Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Представляется очевидным, что на этом пути миниатюризации мы быстро приходим к электронным устройствам, сформированным внутри отдельных молекул, вследствие чего это направление давно получило у физиков название молекулярной электроники или просто мольтроники (moltronics). Типичным примером устройств такого типа может служить показанный на рис. 15.7 наномасштабный электрический контакт в виде органической молекулярной цепочки и соответствующей ему схемы. Необычные функциональные свойства таких молекулярных контактов обеспечиваются боковыми химическими группами или молекулами. Например, показанная в правой части рисунка молекулярная цепочка (изученная Марком Ридом из Йельского университета и Джеймсом Туром из университета Райса) характеризуется так называемой «отрицательной дифференциальной проводимостью» вольт-амперной характеристики, то есть величина протекающего через нее тока уменьшается с ростом прилагаемого к контактам напряжения! С точки зрения электротехники мы имеем дело просто с «отрицательным» сопротивлением, что может быть использовано для создания новых электрических схем и устройств разного назначения (новые типы усилителей сигнала, создание бистабильных систем и т. п.). Другим перспективным направлением развития молекулярной электроники стали логические устройства нового типа и т. п.

Очень интересной особенностью молекулярных систем является их способность к дальнейшей самоорганизации, приводящей к созданию сложных функциональных структур и устройств. Именно такая самоорганизация по заданным «шаблонам» обеспечивает построение сложнейших биологических структур в живых организмах и множество природных явлений, которые биологи объединяют термином саморепликация. Известно, что стоимость технологических линий для производства полупроводниковых устройств непрерывно растет по экспоненте и уже достигает миллиардов долларов (что, кстати, можно считать еще одним проявлением действия закона Мура!). Удорожание производства по принципу «сверху вниз» заставляет многих исследователей все чаще рассматривать методы самосборки «снизу вверх» в качестве возможной альтернативы. Такие методы обычно называют биомиметическими, чтобы подчеркнуть их сходство с биологическими процессами, но, к большому сожалению технологов и инвесторов, в настоящее время ученые не могут пока теоретически описывать и практически воспроизводить процессы самосборки в больших масштабах.

Еще одна очень сложная проблема в понимании и использовании молекулярных электронных устройств состоит в том, что в их поведении необходимо тщательно изучить связь их собственного поведения с состоянием электрических контактов. В традиционных устройствах такая проблема практически не возникает, поскольку контакты считаются почти идеальными, а их роль заключается лишь в соединении устройств с внешним миром, источниками тока и т. п. Работая с молекулярными устройствами, исследователи должны постоянно учитывать зависимость их характеристик от флуктуаций сопротивления и паразитических токов в самих контактах. С точки зрения теории систем, ситуация объясняется очень просто и сводится к тому, что при экспоненциальном росте плотности монтажа число соединений между устройствами возрастает в совершенно немыслимых пропорциях, в результате чего надежность системы в целом начинает определяться не надежностью самих элементов системы, а совокупностью их соединений. В наноустройствах роль соединений становится настолько доминирующей, что мы должны как минимум рассматривать контакты в качестве важной составляющей части всей системы (разумеется, такая точка зрения является совершенно непривычной и чуждой любому радиотехнику и производственнику). Физический смысл проблемы прекрасно иллюстрирует показанная на рис. 15.7 схема молекулярного переключателя, в которой размеры и свойства контакта определяют, собственно говоря, основные параметры устройства в целом, то есть контакт, в некотором смысле, и представляет собой устройство. Для развития молекулярной электроники это обстоятельство может сыграть решающую роль, как в теоретическом, так и в практическом отношении.

15.3. Фотоника

В последние годы фотоника стала все чаще рассматриваться в качестве альтернативы электронике во многих отраслях науки и техники, связанных с коммуникациями или информационными технологиями. Эту тенденцию легко объяснить тем, что использование фотонов вместо электронов в процессах передачи и переработки информации создает существенные преимущества, прежде всего, вследствие быстродействия и помехоустойчивости фотонных каналов связи. Результатом возрастающего интереса исследователей и технологов стала быстрая миниатюризация множества оптических устройств (резонаторов, волноводов, интерферометров и т. д.). На этой основе уже возникла мощная отрасль производства, позволяющая выпускать различные устройства такого типа с размером структур около 100 нм и меньше. Конструкторов и технологов, занятых разработок фотонных устройств, очень часто вдохновляют те же идеи и тенденции, на основе которых происходила и происходит миниатюризация электронной техники.

Фотонные вычислительные устройства не только значительно превосходят полупроводниковые аналоги по быстродействию, но и избавляют пользователей от многих сложностей, связанных с тепловыделением и электропитанием. С другой стороны, слабым местом и источником постоянного беспокойства при использовании любых приборов и устройств на основе фотоники было и остается обеспечение надежности электрооптических переключателей, позволяющих преобразовывать электрические сигналы в оптические и обратно. Решение проблемы быстрого и надежного преобразования таких сигналов имело бы огромное значение для коммерческого приложения и информационных технологий в целом. Кроме того, эта задача представляет особый интерес для применения в военной сфере, где фотоника рассматривается в качестве весьма перспективного направления развития многих отраслей (средства связи, датчиков, радаров и т. д.), в которых требуется быстрая и надежная обработка больших массивов оптической и иной информации.