طبيعت بسيار پيشتر از اين مشكل ساخت ابزارهاي الكترونيكي در مقياس مولكولي را حل كرده است و ما امروزه سرگرم تحقيق و پژوهش در اين زمينه هستيم
تا چگونگي ساخت اين ابزارها را از طبيعت فرا گيريم
لين ياريس
ترجمه: سليمان فرهاديان
اخيراً توليد اولين نوع ترانزيستورهاي ساخته شده از مولكول «باكي بال» ـ مولكولي با فرمول C60 ـ توسط دانشمندان آزمايشگاه ملي لاورنس بركلي گزارش شده است.
يك گروه از محققين آزمايشگاه بركلي و همكارانشان در دانشگاه بركلي با استفاده از مزاياي پديده اي كه تاكنون از آن به عنوان معضلي در صنايع الكترونيك ياد مي شد، توانستند بين دو الكترود از جنس طلا شكافي در حدود يك نانومتر (يك ميلياردم متر) ايجاد كنند. مي توان در اين شكاف كوچك يك مولكول منفرد باكي بال را قرار داد تا يك ابزار الكترونيكي بسيار كوچك در حد يك مولكول پديد آيد. پائول مك يوئن، فيزيكداني كه هم با بخش علوم مواد آزمايشگاه بركلي و هم با دپارتمان فيزيك دانشگاه بركلي در ارتباط است، در تشريح فعاليت هاي گروه خود مي گويد: «طبيعت، بسيار پيشتر از اين، مشكل ساخت ابزارهاي الكترونيكي در مقياس مولكولي را حل كرده است و ما امروزه سرگرم تحقيق و پژوهش در اين زمينه هستيم، تا چگونگي ساخت اين ابزارها را از طبيعت فرا گيريم. »
مك يوئن به همراه هونگ كان پارك، جي وونگ پارك، اندروليم، اريك اندرسون و پائول آليويساتوس در مقاله اي كه در نشريه «نيچر» به چاپ رساندند، به تشريح تحقيقات خود پرداختند. امكان استفاده از مولكول هاي منفرد به عنوان قطعات دستگاه ها و ابزارهاي الكترونيكي يكي از روياهاي ديرينه صنايع الكترونيك و رايانه است، چرا كه در صورت وجود چنين قابليتي مي توان اندازه سيستم هاي ميكروالكترونيكي امروزي را كه توسط تراشه هاي سيليكوني ساخته مي شوند، شديداً كاهش داد. همان طور كه اندازه ابزارهاي الكترونيك كاهش يافته و به حدود نانومتر مي رسد، استفاده از ساير اتم ها براي ساخت ابزارهاي الكترونيك فعلي از جمله تراشه هاي سيليكوني، به دليل عملكرد بد يا بازده ضعيف كنار گذاشته مي شود. البته ساخت ابزارهايي در مقياس نانو از واحدهاي مولكولي بزرگ كربن ۶۰ آن مشكلاتي كه در نگاه اول به نظر مي رسد را به همراه ندارد، چرا كه اتم هاي اين مولكول ها با پيوند كووالانسي محكمي به يكديگر متصل شده اند و در نتيجه در جايگاه خودشان محكم و ثابت هستند. طي سال هاي گذشته چند گروه تحقيقاتي از جمله همين گروه مك يوئن ترانزيستورهايي را با استفاده از ريزلوله هاي كربن (Carbon Nanotube) ساخته اند. ريزلوله هاي كربن لايه هاي نازكي از گرافيت است كه در بعضي قسمت ها به يكديگر متصل شده اند و در نتيجه به صورت استوانه در آمده اند. هر چند كه اين لوله هاي دراز را به عنوان يك مولكول واحد كربن در نظر مي گيريم، اما بايد توجه داشت كه اين لوله ها چندين مرتبه از مولكول كربن ۶۰ ساخت مك يوئن و همكارانش كه به شكل توپ فوتبال است و در ساخت ترانزيستورهاي جديد به كار مي رود، بزرگ تر است. باكي بال ها آن چنان ظريف هستند كه در ترانزيستورهايي كه توسط آنها ساخته مي شود، در هر زمان مشخص فقط يك الكترون مي تواند عبور كند. اين فرآيند دريچه گسترده اي براي تحقيق در مورد آثار انتقالات يك الكترون منفرد را به روي ما مي گشايد.
|
|
اين محققين در مقاله اي كه در مجله نيچر به چاپ رساندند در تشريح تحقيقات خود مي گويند: «اندازه گيري تحركات اين ترانزيستورهاي مولكول كربن ۶۰ منفرد شواهدي مبني بر ارتباط بين حركات مركز جرم كربن ۶۰ و جابه جايي الكترون منفرد را ارائه مي دهد. اين مكانيسم انتقال الكترون منفرد تاكنون در هيچ كدام از تحقيقات مشابه ديگر مشاهده نشده بود. اندازه گيري انتقالات كربن ۶۰ بيانگر آن است كه فرايند تونل زني الكترون منفرد ( tunneling Single-electron) را هم مي توان براي تحريك يك مولكول و هم براي تحقيق در مورد حركات مولكولي به كار برد. » مك يوئن مولكول كربن ۶۰ را به توپي كه به انتهاي يك فنر بسته شده است تشبيه مي كند. مولكول كربن ۶۰ در حالت عادي در سطح الكترود طلا ثابت قرار گرفته و ساكن است. هنگامي كه يك الكترون به كربن ۶۰ وارد مي شود، بار الكترون اضافي باعث مي شود كه مولكول بيشتر به سطح طلا نزديك شود، انگار فنر مورد نظر ما فشرده شده است. هنگامي كه الكترون از كربن ۶۰ خارج مي شود، فنر نيز رها مي شود. اين روش ورود و خروج الكترون باعث مي شود كه مولكول نوسان كند، درست همانند توپي كه به انتهاي فنري آويزان است و مرتب به سمت بالا و پايين مي جهد. مك يوئن مي گويد اين جابه جايي هاي مكانيكي كربن ۶۰ در مقياس نانو مي تواند مدخل جديدي را براي گسترش ساير علوم باز كند. به عنوان مثال اين فرآيند را مي توان براي ذخيره اطلاعات در مولكول ها به كار برد. در اين صورت مي توان اطلاعات مورد نظر را بسيار پايدارتر و سريع تر از فناوري هاي موجود ذخيره يا بازيابي كرد.
مك يوئن و همكارانش براي ساخت ترانزيستورهاي مورد نظرشان از فرآيند ويژه اي كه با عنوان «مهاجرت الكترون» شناخته مي شود، استفاده كردند. اگر دو الكترود را به طور فيزيكي به يكديگر متصل كنيم و سپس جريان الكتريكي شديدي را از آن عبور دهيم جابه جايي الكترون ها باعث مي شود كه شكافي در حد نانومتر بين اين دو الكترود به وجود آيد. مك يوئن مي گويد هر چند كه ايجاد شكاف و ترك در الكترودها هنگام ساخت تجهيزات الكترونيك پديده مطلوبي نيست و از وقوع آن جلوگيري مي كنند، اما در اين مورد خاص ايجاد شكاف مد نظر است چرا كه شكافي كه بين الكترودهاي طلا به وجود مي آيد دقيقاً به اندازه مولكول هاي باكي بال است. اندازه گيري هاي جابه جايي و تحرك الكترون ها حول اين شكاف ها نشان مي دهد هنگامي كه محلولي از كربن ۶۰ را به اين شكاف ها وارد مي كنيم، هدايت الكتريكي الكترودها به شدت افزايش يافته است. اين نكته نشان مي دهد كه مولكول هاي باكي بال فضاي خالي اين شكاف ها را پر كرده است. اندازه گيري هاي آزمايشگاهي انجام شده نيز در توافق كامل با پيشگويي هاي نظري است. الكترودهاي طلا به كار رفته در اين تحقيقات در كارخانه «نانورايتر» متعلق به آزمايشگاه بركلي ساخته مي شود. نانورايتر ماشين ليتوگرافي با قدرت تفكيك بسيار بالا است كه مي تواند پرتوهاي الكتروني با انرژي بسيار بالا و در حد ۱۰۰هزار ولت و با قطر حدود ۵ نانومتر توليد كند.
اريك اندرسون يكي از همكاران اين پژوهش كه در ساخت ژنراتور نانورايتر و سيستم هاي كنترل همكاري داشته است، مي گويد: «قدرت تفكيك بالاي نانورايتر، دقت عالي در جايگزيني ذرات مختلف، ما را قادر مي سازد كه تعداد زيادي از الكترودهاي با كيفيت بالا توليد كرده و سپس با دقت بسيار زياد شكافي در آن ايجاد كنيم. »
ابزارهايي كه توسط باكي بال ها توليد مي شوند به ترانزيستورهاي نيمه هادي اكسيد فلزي بسيار شبيه هستند. اگر چه خود مك يوئن اذعان مي كند كه در حال حاضر هيچ كاربرد تجاري براي اين ماده پيدا نشده است، اما آن ها تحقيقات خود را براي توليد تجهيزات عصر آينده كه به سيستم هاي نانوالكترومكانيكال (NEMS) موسوم است، همچنان ادامه مي دهند.
First Science