Elektronika molekular

Elektronika molekularra —moletronika izenaz ere ezaguna— bloke molekular eraikitzaileen ezagutza eta aplikazioak lantzen dituen zientziaren adarra da osagai elektronikoen fabrikaziorako. Molekula organikoen erabilpena azpimarragarria da teknologia honetan. Diziplinarteko arlo bat da hau zeinak fisika, kimika eta materialen zientzia, hainbaten artean, barne dituena. Zientzia guzti hauek batzen dituen bereizgarri nagusia osagai elektronikoen osaketa ahalbidetzen duten bloke molekularren erabilpena da. Elektronika modularrak eskaintzen duen eskalak izugarri txikitzeko ahalmenak itxaropen handiak jarri ditu moletronikaren gain. Elektroniko molekularra gai izango da Moorren Legea gainditzeko eta hau zabaltzeko ikusgaia denaren mugez gain eskala txikiko siliziozko plaketan integratuta dauden zirkuituetan.

Historia

Lehen langileak gai hau lantzen Robert S. Mulliken eta Albert Szent-Gyorgi izan ziren 1940an, beren eztabaidan, Karga transferentziako konposatuak. Ala ere, lehen gailu moletronikoa ez zen 1974a arte sortu, Ari Aviram eta Mark Ratner zientzialariek lehen diodo molekular teorikoa asmatu zuten arte. 1988an Aviramek molekula bat deskribatu zuen zeinak eremu-efektuzko transistore moduan joka zezakeena. Aurrerago, Estatu Batuetako Itsas Ikerketako Laborategiko Forrest Carter-ek, molekula bakarreko ate logikoak eta halako kontzeptuak proposatu zituen 1988ko bere "Elektronika Molekularrerako Gailuak" konferentzian. Horiek ideia teorikoak ziren, ez eraikiak, molektronikak izan zitzakeen aplikazioei buruz.

Oinarri teorikoa

Elektronika molekularrak maila kuantikoaren barruan lan egiten du, hau da, 100 nanometroetarako dimentsio baino txikiagoetan. Eskalamendu-mota honek eragiten du efektu kuantikoak izatea materialaren ezaugarriak zuzentzen dituztenak. Adibide bezala dugu elektroi fluxua, elektronika konbentzionaleko osagaiek behar dute hauen pasatze jarraitua, zabaltzerako eta kanal-hasierarako. Sistema molektronikoan berriz, elektroi baten transferentziak sistemako asaldura garrantzitsua eragin dezake, molekulak ionatzen eta beste baten transferentzia zailagotzen (Coulomb-en blokeatze). Elektronika molekularraren teoria oinarritzen da sistema kuantikoaren ez-oreka egoeran (tentsioak eramanda) Tentsioko norabide erregimena txikiegia denean, ezikusiarena egin diezaioke ez-oreka egoerari. Baina seinalearen norabidea handia denean, tratamendu sofistikatuago bat behar du, kontuan izanda jada aldaketaren printzipioa ez dagoela.

Aplikazioak

Elektronika molekularrak aplikazio sorta zabala izatea espero da hainbat diziplinatan: kimikan, fisikan, teknologian, adimen artifizialean eta ekipamendu medikoan aurrerapenak ekarriko omen ditu. Adibidez, adituek uste dute elektronika molekularraren ezagutzak DNA sekuentziatzeko metodo azkarrago eta merkeagoak aurkitzea ekarriko duela.

Konputagailuen eraikuntzan

Zirkuitu elektronikoen fabrikazioan bilatzen den helburu nagusia miniaturizazioa da. Konputagailuetako prozesadoreetan, gaur egungo teknikekin, hau da, material erdieroaleak erabilita, urtero lortzen dute osatzen dituzten transistoreen tamaina txikitzea. Hala, 14 nm-ko transistorez osatutako mikroprozesadoreak oso zabalduta daude. Txikiagotze honek baditu helburu batzuk.

Alde batetik, gailu txikietan abantaila argia dakar: tamaina berean prozesadore konplexuagoak sar daitezke, transistore gehiago egon daitezkeelako espazio berean. Gainera, fabrikazio-prozesua berritzen duten bakoitzean, amaierako errendimenduan hobekuntza asko izaten dira. Esanguratsuena da txip berriak azkarragoak direla. Energia gutxiago kontsumitzea eta gutxiago berotzea ere lortzen da.

Egungo teknologiaren mugak

Geroz eta hurbilago ikusten da egungoak bezalako txipen txikiagotzearen muga. Aurretik kalkulatutako mugak askotan gainditu badira ere, uste da 3 eta 5 nanometro artean dagoela muga, hau da, hori baino txikiagoa den siliziozko transistorerik ezin dela fabrikatu. Izan ere, egungo teknologiarekin eraiki daitezke 5 nm-ko diametroko hariak, 15 nm inguruko tartearekin sare bat osatzeko. Hari solido horiekin transistore bat gauzatzeko, sare horren tamainarako handiegiak diren ezpurutasun-atomoekin dopatu beharko genuke. Mikra bat luze den hari batek 10-20 atomo jasoko lituzke, beraz, ezpurutasun bat transistoreko. Zenbaki baxu hau daukan eremu-efektuzko transistore konbentzional batek ez du nahi dugun funtzioa betetzen, ezin dugulako bere portaera aurreikusi. Gainera, transistoreko iturriaren eta hobiaren artean “tunel efektua” deiturikoa gertatuko litzateke, hau da, elektroiak edo hutsuneak iturritik hobira salto egin ahal izango lukete, ateko tentsioa edozein izanda ere. Elektronika molekularrak arazo horiek konpontzen lagun dezake, teorian, benetako dimentsio molekularretaraino jarraitu ahal izango baita tamaina murrizten.

Material erdieroalez eraikitako gailuetarako aipatutako abantaila horiez gain, fabrikazio-kostuak jaitsi ahal izango direla uste da. Egungo fabrikazioa “goitik beherakoa” dela esaten da, materiala hartzen da eta fotolitografia prozesu garestien bidez makina batzuek zirkuituak bertan grabatzen dituzte. Elektronika molekularrean, berriz, “behetik gorakoa” izango litzateke, atomoak erreakzio kimikoen bidez elkartuz laborategi batean.

Garatu dira dagoeneko kable molekularrak, molekula bakarreko transistoreak eta artezgailuak. Hala ere, ikerketaren fase goiztiarra dela eta, gailu horietako bakar batek ere ez du oraindik laborategia utzi.

Kableak

Jarduerarik gabeko materialak dira, zeinen asmo bakarra da parte desberdinak zirkuitu barruan konektatzea. Kableak ez daude funtzionalizatuta, eta eraikuntza-bloke beraren errepikapenak dira. Kableen artean etorkizun gehien espero zaion soluzioa karbonozko nanohodiena da.

Transistoreak

Molekula bakarreko transistoreak desberdinak dira. Batez ere, eskala handieneko elektronikan eginda daudenak. FET konbentzionaleko uhateak zehazten du iturriko eta haien arteko karga dentsitatea kontrolatuz drainatutakotako, elektrodoen arteko konduktantzia. Beste aldetik, transistore unimolekulareko uhateak kontrolatzen du elektroi bakarrak barruan eta molekulatik kanpo saltatzeko aukera orbital molekularraren energia aldatuz. Efektu honek eragiten du sistemak era ia bitarrean jokatzea, edo piztuta dago edo itzalita dago. Bere portaeran hain markatutako desberdintasunaren arduraduna elektroietako kargaren kuantizazioa da. Molekulak soilik tratatzen dituelako, elektroi bakarreko transferentzia da zehazten duena ea sistemak hasten den edo itzaltzen den. Hau gerta dadila, elektrodoetako orbital molekularrak ezin dira egon oso osatuta molekula-transistorea orbitalekin. Bestela, ezingo ginateke jakin elektroia elektrodoan edo transistorean dagoen, beraz, transistorea kable bat bezala lan egingo luke. Kanal material bezala erdieroalerako funtziona dezaketen molekuletako  taldea da oligopolifenilenvinilenos-etako (OPV) eta fulerenos. Iturriaren eta drainatutakoaren artean Coulomb-en blokeoaren bidez lan egiten dute. Molekulen tamainak eta haien neurriak hartzen diren tenperatura baxuak, eragiten du egoera mekaniko kuantikoak ondo definituta egotea Horrela, mekanika kuantikoaren propietateak asmo handiagoko aplikazioetan erabil dezake.

Artezleak

Artezle molekularrak (aviram eta ratner) bere graneleko aurkako alderdien mimikak dira. Elektroiaren bidea alde batera bultzatzeko eraikuntz asimetrikoa dute. Molekula hauek dituzte muturreko elektroi emailea (D), eta muturreko elektroi hartzailea (A), eta emaitza molekulan zehar sor daitekeen korronte elektrikoa da.

Teknikak

Gaur egun teknologia mota hau oraindik urruneko gai bat dela dirudi. Zailtasun asko dakartza berarekin elektronika molekularrak, nagusiena molekuletako elektroietan zirkuitu laburren sorrera izanik. Honi aurre egiteko hainbat teknika ari dira probatzen.

Tartetze Molekularra

Elektrodoak sortzeko metodo bat da tartetze molekular bat sortzen duena beraien lotuneak apurtuz, zeinetan elektrodo ihar bat luzatua den apurtu arte. Beste metodo bat hau gauzatzeko elektromigrazio bidezkoa da. Teknika honetan kable mehe batetik korrontea igarotzean kable hau urtu egiten da atomoen artean “migrazio” bat emanez.

Ainguratzea

Sufreak urrearekiko duen afinitate altua erabiliz molekula elektrodoetan ainguratzea ahalbidetzen du. Nolabait azaltze aldera esan liteke teknika honekin sufreak krokodilo pintzak baliran bezala helduko die urrezko elektrodoei.

Karbonozko Nanoelektronika

Molekula polimeriko gehienek isolatzaile moduan jokatzen dute nanometro gutxi batzuetako zabalera gainditzen dutenean, baina grafenoa erabiliz, karbonotik eratorria, berau eroalea izanik; erdi-eroale bilakatzen du, eta kontutan edukita grafenoaren egitura, geruzetan osatua dago eta geruza hauek “eskuz” banatzeko bezain ahulak direnez benetan aukera interesgarri bilakatzen ditu moletronikarentzako.

Oztopoak

Oztopo nagusiak teknologia honenak bi dira. Alde batetik komertzializazioa oso zaila da, oraindik ez baitago seriean produzitzerik teknologia hau. Gainera funtzionatu duten prototipoek zero absolutuaren gertuko tenperaturetan egin dute eta hau lortzeko gastu energiko handi bat suposatzen du. Bestetik molekula batean lanean hastean zaila da jakitea ea zein portaera den materialean naturala eta zein den artifiziala hainbat kasutan oso antzekoak baitira.

Kanpo estekak

Plática "There's plenty of room at the bottom". Feynman, R. (1959, December 29). http://www.zyvex.com/nanotech/feynman.html Entrevista a James Tour. http://archive.wired.com/wired/archive/8.07/moletronics_pr.html

• Datuak: Q899903