nano-
lutkich obiektów. Problem da"oby si rozwiąza, uŻywając drutów lub podwieszonych prze"ączników elektromechanicz-
nanodrutów i nanorurek zarówno jako elementów, jak i po- nych, umoŻliwiająca przechowywanie danych w kaŻdym
"ączeł midzy tymi elementami. punkcie przecicia. Podobną architektur stosują naukowcy
LISTOPAD 2001 WIAT NAUKI 53
MACIERZ NANODRUTÓW
KRZYUJŃCE SIó NANODRUTY
STYK WŃCZONY
pozwalają rozwiąza podstawowe
problemy elektroniki w skali molekularnej: ELEKTRODA
jak pod"ączy przewody do elementów
takich jak tranzystory czy diody.
Nasze druty spe"niają podwójną rol,
bdąc jednoczeĘnie przewodami
i elementami aktywnymi.
KaŻde z"ącze to pewien przyrząd
w tym przypadku miniaturowy
przekaęnik elektromechaniczny,
który jest w"ączony (druty stykają si)
WSPORNIK
lub wy"ączony (są rozseparowane).
Aby zmieni stan prze"ącznika, trzeba doprowadzi
do drutów pewne napicie. Przekaęnik pozostanie w wybranej
pozycji dowolnie d"ugo. KrzyŻujące si pó"przewodnikowe
STYK WYŃCZONY
nanodruty da si takŻe wykorzysta do budowy wy"ączników
sterowanych elektrycznie, których dzia"anie nie wymaga ruchu.
NANORURKA
Mogą one pos"uŻy jako elementy pamiciowe i macierze
IZOLATOR
logiczne waŻny krok w kierunku budowy nanokomputera.
z UCLA i Hewlett-Packard przypomina ona struktur magne- przekszta"ciliĘmy tranzystor polowy w czujnik zbudowany
tycznych pamici rdzeniowych uŻywanych w komputerach z nanodrutów, modyfikując jego powierzchnie receptorami
w latach pidziesiątych i szeĘdziesiątych. molekularnymi. Dziki temu pojedyncze cząsteczki moŻna
wykrywa zwyk"ym woltomierzem. Ma"e rozmiary i niezwy-
Prawo wielkich liczb k"a czu"oĘ elementów wykonanych z nanodrutów pozwala-
SPOSOBU NA ZAWODNO pojedynczych elementów moŻna szu- ją zbudowa czujniki o ogromnych moŻliwoĘciach, na przy-
ka w liczbach struktury są tak tanie, Że zawsze moŻna zastą- k"ad do sekwencjonowania ludzkiego genomu w jednym
pi je innymi. Naukowcy, którzy badają odpornoĘ na defekty, uk"adzie, lub teŻ urządzenia medyczne do ma"o inwazyjnej
wykazali, Że komputer moŻe wykonywa obliczenia, nawet je- diagnostyki i terapii. W niedalekiej przysz"oĘci mogą powsta
Żeli zawiedzie wiele spoĘród jego identycznych elementów, uk"ady hybrydowe "ączące mikroelementy i nanoelementy,
chociaŻ samo stwierdzenie defektu i jego odnalezienie moŻe jak obwody krzemowe z nanordzeniem moŻe bdzie to pa-
okaza si czasoch"onne. Mamy nadziej, Że uda si nam w koł- mi komputerowa o wysokiej gstoĘci zdolna do trwa"ego
cu podzieli olbrzymie macierze elementów na mniejsze frag- przechowywania danych.
menty, bardziej niezawodne i "atwiejsze do monitorowania. ChociaŻ trzeba jeszcze olbrzymiej pracy, nim uk"ady nano-
Optymalne rozmiary podmacierzy są uzaleŻnione od gstoĘci elektroniczne znajdą si w komputerach, cel ten wydaje si
defektów w uk"adach molekularnych i nanoelementach. bardziej realny dziĘ niŻ rok temu. Nabierając ufnoĘci we w"a-
Inny problem, który trzeba rozwiąza w nanoelektronice, sne si"y, uczymy si nie tylko zmniejsza elementy w mikro-
dotyczy projektowania: w jaki sposób inŻynierowie uzyskują elektronice cyfrowej, ale takŻe wymyĘla zastosowania i snu
potrzebny obwód? W przypadku mikroelektroniki konstruk- plany nieziszczalne przy tradycyjnych uk"adach cyfrowych.
torzy postpują jak architekci: opracowują plany (maski) ob- Nanoelementy, w których wystpują zjawiska kwantowe, moŻ-
wodu, które w fabryce wykorzystuje si do produkcji. JeĘli na na przyk"ad wykorzysta do szyfrowania kwantowego
chodzi o nanoelektronik, dzia"alnoĘ projektantów bdzie i stworzenia komputera kwantowego. Bogactwo nanoĘwia-
bardziej przypomina programowanie. Fabryka dostarczy su- ta zmieni makroĘwiat.
T"umaczy"
rowe nanouk"ady miliardy miliardów elementów i po"ączeł
Rafa" BoŻek
o ograniczonej funkcjonalnoĘci. KaŻdy bdzie podobny do
kostki z wystającym pkiem przewodów. Za pomocą niewie-
JELI CHCESZ WIEDZIE WIóCEJ
lu dostpnych wyprowadzeł inŻynierowie muszą skonfigu-
rowa miliardy elementów znajdujących si w Ęrodku. W"a- Strona autora w Sieci WWW: cmliris.harvard.edu
Strona grupy Avourisa: www.research.ibm.com/nanoscience
Ęnie to w nanoelektronice ekscytuje mnie najbardziej.
Strona grupy Dai: www.chem-stanford.edu/group/dai
Nanoelementy mogą znaleę zastosowanie, zanim jeszcze
Strona grupy DeHona: www.cs.caltech.edu/~andre
rozwiąŻemy te problemy. Grupa, którą kieruje Hongjie Dai Strona grupy Dekkera: www.mb.tn.tudelft.nl/user/dekker
Strona grupy McEuena:
ze Stanford University, zastosowa"a pó"przewodzące nano-
www.lassp.cornell.edu/lassp_data/mceuen/homepage/welcome.html
rurki wglowe do detekcji cząsteczek gazów. Yi Cui z mojego
Strona grupy Penn State: stm1.chem.psu.edu
Strony grupy Rice i Yale: www.jmtour.com oraz www.eng.yale.edu/reedlab
zespo"u, uŻywając pó"przewodnikowych nanodrutów, zbudo-
Strona grupy Smitha: www.chem.wisc.edu/~smith
wa" ultraczu"y detektor do wykrywania róŻnorodnych związ-
Strona grupy UCLA i Hewlett-Packard: www.chem.ucla.edu/~schung/hgrp
ków organicznych. W naszym zespole w Harvard University
oraz www.hpl.hp.com/research/qsr/staff/kuekes.html
54 WIAT NAUKI LISTOPAD 2001
SLIM FILMS
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
200111 male moze wiecejMałeGIFKI malespr 5 1 8 transf bryl maleMALE tesknoty txtWIRUSY SA?RDZO MALEMetodologia SPSS Jakub Niewiarkowski ćwiczenia 12 TestWhy be maleMALE SZCZESCIEwięcej podobnych podstron