Кремниевые транзисторы приближаются к фундаментальным физическим пределам при достижении их компонентами нанометровых размеров. Реальной альтернативой становится молекулярная электроника, заменяющая транзисторы отдельными молекулами, управляющими током за счет квантовых эффектов, а не потока зарядов. Исследователи Сямэньского университета (Китай) опубликовали в журнале Microsystems & Nanoengineering обзор, где анализируют создание устройств на основе одиночных молекул.

Более полувека миниатюризация транзисторов обеспечивала экспоненциальный рост производительности по закону Мура. Но при размерах их компонентов меньше 2-3 нм такие квантовые эффекты, как туннелирование и рассеяние нарушают классическое поведение устройств, а затраты на литографию взлетают в геометрической прогрессии. Традиционные решения повышения плотности компонентов в чипах исчерпывают потенциал.

Молекулярная электроника предлагает радикальное решение. В ее основе — молекулярный переход (molecular junction), в котором одиночная молекула служит связующим звеном между двумя электродами, где электроны перемещаются посредством туннелирования, а не «текут», как в классических электрических цепях. Молекулы становится активным элементом — переключателем, диодом или транзистором. Плотность интеграции может достичь миллиардов устройств на см², энергозатраты на операцию — фемтоджоулей, то есть показателей на порядки лучших, чем в кремнии. Чтобы это работало, все нужно скомпоновать и обеспечить соединениями.

В обзоре обсуждаются современные методы производства. Статические переходы, которые формируются с помощью управляемых нанозазоров или самоорганизующихся (self-assembled) молекулярных слоев и обеспечивают повышенную механическую стабильность Динамические методы, при которых молекулярные контакты многократно формируются и разрушаются, позволяют проводить статистически надежные измерения, выявляющие внутреннее молекулярное поведение, а не экспериментальный шум.

Рассматриваются новые материалы электродов — графен и углеродные нанотрубки, снижающие помехи в сигналах и повышающие качество взаимодействия между молекулой и электродами, а также методы позиционирования на основе ДНК, которые обеспечивают сверхточное размещение нанобъектов, открывая пути для создания упорядоченных молекулярных массивов, препятствующих появлению хаотичных туннельных каналов.

В обзоре показано, что молекулярные устройства теперь можно создавать так, чтобы они предсказуемо реагировали на свет, электрические поля, окислительно-восстановительные состояния или механические воздействия. Это важнейшие требования для реальных электронных приложений. По мнению авторов обзора, молекулярная электроника сегодня сталкивается не с фундаментальными, а с инженерными проблемами, которые можно решить, объединив точность атомного масштаба с существующими производственными технологиями. Хотя ее практическое применение остается долгосрочной целью, молекулярная электроника все чаще рассматривается как перспективная посткремниевая технология.