ساخت تراشه حافظه مولکولی چگال به کمک فناوری‌نانو

محققان اعلام کرده‌اند که مدار حافظه جدیدی با استفاده از
مولکول‌ها و سیم‌های نانومتری ساخته‌اند. این تراشه‌ها به اندازه‌ای که سازندگان
تراشه برای تراشه‌های مورد نیاز در سال ۲۰۲۰ انتظار دارند، چگال می‌باشند. این
مدار، صفرها و یک‌ها را از طریق کلیدزنی خوشه‌های مولکولی بین دو حالت، ذخیره
می‌کند. این مدار، شامل ۱۶۰۰۰۰ بیت بوده که با چگالی ۱۰۱۱ بیت بر سانتیمتر مربع به
هم فشرده شده‌اند. این تراشه‌ها حداقل ۱۰ مرتبه از ریز تراشه‌های (microchip) موجود
چگال‌تر می‌باشند.
هم اکنون نمونه اولیه‌ای که ساخته شده برای استفاده تجاری به عنوان حافظه رایانه‌ای
به اندازه کافی پایدار و قابل اعتماد نمی‌باشد. برای ساخت چنین تراشه‌هایی، ضروری
است که سازندگان تراشه به نحوه به کارگیری موادی غیر از سیلیکون مسلط شوند. این
مسئله یک چالش بزرگ در فناوری محاسباتی (computing technology) است. اما مدارهای
الکترونیکی‌ای که تاکنون ساخته شده‌اند، با استفاده از فناوری‌نانو کوچکتر می‌شوند.

جیمز هیت از موسسه فناوری کالیفرنیا که یک شیمی‌دان و رئیس گروه سازنده تراشه مذکور
است در این باره می‌گوید: “ما از اینکه روی اجزای بسیار کوچک کار می‌کنیم خوشحالیم.
هدف اصلی ما از این کار فقط ساخت یک مدار حافظه نبود. ما می‌خواستیم روش‌های تولید
تجاری در اندازه‌های مولکولی را بهبود و گسترش دهیم”.
چارلز لایبر از دانشگاه هاروارد که محققی در زمینه فناوری‌نانو است در این باره
می‌گوید: “این مدار یک شاهکار است. او (جیمز هیت) محدودیت‌های چگالی ابزارهای مجتمع
و تعداد بیت‌ها که پیش از این در الکترونیک مولکولی وجود داشتند، را حذف نموده
است”.
هم اکنون محققان در حال بررسی سیستم‌های الکترونیکی نانومتری می‌باشند زیرا در حین
افزایش چگالی به منظور رفتن به پنتیوم‌هایی با شماره بالاتر، همیشه نمی‌توان
مدارهای سیلیکونی ساخته شده با سیم‌ها را فشرده‌تر ساخت. زیرا در صورت فشردگی بیش
از حد و نزدیک شدن بیش از اندازه سیم‌ها به هم، الکترونها در بین سیم‌ها تبادل
می‌شوند. این مسئله یک محدودیت فیزیکی برای چاپ مدارهای سیلیکونی به وجود می‌آورد.

ساخت یک مدار حافظه مجتمع بسیار چگال با استفاده از نانوسیم‌ها و مولکول‌ها

این گروه تحقیقاتی دو راهکار الکترونیک مولکولی (ترانزیستورهای
ساخته شده از مولکول) و کراس بارهای (crossbar) نانوسیمی که سیم‌های بسیار نازک
متقاطع عمود بر هم می‌باشند را با هم ادغام کرد. برای ساخت ابزار مذکور، این گروه
یک دسته ۴۰۰ تایی از سیم‌های سیلیکونی که بسیار به هم فشرده شده بودند (تنها ۳۳
نانومتر از همدیگر فاصله داشتند) را در مکان مخصوص خود نشاندند. سپس آنها را با یک
لایه از مولکول‌های [۲]rotaxane دمبل شکل، پوشش دادند. پس از آن، با پوشش دادن این
لایه مولکولی با ۴۰۰ سیم پلاتینی، یک شبکه متقاطع از سیم‌ها را ایجاد نمودند. به
این ترتیب گروه‌هایی از مولکول‌ها که بین دو لایه از سیم‌های متقاطع قرار گرفته
بودند، ساخته شدند. هر کدام از این گروه‌ها بین یک گره (node) که از تقاطع دو سیم
پلاتینی و سیلیکونی تشکیل می‌شد، قرار می‌گرفتند.
محققان برای کلیدزنی بین ۰ و ۱ یک ولتاژ مشخص به دو سر یک گروه مولکول در یک گره،
اعمال کردند. این ولتاژ عمل کلیدزنی مولکول‌ها بین دو حالت را انجام می‌داد. هر
مولکول [۲]rotaxane در اطراف دسته دمبل دارای یک حلقه بود، ولتاژ اعمالی به
مولکول‌ها باعث بالا و پایین رفتن حلقه می‌گردید و به این ترتیب رسانایی الکتریکی
مولکول تغییر می‌یافت.
سیم‌های مذکور آنقدر به هم نزدیک بودند که این گروه نمی‌توانست الکترودهایی را برای
اعمال ولتاژ به دو سیم منفرد (زیرا در هر گره تنها دو سیم وجود دارند) طراحی کند.
به همین دلیل، این گروه عمل کلیدزنی را همزمان برای نه گره انجام دادند.
یکی از این محققان می‌گوید: “اتصالات مورد استفاده در این روش پس از حدود ۱۰ بار
کلیدزنی، شکسته و قطع می‌گردند. این مسئله نشان می‌دهد که هنوز در این زمینه کارهای
زیادی باید انجام شود. علاوه بر این، این ملکول‌ها پس از حدود یک ساعت به حالت قبل
از کلیدزنی بر می‌گردند و این ناپایداری برای ابزارهای حافظه یک مشکل محسوب
می‌گردد. حافظه‌های فلش (flash) تجاری برای بیشتر از یک سال پایدار می‌باشند”.»
علاوه بر مشکلات مذکور عمل کلیدزنی بین حالت‌ها برای این مولکول‌های کند می‌باشد.
وی می‌افزاید: “گرچه می‌توان این زمان را کم کرد اما سرعت مدار‌های حافظه‌ای از این
دست تنها با کلیدزنی یک مولکول تعیین نمی‌شود و تعداد زیادی از اتصالات به طور
همزمان در آن تأثیر می‌گذارند. به همین دلیل سرعت این مدار یک دردسر بزرگ است. گرچه
نمونه ساخته شده یک نمونه آزمایشگاهی خوب است اما برای رفتن به دنیای واقعی کارهای
زیادی باید انجام شود”.
نتایج این تحقیق در مجله Nature به چاپ رسیده است.