- مقدمه
همان طور که ميدانيم روش ليتوگرافي نوري براي ساخت مدارات الکترونيکي مجتمع با چالشهاي اساسي و جدي روبرو شده است. محدوديتهاي فناوري از يک سو و چالشهاي کوانتومي از سوي ديگر توسعهي نانوالکترونيک را با دشواري روبرو کرده است . در اين ميان دانشمندان به ايدهها و روشهاي جايگزين و جديدي ميانديشند که محدوديتهاي روش ليتوگرافي نوري را ندارد. يکي از اين روشها، ساخت و استفاده از مولکولهايي است که رفتاري مشابه رفتار کليد زدن ترانزيستورها داشته باشند. در واقع دانشمندان قصد دارند با طراحي، ساخت و استفاده از اين مولکلولها، آنها را جايگزين ترانزيستورهاي سيليکوني کنند. اين ايده را الکترونيک مولکولي ميگوييم. اين رفتار ميتواند مبنايي براي پردازش اطلاعات در رايانهها و ذخيرهي اطلاعات در حافظهها قرار گيرد.
ما در اين مقاله ابتدا راجع به ويژگيهاي مولکولهايي که در الکترونيک مولکولي ميتواند مورد استفاده قرار گيرد، سخن ميگوييم. سپس به بررسي يک مثال معروف در الکترونيک مولکولي ميپردازيم و نشان ميدهيم که رفتار اين مولکول در محدودهي ولتاژ معيني مشابه رفتار يک ترانزيستور است. در نهايت چالشهاي توسعهي الکترونيک مولکولي را به اختصار بيان خواهيم کرد. - کدام مولکولها مفيدند؟!
مولکولهايي که در الکترونيک مولکولي مورد استفاده قرار ميگيرند بايستي شرايطي داشته باشند. اين مولکولها بايد داراي دو شکل متفاوت باشند که توسط يک محرک خارجي نظير نور يا ولتاژ تغيير شکل دهد. اين تغيير شکل بايد برگشتپذير هم باشد. در واقع مولکول در يک حالت به عنوان صفر (zero) و در يک حالت به عنوان يک (one) رفتار ميکند. رفتار برگشتپذيري مولکول هم بايد بسيار سريع باشد به گونهاي که بتواند در مدارات الکترونيکي مجتمع، مفيد واقع شود. همچنين پايداري و مخصوصا پايداريِ گرمايي نيز عامل مهمي است. يعني اين مولکولها در برابر تغييرات دمايي نبايد از شکلي به شکل ديگر تغيير شکل دهند. چرا که در مدارات مجتمع محدودهي تغييرات دمايي بسيار زياد است و در صورت تغيير شکل مولکولها، اطلاعات آنها از دست ميرود.
مثلا مولکول آزوبنزن که در مقالهي نانوالکترونيک 18 معرفي شد، در ابتدا نمونهاي مناسب به نظر ميرسد. همان طور که در مقالهي قبل ملاحظه کرديم مولکول آزوبنزن داراي دو ايزومر سيس و ترانس است که هر کدام داراي دو طول متفاوت است. با تابيدن نور فرابنفش با طول موج 313 نانومتر، ايزومر ترانس به ايزومر سيس تغيير شکل ميدهد و با تابيدن نور فرابنفش با طول موج بيشتر از 380 نانومتر، ايزومر سيس به ايزومر ترانس تغيير شکل ميدهد. بنابراين در مدار الکتريکي يکي از ايزومرها ميتواند به عنوان صفر و ديگري به عنوان يک رفتار کند. ليکن مشکل آزوبنزن عدم پايداري گرمايي آن است. در واقع ايزومر سيس آزوبنزن از نظر گرمايي پايدار نيست و اندک گرمايشي موجب تغيير شکل آن به ايزومر ترانس ميشود. - يک مثالِ معروف
مولکول 2-آمينو-4- اتيلنيل فنيل -5- نيترو -1- بنزن تيولات (2-Amino -4- ethylenylphenyl -5- nitro -1- benzenethiplate)، يک مثال معروف است که ما در اين قسمت به بررسي رفتار الکتريکي آن ميپردازيم. اين مولکول از 3 حلقهي بنزن به هم پيوسته با پيوندهاي سهگانه از طريق اتمهاي کربن تشکيل شده است. شکل1 را ملاحظه کنيد. در شکل1 مولکول مذکور به دو الکترود از جنس طلا متصل شده است و در يک مدار الکتريکي قرار گرفته است.
شکل1- مولکول 2-آمينو-4- اتيلنيل فنيل -5- نيترو -1- بنزن تيولات (2-Amino
-4- ethylenylphenyl -5- nitro -1- benzenethiplate)، يک مثال معروف است
که ما در اين قسمت به بررسي رفتار الکتريکي آن ميپردازيم. اين مولکول از 3
حلقهي بنزن به هم پيوسته با پيوندهاي سهگانه از طريق اتمهاي کربن تشکيل
شده است.
شکل2 نمودار ولتاژ- جريان اين مولکول را نشان ميدهد. همان طور که در شکل2 ملاحظه ميشود، با افزايش ولتاژ تا 6/1 ولت، جريان عبوري تقريبا صفر است. در ولتاژ 6/1 ولت جريان ناگهان شروع به افزايش ميکند و اين روند تا ولتاژ 1/2 ولت ادامه مييابد. در ولتاژ 1/2 ولت، جريان به صورت ناگهاني افت ميکند و تقريبا صفر ميشود.
شکل2- نمودار ولتاژ- جريان مولکول مذکور. با افزايش ولتاژ تا 6/1 ولت،
جريان عبوري تقريبا صفر است. در ولتاژ 6/1 ولت جريان ناگهان شروع به افزايش
ميکند و اين روند تا ولتاژ 1/2 ولت ادامه مييابد. در ولتاژ 1/2 ولت،
جريان به صورت ناگهاني افت ميکند و تقريبا صفر ميشود.
خوب دقت کنيد! اين رفتار مشابه رفتار يک ترانزيستور سيليکوني است. در ترانزيستورهاي سيليکوني نيز با افزايش ولتاژ پايانهي گِيت و رسيدنِ آن به ولتاژِ آستانه، جريان الکتريکي بين دو سر ترانزيستور يعني پايانههاي سورس و دِرِين برقرار ميشود (براي آشنايي با ساز و کار ترانزيستورهاي MOS ميتوانيد به مقالات نانوالکترونيک 3 و 4 مراجعه کنيد). برقراري جريان به منزلهي يک (one) و عدم برقراري جريان به منزلهي صفر (zero) است. در مولکولِ مذکور ولتاژ آستانه مقدار 6/1 ولت است. با رسيدن ولتاژ دو سر مولکول به اين مقدار، جرياني در مولکول برقرار ميشود. اين جريان را ميتوان به منزلهي يک (one) و عدم برقراري جريان را ميتوان به منزلهي صفر (zero) در نظر گرفت.
- چالشهاي الکترونيک مولکولي
البته اين رفتار در مولکول مذکور در دماي 60 کلوين مشاهده ميشود، يعني تقريبا 213- درجهي سلسيوس و در دماي اتاق ظاهر نميشود. همان طور که مشاهده ميکنيد اين دما بسيار پايين و دسترسي به آن دشوار است. لذا استفاده از آن در شرايط دماي معمولي مستلزم توسعهي بيشتر اين دانش است. همچنين لازم به يادآوري است که نشان دادن اين که يک مولکول ميتواند جريان الکتريکي را هدايت کند و رسانايي و عدم رسانايي آن قابل کنترل است، براي توسعهي دانش الکترونيک کفايت نميکند. آن چه اکنون در اختيار داريم يک کليد مولکولي بسيار کوچک و در ابعاد چند نانومتر است که جريان الکتريکي عبوري از آن با استفاده از يک ولتاژ قابل کنترل است. مزيت اصلي آن نسبت به ترانزيستورهاي سيليکوني ابعاد کوچکترِ آن است. ليکن توسعهي رايانهها و استفاده از الکترونيک مولکولي در صنايع الکترونيک و رايانه مستلزم اتصال اين مولکولها به يکديگر و ساخت گِيتهاي منطقي است (براي آشنايي با نقش ترانزيستور و گِيتهاي منطقي در الکترونيک ميتوانيد به مقالات الکترونيک 5 و 6 مراجعه کنيد). همچنين روشهاي ساخت و توليد آن در مقياس انبوه نيز چالشي است که بايد قبل از توسعهي الکترونيک مولکولي حل شود. - نتيجه
الکترونيک مولکولي يک ايدهي جالب و بسيار هيجانانگيز براي پشت سر گذاشتن محدوديتهاي نانوالکترونيک و نزديک شدن به مقياس بسيار کوچک مولکولها است. تلاش براي رسيدن به سرعت بيشتر در پردازشگر مرکزي رايانهها و نيز ساخت حافظههاي بزرگتر از يک سو و کشف رفتار شگفتانگيز مولکولها از سوي ديگر، دانشمندان و غولهاي عظيم صنعت الکترونيک را ترغيب به پژوهش و توسعه در حوزهي الکترونيک مولکولي ميکند.
در مقالهي نانوالکترونيک 20 به بررسي يک مثال ديگر از الکترونيک مولکولي ميپردازيم و پس از معرفي مولکول مذکور، ساز و کار يک مدار منطقي ساده را نيز با استفاده از اين مولکول نشان ميدهيم.