LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

49

NANO

ELEKTRONIKA

m

a∏e

o

bwody

CHARLES M. LIEBER

NANODRUTY,

ka˝dy o Êrednicy 5–10 nm, mogà staç si´ przysz∏oÊcià

elektroniki. Wykonane z fosforku indu i po∏àczone ze z∏otymi elektroda-
mi sà na zdj´ciu widoczne w postaci bràzowych linii. Druty majà bardzo
ró˝ne zastosowania – pe∏nià funkcje pami´ci, elementów logicznych
oraz wykorzystane sà w macierzy diod elektroluminescencyjnych.

NAUKOWCY STWORZYLI JU˚

NANOTRANZYSTORY I NANODRUTY.

TRZEBA JESZCZE ZNALEèå SPOSÓB,

JAK JE PO¸ÑCZYå

N

iewiarygodnie

Czy naprawd´ potrzebujemy

coraz mniej-

szych obwodów elektronicznych? Nieustanna miniatury-
zacja uk∏adów krzemowych wydaje si´ nam tak oczywista,
˝e pytanie to stawiamy rzadko – mo˝e tylko wtedy, kiedy
wychodzàc ze sklepu z nowym komputerem, mamy wra˝enie,
˝e jest ju˝ z lekka przestarza∏y. Najbardziej zaawansowane
mikroprocesory zawierajà dziÊ przesz∏o 40 mln tranzysto-
rów; do roku 2015 liczba ta mo˝e wzrosnàç nawet do 5 mld.
Jednak w ciàgu nast´pnych 20 lat w tym szybkim marszu
napotkamy ograniczenia naukowe, techniczne i ekonomicz-
ne. W takim razie co dalej? Czy˝by 5 mld tranzystorów nie
wystarcza∏o?

Pokonywanie barier le˝y w ludzkiej naturze. Tych, którzy

pracujà nad udoskonalaniem komputerów, motywuje z pew-
noÊcià mo˝liwoÊç odkrywania i podboju nowych obszarów

wiedzy i techniki. Dostrzega si´ te˝ szans´ rewolucji w me-
dycynie i innych dziedzinach – wsz´dzie, gdzie miniaturyza-
cja pozwoli na interakcj´ ludzi i maszyn w sposób, który dziÊ
nie jest mo˝liwy.

Jak sugeruje sama nazwa – mikroelektronika zajmuje si´

obwodami, których elementy majà krytyczne wymiary rz´-
du mikrometra (chocia˝ ostatnio skurczy∏y si´ one nawet do
100 nm). Aby przekroczyç t´ granic´, trzeba czegoÊ wi´cej
ni˝ tylko zmniejszenia rozmiarów 10–1000 razy. Nale˝y zmie-
niç sposób myÊlenia o ∏àczeniu elementów.

Zarówno mikroelektronika, jak i nanoelektronika odnoszà

si´ do trzech poziomów organizacji. Podstawowà cegie∏kà
jest tranzystor lub jego odpowiednik w nanoskali – prze∏àcz-
nik, który w∏àcza i wy∏àcza pràd elektryczny czy te˝ wzmac-

nia sygna∏y. W mikroelektronice tranzystory sà wykony-
wane z pó∏przewodników – materia∏ów takich jak domiesz-
kowany krzem, który pod wp∏ywem zewn´trznych czyn-
ników przewodzi pràd lub go nie przewodzi. W przypad-
ku nanoelektroniki rol´ tranzystorów mogà przejàç czàstecz-
ki zwiàzków organicznych lub nieorganiczne struktury o roz-
miarach nanometrów.

Kolejny poziom organizacji to po∏àczenia mi´dzy elemen-

tami – „druty”, które sà niezb´dne, aby tranzystory mog∏y
wspólnie realizowaç operacje arytmetyczne i logiczne. W mi-
kroelektronice rol´ po∏àczeƒ spe∏niajà metalowe Êcie˝ki o sze-
rokoÊci od kilkuset nanometrów do kilkudziesi´ciu mikrome-
trów, osadzane na krzemie. W nanoelektronice funkcj´ t´
mogà spe∏niaç nanorurki lub inne przewodniki o Êrednicy
nanometra.

Najwy˝szy poziom – nazywany przez in˝ynierów archi-

tekturà – to po∏àczenie tranzystorów w bloki funkcjonalne,
które mo˝na wykorzystaç w komputerze lub innym syste-
mie, zapominajàc o szczegó∏ach ich budowy. W nanoelek-
tronice nie osiàgni´to jeszcze poziomu pozwalajàcego testo-
waç ró˝ne typy architektury, ale badacze sà Êwiadomi mo˝-
liwych do wykorzystania zalet i niedogodnoÊci, które trzeba
ominàç.

Krótko mówiàc, trudno o wi´ksze ró˝nice ni˝ te pomi´dzy

mikroelektronikà i nanoelektronikà. Wielu ekspertów uwa-
˝a, ˝e wraz ze skalà zmieni si´ ca∏kowicie sposób wytwarza-
nia – z tego, który mo˝na okreÊliç jako „z góry na dó∏”, na
„z do∏u do góry”. Aby dziÊ uzyskaç krzemowy uk∏ad scalony,
trzeba technikà fotograficznà, zwanà litografià, nanieÊç na
kryszta∏ krzemu uk∏ad po∏àczeƒ i usunàç zb´dny materia∏,
wytrawiajàc go w roztworze kwasów lub plazmà. Przy takiej
procedurze nie osiàga si´ precyzji wymaganej dla elemen-
tów o rozmiarach nanometrów. Przeciwnie – naukowcy wy-
twarzajà sk∏adniki nanostruktur metodami chemicznymi
w iloÊciach molowych (6

´ 10

23

sztuk), a nast´pnie wykorzy-

stujà cz´Êç z nich do budowy coraz wi´kszych ca∏oÊci. Do-
tychczasowy post´p robi du˝e wra˝enie. Ale je˝eli badania
porównaç do wyprawy na Mount Everest, to na razie co naj-
wy˝ej za∏o˝yliÊmy baz´.

Coraz mniejsze maszyny

ZASTOSOWANIE MOLEKU

¸

w elementach elektronicznych zapro-

ponowali z górà çwierç wieku temu Avi Aviram z IBM i Mark
A. Ratner z Northwestern University. W wizjonerskim artyku-
le przepowiadali, ˝e dobierajàc odpowiednià struktur´ czàste-
czek organicznych, b´dzie mo˝na uzyskaç elementy przypo-
minajàce swym dzia∏aniem tranzystor. Do niedawna ich idee,
zanim w chemii, fizyce i in˝ynierii nastàpi∏ ogromny post´p,
nie wykracza∏y poza ramy teorii.

SpoÊród wszystkich grup, które wcielajà w ˝ycie idee Avi-

rama i Ratnera, przodujà dwie – pierwsza utworzona przez

50

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

Zanim w chemii, fizyce i in˝ynierii

nastàpi∏ ogromny post´p,

zastosowanie moleku∏ w elementach elektronicznych

nie wykracza∏o poza ramy teorii

.

n

Uk∏ady krzemowe, p∏ytki drukowane, lutownice to we

wspó∏czesnej elektronice charakterystyczne elementy. Ale elektronika
przysz∏oÊci mo˝e byç znacznie bli˝sza chemii. Techniki
konwencjonalne pozwolà tylko do pewnego stopnia zmniejszaç
rozmiary obwodów – in˝ynierowie ju˝ wkrótce b´dà musieli
ca∏kowicie nowymi metodami projektowaç i realizowaç obwody.
Pewnego dnia mo˝e si´ okazaç, ˝e nasz komputer powsta∏ w zlewce.

n

Naukowcy stworzyli ju˝ elementy elektroniczne w skali

nanometrowej – tranzystory, diody, przekaêniki, bramki logiczne
– korzystajàc z czàsteczek organicznych, nanorurek w´glowych
i pó∏przewodnikowych nanodrutów. Obecnie g∏ówny problem
polega na tym, aby nauczyç si´ ∏àczyç te niezwykle ma∏e elementy.

n

W przeciwieƒstwie do uk∏adów konwencjonalnych, których

wytwarzanie rozpoczyna si´ od opracowania masek
umo˝liwiajàcych fotograficzne przenoszenie schematu po∏àczeƒ,
punktem wyjÊcia do uzyskania nanoobwodu b´dzie uk∏ad scalony
– zawierajàcy przypadkowà mieszanin´ nawet 10

24

elementów

i po∏àczeƒ, nie wszystkich dzia∏ajàcych – który trzeba b´dzie
stopniowo przekszta∏caç w u˝yteczny podzespó∏.

Przeglàd /

Nanoelektronika

ZDJ¢CIE: FELICE FRANKEL, POMOC TECHNICZNA YU HU

ANG

Har

var

d University (str

ona 48)

University of California w Los Angeles (UCLA) i firm´ Hew-
lett-Packard i druga przez uniwersytety Yale, Rice i Pennsyl-
vania State. W minionym roku obydwa zespo∏y wykaza∏y, i˝
tysiàce po∏àczonych ze sobà moleku∏ mogà przewodziç pràd
elektryczny pomi´dzy metalowymi elektrodami. Ka˝da z czà-
steczek ma oko∏o 0.5 nm szerokoÊci i co najmniej 1 nm d∏u-
goÊci. Obydwa zespo∏y wykaza∏y te˝, ˝e klastry czàsteczek
mogà zachowywaç si´ jak w∏àczniki i zostaç zastosowane
w pami´ciach komputerowych; w∏àczone nie zmieniajà sta-
nu przez oko∏o 10 min [patrz: Mark A. Reed i James M. Tour
„Obliczenia molekularne w elektronice”; Âwiat Nauki, wrze-
sieƒ 2000]. Na pozór uzyskany czas nie jest imponujàcy, ale
przecie˝ pami´ç RAM komputera traci zawartoÊç natych-
miast po wy∏àczeniu zasilania. Nawet je˝eli komputer jest
w∏àczony, dane przechowywane w pami´ci zanikajà i trzeba
je odÊwie˝aç mniej wi´cej co 0.1 s.

Mimo ró˝nic w szczegó∏ach mechanizmów prze∏àcza-

nia w przypadku obydwu czàsteczek sàdzi si´, ˝e u jego pod-
staw le˝y szeroko znany w chemii schemat utlenianie–reduk-
cja, który polega na przemieszczaniu elektronów pomi´dzy
atomami w obr´bie czàsteczki. W wyniku reakcji nast´puje
skr´cenie czàsteczki, co blokuje przep∏yw elektronów, po-
dobnie jak zgi´cie w´˝a ogrodniczego powstrzymuje prze-
p∏yw wody [ilustracja powy˝ej]. W pozycji „w∏àczone” czà-
steczka przewodzi pràd tysiàc razy lepiej ni˝ w pozycji
„wy∏àczone”. To na razie niewiele w porównaniu z tranzy-
storami, w których przewodnictwo zmienia si´ milion razy.
Obecnie naukowcy poszukujà innych czàsteczek o lepszych
w∏aÊciwoÊciach prze∏àczajàcych, a tak˝e próbujà zrozumieç
istot´ samego procesu.

Mój zespó∏ z Harvard University jest jednym z kilku, które

nie zajmujà si´ czàsteczkami organicznymi, lecz d∏ugimi,
cienkimi nieorganicznymi drutami. Najlepszym przyk∏adem
sà nanorurki w´glowe, których typowa Êrednica wynosi oko-
∏o 1.4 nm [patrz: Philip G. Collins i Phaedon Avouris „Nano-
rurki w elektronice”; Âwiat Nauki, luty 2001]. Druty o nano-
metrowych Êrednicach nie tylko przewodzà pràd o wi´kszym
nat´˝eniu, w stosunku do liczby atomów, ni˝ metal, ale mo-
gà te˝ dzia∏aç jak ma∏e tranzystory. W ten sposób rozwiàzu-
jemy jednoczeÊnie dwa problemy. Równie˝ zasady dzia∏ania
– takie same jak standardowych elementów krzemowych –
u∏atwiajà pos∏ugiwanie si´ tymi nanoobiektami.

W 1997 roku zespo∏y Ceesa Dekkera z Politechniki w Delft

w Holandii oraz Paula L. McEuena, wówczas pracujàcego
w University of California w Berkeley, niezale˝nie od siebie
poinformowa∏y o uzyskaniu bardzo czu∏ych tranzystorów wy-
konanych z nanorurek w´glowych o przewodnictwie metalicz-
nym. Mo˝na by∏o je w∏àczaç i wy∏àczaç, u˝ywajàc zaledwie
jednego elektronu, ale tylko w bardzo niskiej temperaturze.
W lipcu br. zespó∏ Dekkera doniós∏, ˝e zdo∏a∏ pokonaç to

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

51

SLIM FILMS

CHARLES M. LIEBER w dzieciƒstwie sp´dzi∏ wiele czasu, budujàc
i rozbierajàc sprz´t stereo oraz modele samochodów i samolotów.
Obecnie jest profesorem chemii w Harvard University, gdzie kieruje ze-
spo∏em 25 studentów, doktorantów i doktorów, którzy zajmujà si´
naukowymi i technologicznymi aspektami obiektów w nanoskali. Nie-
dawno Lieber za∏o˝y∏ wraz z Larrym Bockiem pracujàcym w CW Ven-
tures i Hongkun Park z Harvard University firm´ NanoSys, Inc. Dà˝à,
bagatela, do zrewolucjonizowania takich dziedzin, jak detekcja che-
miczna i biologiczna, elektronika, optoelektronika i zapis danych.

O

AUTORZE

TRANZYSTORY MOLEKULARNE

mogà staç si´ elementarnymi
cegie∏kami do budowy
uk∏adów elektronicznych
w skali nanometrowej.
Ka˝da z przedstawionych tu
dwu czàsteczek mo˝e
przewodziç pràd elektryczny
niczym malutki drucik,
je˝eli tylko w wyniku
reakcji utlenianie–redukcja
zmieni si´ konfiguracja
atomów, powodujàc
„w∏àczenie” czàsteczki.
Na rysunku ka˝dy odcinek
oznacza wiàzanie
chemiczne, w miejscu
zetkni´cia dwóch odcinków
znajduje si´ atom w´gla. Ka˝da
kulka to atom inny ni˝ w´giel.

ROTAKSAN

WY¸ÑCZONY

W¸ÑCZONY

BENZENOTIOL

DODATKOWY

ELEKTRON

WY¸ÑCZONY

W¸ÑCZONY

NANOTRANZYSTORY

ograniczenie. Naukowcy, korzystajàc z mikroskopu si∏ ato-
mowych, zbudowali dzia∏ajàcy w temperaturze pokojowej
tranzystor prze∏àczany za pomocà jednego elektronu. Dek-
ker i jego wspó∏pracownicy stworzyli te˝ z nanorurek bar-
dziej konwencjonalny tranzystor polowy – podstawowà ce-
gie∏k´ wi´kszoÊci wspó∏czesnych cyfrowych uk∏adów sca-
lonych. Zespó∏ McEuena po∏àczy∏ nanorurki metaliczne i pó∏-
przewodzàce, uzyskujàc diod´ przepuszczajàcà pràd tylko

w jednym kierunku. Moja grupa zademonstrowa∏a ca∏kowi-
cie inne rozwiàzanie – wykonany w nanoskali przekaênik
elektromechaniczny.

Goràce druty

PODSTAWOWY PROBLEM

z nanorurkami polega na tym, ˝e trud-

no je uzyskaç w postaci jednorodnej. Poniewa˝ niewielka mo-
dyfikacja Êrednicy mo˝e spowodowaç przejÊcie z odmiany

52

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

BRY

AN CHRISTIE

Pojedyncze ∏aƒcuchy DNA sà przytwierdzane do p∏ytki

krzemowej. Zakodowano w nich wszystkie mo˝liwe
wartoÊci zmiennych w równaniu, które ma byç rozwiàzane.

Na powierzchni´ p∏ytki wylewany jest roztwór

zawierajàcy ∏aƒcuchy komplementarne, w których
zakodowano pierwszy warunek, jaki musi spe∏niç
rozwiàzanie równania. Nowe ∏aƒcuchy do∏àczajà si´
do tych spoÊród obecnych wczeÊniej, które spe∏niajà
˝àdany warunek. ¸aƒcuchy zawierajàce niepoprawne
rozwiàzania pozostajà pojedyncze.

Enzym usuwa wszystkie pojedyncze ∏aƒcuchy.

Nast´pnie od∏àcza ∏aƒcuchy komplementarne.

Ca∏a operacja jest powtarzana z kolejnymi warunkami,
które ma spe∏niaç rozwiàzanie równania.

¸aƒcuch DNA, który przetrwa kolejne operacje tego

typu, zawiera poszukiwane rozwiàzanie równania.

POJEDYNCZY
¸A¡CUCH DNA

ROZWIÑZANIE
POPRAWNE

ROZWIÑZANIE

B¸¢DNE

¸A¡CUCH

KOMPLEMENTARNY

ENZYM

P¸YTKA
KRZEMOWA

1

2

3

4

5

Obliczenia

z wykorzystaniem DNA

DLACZEGO OGRANICZAå SI¢ DO ELEKTRONIKI? Wysi∏ki

zmierzajàce do zmniejszenia rozmiarów komputerów

wià˝à si´ z za∏o˝eniem, ˝e b´dà one dzia∏aç na tych

samych zasadach jak dziÊ, przesy∏ajàc sygna∏y w postaci

elektronów i przetwarzajàc je za pomocà tranzystorów.

Ale komputer w nanoskali mo˝e funkcjonowaç wed∏ug

ca∏kiem innych regu∏. Jednà z najbardziej ekscytujàcych

mo˝liwoÊci jest wykorzystanie noÊnika informacji

˝ywych organizmów – DNA.

Ta podstawowa dla ˝ycia czàsteczka mo˝e przechowywaç

olbrzymie iloÊci danych w postaci sekwencji czterech

zasad (adeniny, tyminy, guaniny i cytozyny), a enzymy

potrafià manipulowaç danymi w sposób wysoce równoleg∏y.

Ogromne, wynikajàce stàd mo˝liwoÊci pierwszy zauwa˝y∏

w 1994 roku informatyk Leonard M. Adleman.

Wykaza∏ on, ˝e komputer oparty na czàsteczkach DNA

mo˝e rozwiàzaç pewne zadanie szczególnie trudne

dla zwyk∏ych komputerów – zagadnienie drogi Hamiltona,

zwiàzane ze s∏ynnym problemem komiwoja˝era

[patrz: Leonard M. Adleman „DNA

– komputerem”; Âwiat Nauki, paêdziernik 1998].

Adleman zaczà∏ eksperyment od przygotowania

roztworu DNA. W pojedynczych czàsteczkach tego kwasu

zakodowa∏ wszystkie mo˝liwe drogi pomi´dzy dwoma

punktami. W kolejnych krokach polegajàcych

na separacji i wzmacnianiu Adleman eliminowa∏

rozwiàzania nie spe∏niajàce wymagaƒ – na przyk∏ad te,

które zawiera∏y niedozwolone punkty – a˝ do chwili,

kiedy pozosta∏a poprawna trasa. Nieco póêniej zespó∏

Lloyda M. Smitha z University of Wisconsin-Madison

zaimplementowa∏ podobny algorytm, wykorzystujàc

bioczujniki DNA, które lepiej nadajà si´ do realizacji

praktycznych obliczeƒ (ilustracja obok).

Pomimo zalet DNA, umo˝liwiajàcych rozwiàzywanie

zagadnieƒ nierozwiàzywalnych innymi metodami,

trzeba pokonaç liczne trudnoÊci, na przyk∏ad wyeliminowaç

cz´ste przypadkowe b∏´dy wynikajàce z niedopasowania

pomi´dzy parà zasad oraz zmniejszyç liczb´ czàsteczek tego

kwasu, których potrzeba ogromnie du˝o, nawet w przypadku

prostych zadaƒ. Byç mo˝e obliczenia z wykorzystaniem DNA

uda si´ w przysz∏oÊci po∏àczyç z innymi nurtami

nanoelektroniki, wykorzystujàc mo˝liwoÊci integracji

i zdolnoÊci detekcyjne nanodrutów i nanorurek.

LISTOPAD 2001

ÂWIAT NAUKI

53

przewodzàcej w pó∏przewodzàcà, to nawet du˝a partia nano-
rurek mo˝e zawieraç ma∏o dzia∏ajàcych elementów. W kwiet-
niu tego roku Phaedon Avouris i jego wspó∏pracownicy z IBM
Thomas J. Watson Research Center znaleêli na to sposób. Mie-
szanin´ rurek przewodzàcych i pó∏przewodzàcych umieÊcili po-
mi´dzy dwiema metalowymi elektrodami i przepuÊcili przez
nie pràd. Dzi´ki temu zdo∏ali selektywnie „wypaliç” rurki prze-
wodzàce – pozosta∏y tylko te, które by∏y pó∏przewodnikami.
Rozwiàzanie to nie jest idealne, poniewa˝ trzeba skorzystaç
z konwencjonalnej litografii, aby po∏àczyç ze sobà przypad-
kowo roz∏o˝one nanorurki i zbadaç oraz zmodyfikowaç ka˝-
dy z elementów, których mogà byç nawet miliardy.

Mój zespó∏ pracuje nad innym typem drutu w nanoska-

li, który nazywamy nanodrutem pó∏przewodnikowym. Ma
on mniej wi´cej takà samà Êrednic´, jak nanorurka w´glo-
wa, ale jego sk∏ad ∏atwiej jest precyzyjnie kontrolowaç. Aby
wyhodowaç takie obiekty, korzystamy z metalicznego kata-
lizatora, który okreÊla Êrednic´ powstajàcego drutu i wy-
znacza miejsce, gdzie ch´tnie zbierajà si´ czàsteczki two-
rzàce ˝àdany materia∏. W trakcie wzrostu nanodrutu wpro-
wadzamy domieszki chemiczne (dodajàce lub usuwajàce
elektrony), które decydujà, czy materia∏ jest typu n (ma nad-
miar elektronów), czy typu p (niedobór elektronów, czyli
– co jest równowa˝ne – nadmiar obdarzonych ∏adunkiem
dodatnim „dziur”).

Dzi´ki dost´powi do materia∏ów typu n i p, niezb´dnego

budulca tranzystorów, diod i innych elementów elektronicz-
nych, mamy nowe mo˝liwoÊci – zbudowaliÊmy ró˝ne elemen-
ty: tranzystory (obydwa podstawowe ich typy – polowe i bipo-
larne), inwertery przekszta∏cajàce sygna∏ „0” w „1” oraz diody
elektroluminescencyjne, umo˝liwiajàce wspó∏prac´ z uk∏a-
dami optycznymi. Nasze tranzystory bipolarne by∏y pierw-
szymi elementami wykonanymi w skali molekularnej, zdol-
nymi do wzmacniania pràdu. Najnowszym osiàgni´ciem
pracowników mojego laboratorium jest pami´ç, którà Xiang-
feng Duan uzyska∏, ∏àczàc ze sobà nanodruty typu n i p. Po-
zwala ona przechowywaç dane w postaci ∏adunków uwi´zio-
nych w obszarze pomi´dzy przecinajàcymi si´ nanodrutami
przez co najmniej 10 min [ilustracja na nast´pnej stronie].

Droga przez d˝ungl´

ZBUDOWANIE ELEMENTÓW MOLEKULARNYCH

i innych o rozmia-

rach nanometrowych to dopiero poczàtek. Ich ∏àczenie i in-
tegracja jest, jak si´ wydaje, wi´kszym wyzwaniem. Po pierw-
sze, nanoelementy trzeba ∏àczyç, korzystajàc z przewodów
w tej samej co one skali. Obecnie elementy z czàsteczek orga-
nicznych mocuje si´ do konwencjonalnych Êcie˝ek metalizo-
wanych, wytworzonych technikà litografii. Nie mo˝na ich za-
stàpiç nanodrutami, poniewa˝ nie umiemy uzyskaç dobrych
po∏àczeƒ elektrycznych, nie niszczàc zarazem naszych ma-
lutkich obiektów. Problem da∏oby si´ rozwiàzaç, u˝ywajàc
nanodrutów i nanorurek zarówno jako elementów, jak i po-
∏àczeƒ mi´dzy tymi elementami.

Po drugie, gdy elementy b´dà ju˝ po∏àczone z nanodruta-

mi, trzeba z nich u∏o˝yç pewnà dwuwymiarowà siatk´. W ra-
porcie opublikowanym na poczàtku roku cz∏onkowie mojego
zespo∏u, Duan i Yu Huang, opisali prze∏omowe osiàgni´cie –
zdo∏ali zbudowaç nanoobwody, wykorzystujàc przep∏yw cie-
czy. Podobnie jak rzeka unosi z nurtem pnie i k∏ody, tak za
pomocà p∏ynu mo˝na u∏o˝yç równolegle nanodruty. W na-
szym laboratorium zastosowaliÊmy etanol i inne roztwory,
a przep∏yw cieczy kontrolowaliÊmy za pomocà kana∏ów w po-
limerowych klockach, które mo˝na ∏atwo umieÊciç na pod-
∏o˝u, tam, gdzie chcemy zmontowaç obwód.

W procesie tworzà si´ po∏àczenia w kierunku przep∏ywu:

kiedy ciecz p∏ynie w jednym kanale, otrzymujemy nanodru-
ty równoleg∏e. Aby uzyskaç po∏àczenia w innych kierunkach,
zmieniamy kierunek przep∏ywu i powtarzamy proces, wytwa-
rzajàc kolejne warstwy nanodrutów. Na przyk∏ad aby uzy-
skaç prostokàtnà sieç, obracamy kierunek przep∏ywu
o 90º i nak∏adamy nast´pnà warstw´. Zmieniajàc sk∏ad dru-
tów w ró˝nych warstwach, mo˝emy ∏atwo uzyskaç sieç na-
noelementów o ró˝nych w∏aÊciwoÊciach, nie korzystajàc przy
tym z aparatury bardziej z∏o˝onej ni˝ ta, której u˝ywa si´
w laboratorium chemicznym szko∏y Êredniej. I tak sieç diod
zawiera warstw´ nanorurek przewodzàcych nad warstwà na-
norurek pó∏przewodzàcych albo warstw´ nanodrutów typu
n

na wierzchu warstwy nanodrutów typu p. W obydwu przy-

padkach ka˝de z∏àcze w w´êle sieci dzia∏a jak dioda.

Mamy, podobnie jak zespó∏ z UCLA i Hewlett-Packard, de-

terministyczne podejÊcie – dà˝ymy do uzyskania elementów
o przewidywalnym dzia∏aniu. Forma wynika z funkcji. Alter-
natywne rozwiàzanie, które przyj´∏a grupa z uniwersytetów
Rice, Yale i Pennsylvania State, dopuszcza przypadkowe po-
∏àczenie ró˝nych bloków elementów. Nast´pnie bada si´, ja-
kie funkcje pami´ciowe czy obliczeniowe mo˝e realizowaç
otrzymany uk∏ad. W tym przypadku funkcja podà˝a za for-
mà. Podstawowy problem tkwi w tym, ˝e trzeba du˝ego wy-
si∏ku, aby przeÊledziç z∏o˝onà sieç po∏àczeƒ i zrozumieç, jak
jà wykorzystaç.

Wszystkie te wysi∏ki wià˝à si´ nierozerwalnie z poszukiwa-

niem architektur, które pozwolà jak najlepiej wykorzystaç uni-
kalne w∏aÊciwoÊci nanoelementów i mo˝liwoÊci monta˝u „z do-
∏u do góry”. Chocia˝ potrafimy wykonaç niezliczonà liczb´
praktycznie darmowych nanostruktur, to jednak elementy,
w których je wykorzystujemy, sà o wiele bardziej zawodne ni˝
ich odpowiedniki mikroelektroniczne. Poza tym nasze mo˝li-
woÊci formowania struktur sà wcià˝ niezwykle skromne.

Mój zespó∏ wspó∏pracuje z grupà André DeHona z Califor-

nia Institute of Technology nad uproszczeniem architektury
bloków, by sta∏y si´ wystarczajàco uniwersalne do zastoso-
wania ich w komputerach. W przypadku pami´ci punktem
wyjÊcia jest dwuwymiarowa macierz krzy˝ujàcych si´ nano-
drutów lub podwieszonych prze∏àczników elektromechanicz-
nych, umo˝liwiajàca przechowywanie danych w ka˝dym
punkcie przeci´cia. Podobnà architektur´ stosujà naukowcy

Wkrótce nanoelementy mogà znaleêç praktyczne zastosowania

– na przyk∏ad jako ultraczu∏e detektory do wykrywania

ró˝norodnych czàsteczek gazów i zwiàzków organicznych.

z UCLA i Hewlett-Packard – przypomina ona struktur´ magne-
tycznych pami´ci rdzeniowych u˝ywanych w komputerach
w latach pi´çdziesiàtych i szeÊçdziesiàtych.

Prawo wielkich liczb

SPOSOBU NA ZAWODNOÂ

å

pojedynczych elementów mo˝na szu-

kaç w liczbach – struktury sà tak tanie, ˝e zawsze mo˝na zastà-
piç je innymi. Naukowcy, którzy badajà odpornoÊç na defekty,
wykazali, ˝e komputer mo˝e wykonywaç obliczenia, nawet je-
˝eli zawiedzie wiele spoÊród jego identycznych elementów,
chocia˝ samo stwierdzenie defektu i jego odnalezienie mo˝e
okazaç si´ czasoch∏onne. Mamy nadziej´, ˝e uda si´ nam w koƒ-
cu podzieliç olbrzymie macierze elementów na mniejsze frag-
menty, bardziej niezawodne i ∏atwiejsze do monitorowania.
Optymalne rozmiary podmacierzy sà uzale˝nione od g´stoÊci
defektów w uk∏adach molekularnych i nanoelementach.

Inny problem, który trzeba rozwiàzaç w nanoelektronice,

dotyczy projektowania: w jaki sposób in˝ynierowie uzyskujà
potrzebny obwód? W przypadku mikroelektroniki konstruk-
torzy post´pujà jak architekci: opracowujà plany (maski) ob-
wodu, które w fabryce wykorzystuje si´ do produkcji. JeÊli
chodzi o nanoelektronik´, dzia∏alnoÊç projektantów b´dzie
bardziej przypominaç programowanie. Fabryka dostarczy su-
rowe nanouk∏ady – miliardy miliardów elementów i po∏àczeƒ
o ograniczonej funkcjonalnoÊci. Ka˝dy b´dzie podobny do
kostki z wystajàcym p´kiem przewodów. Za pomocà niewie-
lu dost´pnych wyprowadzeƒ in˝ynierowie muszà skonfigu-
rowaç miliardy elementów znajdujàcych si´ w Êrodku. W∏a-
Ênie to w nanoelektronice ekscytuje mnie najbardziej.

Nanoelementy mogà znaleêç zastosowanie, zanim jeszcze

rozwià˝emy te problemy. Grupa, którà kieruje Hongjie Dai
ze Stanford University, zastosowa∏a pó∏przewodzàce nano-
rurki w´glowe do detekcji czàsteczek gazów. Yi Cui z mojego
zespo∏u, u˝ywajàc pó∏przewodnikowych nanodrutów, zbudo-
wa∏ ultraczu∏y detektor do wykrywania ró˝norodnych zwiàz-
ków organicznych. W naszym zespole w Harvard University

przekszta∏ciliÊmy tranzystor polowy w czujnik zbudowany
z nanodrutów, modyfikujàc jego powierzchnie receptorami
molekularnymi. Dzi´ki temu pojedyncze czàsteczki mo˝na
wykrywaç zwyk∏ym woltomierzem. Ma∏e rozmiary i niezwy-
k∏a czu∏oÊç elementów wykonanych z nanodrutów pozwala-
jà zbudowaç czujniki o ogromnych mo˝liwoÊciach, na przy-
k∏ad do sekwencjonowania ludzkiego genomu w jednym
uk∏adzie, lub te˝ urzàdzenia medyczne do ma∏o inwazyjnej
diagnostyki i terapii. W niedalekiej przysz∏oÊci mogà powstaç
uk∏ady hybrydowe ∏àczàce mikroelementy i nanoelementy,
jak obwody krzemowe z nanordzeniem – mo˝e b´dzie to pa-
mi´ç komputerowa o wysokiej g´stoÊci zdolna do trwa∏ego
przechowywania danych.

Chocia˝ trzeba jeszcze olbrzymiej pracy, nim uk∏ady nano-

elektroniczne znajdà si´ w komputerach, cel ten wydaje si´
bardziej realny dziÊ ni˝ rok temu. Nabierajàc ufnoÊci we w∏a-
sne si∏y, uczymy si´ nie tylko zmniejszaç elementy w mikro-
elektronice cyfrowej, ale tak˝e wymyÊlaç zastosowania i snuç
plany nieziszczalne przy tradycyjnych uk∏adach cyfrowych.
Nanoelementy, w których wyst´pujà zjawiska kwantowe, mo˝-
na na przyk∏ad wykorzystaç do szyfrowania kwantowego
i stworzenia komputera kwantowego. Bogactwo nanoÊwia-
ta zmieni makroÊwiat.

T∏umaczy∏

Rafa∏ Bo˝ek

54

ÂWIAT NAUKI LISTOPAD 2001

Strona autora w Sieci WWW:

cmliris.harvard.edu

Strona grupy Avourisa:

www.research.ibm.com/nanoscience

Strona grupy Dai:

www.chem-stanford.edu/group/dai

Strona grupy DeHona:

www.cs.caltech.edu/~andre

Strona grupy Dekkera:

www.mb.tn.tudelft.nl/user/dekker

Strona grupy McEuena:

www.lassp.cornell.edu/lassp_data/mceuen/homepage/welcome.html

Strona grupy Penn State:

stm1.chem.psu.edu

Strony grupy Rice i Yale:

www.jmtour.com

oraz

www.eng.yale.edu/reedlab

Strona grupy Smitha:

www.chem.wisc.edu/~smith

Strona grupy UCLA i Hewlett-Packard:

www.chem.ucla.edu/~schung/hgrp

oraz

www.hpl.hp.com/research/qsr/staff/kuekes.html

JEÂLI CHCESZ WIEDZIEå WI¢CEJ

MACIERZ NANODRUTÓW

KRZY˚UJÑCE SI¢ NANODRUTY

pozwalajà rozwiàzaç podstawowe
problemy elektroniki w skali molekularnej:
jak pod∏àczyç przewody do elementów
takich jak tranzystory czy diody.
Nasze druty spe∏niajà podwójnà rol´,
b´dàc jednoczeÊnie przewodami
i elementami aktywnymi.
Ka˝de z∏àcze to pewien przyrzàd
– w tym przypadku miniaturowy
przekaênik elektromechaniczny,
który jest w∏àczony (druty stykajà si´)
lub wy∏àczony (sà rozseparowane).
Aby zmieniç stan prze∏àcznika, trzeba doprowadziç
do drutów pewne napi´cie. Przekaênik pozostanie w wybranej
pozycji dowolnie d∏ugo. Krzy˝ujàce si´ pó∏przewodnikowe
nanodruty da si´ tak˝e wykorzystaç do budowy wy∏àczników
sterowanych elektrycznie, których dzia∏anie nie wymaga ruchu.
Mogà one pos∏u˝yç jako elementy pami´ciowe i macierze
logiczne – wa˝ny krok w kierunku budowy nanokomputera.

SLIM FILMS

STYK „W¸ÑCZONY”

ELEKTRODA

WSPORNIK

STYK „WY¸ÑCZONY”

NANORURKA

IZOLATOR