فناوری الکترونیک مولکولی میتواند چگالی تراشههای رایانهای را تا هزار برابر افزایش دهد و محدودیتهای فعلی صنعت نیمهرسانا را پشت سر بگذارد.
به گزارش سرویس فناوری تکناک، کوچکسازی ترانزیستورها طی دهههای گذشته موتور اصلی پیشرفت رایانهها بوده است. هر نسل جدید از تراشهها با ترانزیستورهای کوچکتر، سرعت بالاتر و مصرف انرژی کمتر را به همراه داشت، اما این روند اکنون به مرزهای فیزیکی و اقتصادی نزدیک شده است. تراشههای پیشرفته امروزی مانند پردازندههای A17 Pro و M4 شرکت اپل که با فرایند ساخت ۳ نانومتری شرکت TSMC تولید میشوند، دارای ترانزیستورهایی با طول گیت کمتر از ۱۵ نانومتر هستند. در این ابعاد، رفتار الکترونها دیگر کاملاً قابلکنترل نیست و پدیدههایی مانند تونلزنی کوانتومی باعث نشت جریان میشود.
نشت جریان الکتریکی، حتی زمانی که ترانزیستور خاموش است باعث اتلاف انرژی و تولید گرمای اضافی میشود. این موضوع باعث شده است که بازدهی کاهش یابد و مزایایی که زمانی با هر نسل کوچکسازی به دست میآمد، دیگر بهسادگی تکرار نشود. از سوی دیگر، هزینه ساخت کارخانههای پیشرفته تولید تراشه به شدت افزایش یافته است. برآوردها نشان میدهد که راهاندازی یک خط تولید ۳ نانومتری بیش از ۲۰ میلیارد دلار سرمایهگذاری نیاز دارد؛ رقمی که تنها چند شرکت بزرگ جهانی توان پرداخت آن را دارند.
در چنین شرایطی، توجه پژوهشگران دوباره به ایده قدیمی اما بلندپروازانه الکترونیک مولکولی جلب شده است. در این رویکرد، بهجای استفاده از ترانزیستورهای سیلیکونی، از مولکولهای منفرد به عنوان عناصر فعال الکترونیکی استفاده میشود. یک مولکول میتواند به دلیل ویژگیهای ذاتی خود، رفتاری شبیه دیود یا حتی سوئیچ از خود نشان دهد و جریان الکتریکی را در یک جهت آسانتر از جهت دیگر عبور دهد.
پیشرفتهای فنی اخیر، این ایده را از مرحله نظری به آستانه کاربرد عملی رسانده است. یک مرور علمی تازه که نتایج دههها پژوهش را جمعبندی کرده است، نشان میدهد که کنترل و اندازهگیری رسانایی در مقیاس نانومتری اکنون با دقت بسیار بالاتری امکانپذیر شده است. بر اساس گزارش وبسایت تخصصی Nanowerk، چگالی بالقوه دستگاههای مولکولی میتواند به حدود ۱۰ به توان ۱۴ واحد در هر سانتیمتر مربع برسد؛ رقمی که تقریباً هزار برابر بیشتر از تراشههای سیلیکونی امروزی است.
الکترونیک مولکولی بر اصولی متفاوت از نیمهرساناهای متداول کار میکند. در این فناوری، بار الکتریکی بهجای حرکت در یک ماده پیوسته، از طریق تونلزنی کوانتومی از روی اتصالهای مولکولی عبور میکند. رسانایی به طول مولکول وابسته است و هرچه مولکول بلندتر باشد، جریان کمتری عبور میکند. علاوه بر این، پدیده تداخل کوانتومی نقش مهمی ایفا میکند. در مولکولهای حلقوی مانند: بنزن، مسیرهای مختلف حرکت الکترون میتوانند یکدیگر را تقویت یا تضعیف کنند و همین ویژگی امکان طراحی رفتارهای الکترونیکی بسیار متنوع را فراهم میسازد.
چالش اصلی، ساخت اتصالهای پایدار در ابعاد کمتر از ۳ نانومتر است. پژوهشگران برای این کار از روشهایی مانند الکترومایگریشن، لایههای مولکولی خودآرا و حتی فلزات مایع استفاده میکنند. در برخی روشها، اتصالها به صورت پویا بارها ایجاد و قطع میشوند تا دادههای آماری دقیق از رسانایی یک مولکول منفرد به دست آید. این اندازهگیریهای تکرارشونده، امکان شناسایی رفتار الکتریکی واقعی مولکولها را فراهم کرده است.
با وجود این پیشرفتها، موانع جدی همچنان پابرجا است. گرما یکی از مهمترین چالشها به حساب میآید. بسیاری از مولکولهای آلی در دماهای بالاتر از حدود ۲۰۰ درجه سانتیگراد ناپایدار میشوند، در حالی که فرایندهای متداول ساخت تراشه به دماهایی بالاتر از ۴۰۰ درجه سانتیگراد نیاز دارند. به همین دلیل، پژوهشگران پیشنهاد میکنند که مولکولها تنها در مراحل پایانی تولید به ساختار تراشه اضافه شوند.
در کنار این چالشها، چشمانداز کاربردی الکترونیک مولکولی توجه زیادی را جلب کرده است. از ممریستورهای مولکولی که میتوانند محاسباتی شبیه عملکرد مغز انسان انجام دهند تا حسگرهایی که قادر هستند واکنشهای شیمیایی منفرد را ردیابی کنند، همگی نشان میدهند این فناوری میتواند فراتر از جایگزینی ساده سیلیکون عمل کند. هرچند راه تجاریسازی هنوز طولانی است، اما بسیاری از متخصصان معتقد هستند که الکترونیک مولکولی میتواند یکی از جدیترین گزینهها برای ادامه مسیر پیشرفت صنعت رایانه در دوران پساسیلیکون باشد.
