تسهیل انتقال اطلاعات در ریز مدارها توسط آزمایشگاه ملی لارنس برکلی
مجموعه ای از مولکول های F4TCNQ
STEM (میکروسکوپ های الکترونی عبوری روبشی) تصویری از مولکول های F4TCNQ (زرد-نارنجی) در درگاه قابل تنظیم دستگاه گرافن.
برداشتن یک مولکول باردار شده از یک آرایه‌ی یک بعدی، باعث می‌شود که دیگر مولکول‌ها متناوبا جریانشان روشن و خاموش شده، که این امر انتقال اطلاعات را در مدارهای کوچک راحت‌تر می کند. مدارهای الکترونیکی کوچک، زندگی روزمره‌ی مارا در در اختیار دارند، از دوربین‌های کوچک تلفن‌های همراهمان گرفته تا ریزپردازنده‌های موجود در رایانه‌های ما. مهندسان و دانشمندان در حال طراحی قطعاتی از تک مولکولی‌ها هستند که بتوانند این دستگاه های الکترونیکی را حتی در ابعاد کوچکتر بسازند.
مدارهای کوچک شده در این روش، نه تنها تراکم، سرعت و بهینه سازی انرژی افزایش یافته در دستگاه را ارائه می دهند (برای مثال در الکترونیک‌های خم پذیر یا در ذخیره سازی داده‌ها) بلکه استفاده کردن از ویژگی های فیزیکی مولکول‌های خاص می تواند منجر به تولید دستگاهی منحصر به فرد از لحاظ عملکرد شود. با این وجود، دستگاه‌های نانوالکترونیک کاربردی در حال توسعه، که از تک مولکول‌ها ساخته شده اند، نیاز به کنترلی دقیق بر روی عملکرد الکترونیکی مولکول ها و روشی مناسب برای تولید آنها دارند. در حال حاضر، مطابق با آنچه که در نشریه ی نیچر الکترونیکس گزارش شده، محققان توانسته‌اند روشی را ایجاد کنند که به وسیله‌ی آن آرایه‌ای یک بعدی از مولکول‌های مجزا را تولید کرده و ساختار الکترونیکی اش را تولید کند. با تنظیم دقیق ولتاژ اعمال شده به زنجیره‌ای از مولکول‌های قرار گرفته در لایه کربنی یک بعدی (گرافن)، گروهی به سرپرستی محققان در آزمایشگاه ملی لارنس برکلی دریافتند که این ولتاژ قادر به کنترل خواه تمام مولکول ها یا هیچ کدام و یا تعدادی از آنهایی که بار الکترونیکی را حمل می کنند، می باشند. در ادامه، الگوی بار حاصل می تواند در زنجیره به وسیله ی دستکاری مولکول های مجزا در انتهای زنجیره جا به جا شود.
پروفسور مایکل کرومی عضو هیئت علمی در بخش علوم مواد آزمایشگاه برکلی و هدایت کننده این پروژه، بیان کرد:” چنانچه قصد دارید دستگاه های الکترونیکی ساخته شده از مولکول های مجزا بسازید، به مولکول هایی با عملکرد مناسب نیاز دارید و همچنین لازم است که این نکته را در نظر بگیرید که چگونه این مولکول ها را به صورت الگویی قابل استفاده کنار هم قرار دهید. در این پژوهش ما هر دو کار را انجام دادیم.” این پژوهش قسمتی از اداره‌ی علوم وزارت نیرو-برنامه‌ی تامین بودجه در دسته بندی نانودستگاه های کاربردی می باشد که هدف نهایی آن درک ویژگی های الکترونیکی و مکانیکی نانوساختارهای مولکولی، و ساخت نانودستگاه های مبتنی بر مولکول، با توانایی تبدیل انرژی از یک نوع به نوع دیگر در مقیاس نانو می باشد. ویژگی اصلی فلورین، مولکول غنی انتخاب شده توسط گروه آزمایشگاه برکلی، تمایل شدیدش در پذیرش الکترون‌ها می باشد. به منظور کنترل کردن ویژگی های الکترونیکی، زنجیره‌ای هماهنگ و متشکل از 15 مولکول، با داشتن بستر گرافن، کرومی که به عنوان استاد فیزیک دانشگاه برکلی کالیفرنیا نیز شناخته می شود، به همراه همکارانش الکترود فلزی را در زیر گرافنی که به وسیله یک لایه‌ی عایق کننده از آن جدا شده بود، قرار دادند. اعمال ولتاژ بین مولکول ها و الکترون ها، الکترودها را به سمت داخل یا خارج مولکول‌ها سوق داد. به این ترتیب مولکول های متکی بر گرافن تا اندازه ای همانند خازن، که مولفه ای الکترونیکی استفاده شده در مدار برای دخیره سازی و آزاد کردن بار الکتریکی است، می باشند. با این حال، برخلاف یک خازن بزرگ عادی، محققان توانستند با تنظیم ولتاژ در زیر الکترود، کنترل این مورد که کدام مولکول ها باردار شوند و کدام یک خنثی بمانند را به دست بگیرند.
آرایه‌ای تک بعدی از مولکول‌ها از بار الکتریکی (نقطه آبی) به خنثی (نقطه خالی) تغییر می‌کند که تعداد فرد مولکول از انتهای الگو حذف شود. این امر یک الکترون را به مولکول دوم به آخرین مولکول وادار می کند و باعث می شود مولکول های دیگر حالت بار خود را تغییر دهند و بنابراین الگوی متناوب بارها را تغییر می دهند. اعتبار: آزمایشگاه برکلی
زنجیره ی مولکولی
در مطالعات پیشین همنشینی‌های مولکولی، ویژگی‌های الکترونیکی مولکولی نمی توانند هم تنظیم شوند و هم مقیاس طول اتمی را شکل دهند. بدون تصویربرداری افزون، ارتباط بین ساختار و عملکرد به طور کامل در زمینه دستگاه‌های الکتریکی قابل فهم نیست. با قرار دادن مولکول ها در قالب تخصیص داده شده ویژه ای در بستر گرافنی، که در مرکز علمی کاربردی ذرات کوچک مولکولی آزمایشگاه برکلی صورت گرفت، کرومی و همکارانش مطمئن شدند که مولکول ها به مشاهدات میکروسکوپی و استفاده ی الکتریکی کاملا نفوذ پذیر هستند.
همانطور که انتظار می‌رفت، اعمال ولتاژ مثبت پرقدرت به الکترود فلزی زیر گرافن، از مولکول ها محافظت و آنها را پر از الکترون می کند و تمام آرایه ی مولکولی را در وضعیت شارژ منفی نگه می دارد. برداشتن یا معکوس کردن ولتاژ، باعث می شود که تمام الکترون های اضافه شده، مولکول ها را رها کرده، و کل آرایه را به وضعیت خنثایی بار تغییر می دهد. با این حال، در حالت سطح ولتاژ میانی، الکترون ها مولکول ها را فقط به صورت یکی در میان پر میکنند و در نتیجه الگوی باری همانند “صفحه شطرنج” ایجاد می کنند. کرومی و تیم همراهش این رفتار جدید را به وسیله این واقعیت که یکدیگر را دفع می کنند توضیح دادند. اگر دو مولکول باردار فضای مجاور را موقتا اشغال کنند، نیروی دافعه شان یکی از الکترون ها را کنار زده و آن را وادار می کند که در فضایی پایین تر از ردیف مولکولی قرار بگیرد.
کرومی گفت:”ما میتوانیم تمام مولکول ها را خالی از بار یا کاملا باردار شده یا تناوبی ایجاد کنیم. این روش را الگوی بار جمعی نامیدیم. به این دلیل که از طریق دفع الکترون با الکترون در سرتاسر ساختار تعیین می شوند.” محاسبات نشان دادند که در آرایه ای از مولکول ها با بارهای متناوب، همیشه آخرین مولکول آرایه به دلیل اینکه بعد از آن مولکولی برای دفع وجود ندارد، همیشه حامل یک الکترون مازاد می باشد. به منظور بررسی تجربی این نوع رفتار، تیم آزمایشگاه برکلی، آخرین مولکول در آرایه مولکول ها را که بارهای متناوب داشت حذف کردند. این تیم دریافتند که الگوی بار اصلی توسط یک مولکول تغییر پیدا کرده بود: موقعیت هایی که باردار شده بودند، خنثی شده و موقعیت های خنثی شده باردار شده بودند. محققان به این نتیجه رسیدند که پیش از حذف مولکول پایانی باردار شده، مولکول همجوارش خنثی شده است. در جایگاه جدیدش در پایان آرایه، دومین مولکول سابق باردار شد. برای حفظ کردن الگوی تناوبی بین مولکول های باردار شده و بدون بار، تمام الگوی بار باید به وسیله ی یک مولکول جابه جا شوند.
اگر بار الکتریکی را به عنوان یک واحد اطلاعاتی تصور کنیم، حذف آخرین مولکول باعث می شود که کل الگوی اطلاعات توسط یک جایگاه تغییر کند. این رفتار ثبات تغییر الکتررونیکی را در مدار دیجیتالی تقلید کرده و فرصت های جدید را برای انتقال اطلاعات از یک ناحیه ی دستگاه مولکولی به ناحیه ای دیگر فراهم می کند. حرکت دادن یک مولکول در خروجی آرایه می تواند به عنوان روشن یا خاموش کردن کلیدی، در جای دیگری در دستگاه قلمداد شود؛ که قابلیت مفیدی برای مدار منطقی در آینده را فراهم می کند.
کرومی توضیح داد:”یکی از موارد بسیار جالب برای ما درباره ی نتایج بدست آمده، این بود که ما می توانستیم بار الکترونیکی و درنتیجه‌ی آن ویژگی های مولکول ها را از دور نیز تغییر دهیم. این حد از کنترل دستاورد جدیدی است.”
محققان با این آرایه ی مولکولی، به هدفشان که ایجاد ساختاری با عملکردی ویژه است، دست یافتند. به عبارت دیگر، ساختاری که با اعمال ولتاژ، بارهای مولکولی اش به دقت بین وضعیت های مختلف تنظیم شود. تغییر بار مولکول ها باعث تغییری در رفتار الکترونیکی آن ها و در نتیجه در عملکرد کل دستگاه می شود. روش تیم آزمایشگاه برکلی برای کنترل کردن الگوهای بار مولکولی به طرح‌های جدیدی برای مولفه‌های الکترونیکی ذرات کوچک نانو از جمله ترانزیستورها و گیت‌های منطقی منجر می شود. علاوه بر این، این روش می تواند به دیگر مواد تعمیم پیدا کرده و در شبکه‌های مولکولی پیچیده ای بکارگرفته شود. یکی از احتمالات، تنظیم مولکول ها، برای ساخت الگوهای بار پیچیده تر است. برای مثال، جایگزین کردن یک اتم با اتمی دیگر در یک مولکول، ویژگی های مولکول را می تواند تغییر دهد. قرار دادن مولکول های تغییر یافته در آرایه، کارکرد جدیدی را ایجاد می کند. محققان بر اساس این نتایج، تصمیم به بررسی قابلیتی که ناشی از تغییرات داخل آرایه‌های مولکولی است گرفتند، و همچنین اینکه چگونه به صورت بالقوه امکان به عنوان مولفه‌های ریزمدار می توانند استفاده شوند. در پایان، محققان تصمیم به تلفیق این ساختارها و ساخت دستگاه‌های نانومقیاس کابردی گرفتند.
منابع:
“ثبات تغییر مکان مولکولی با استفاده از الگوهای بار قابل تنظیم در آرایه های مولکولی تک بعدی روی گرافن” توسط: سین-زون تی سای، یوهانس لیخنر، آرش ا. عمرانی، فرانکلین لیو، آندره س، آیکاوا، کریستف کاراش، سباستین ویکنبرگ، الکساندر ریس، کیلر ک. ناتیویداد، جین چن، ون وو چوی، کنجی واتانابی، تاکاشی تانیگوچی، چنلیانگ سو، استیون گ. لویی، الکس زت، ژیونگ لو و مایکل ف. کرومی، 28 سپتامبر 2020، نیچر الکترونیکس.
آزمایشگاه مولکولی یکی از مراکز کاربردی وزارت علوم DOE است که در آزمایشگاه برکلی واقع شده است.