Исследователи из Японии разработали серебряные атомные переключатели, которые создают стабильные электрические соединения между отдельными молекулами и электродами. Это решает ключевую проблему в создании схем молекулярной электроники.
Переключатель работает путём формирования и разрыва серебряных атомных нитей при подаче и снятии напряжения, что соответствует состояниям «включено» и «выключено». Этот метод обеспечивает масштабируемую интеграцию молекулярных компонентов, открывая путь для создания сверхкомпактных и энергоэффективных схем, построенных из отдельных молекул.
Будущее электронных схем
Будущие электронные схемы могут быть построены не из кремния, а из отдельных молекул. Учёные уже продемонстрировали функционирование молекулярной электроники в качестве выпрямителей, переключателей и блоков памяти. Ожидается, что такие устройства будут меньше и энергоэффективнее, чем сегодняшняя электроника. Однако ключевая проблема заключается в формировании стабильного электрического контакта между молекулами и металлическими электродами, что необходимо для сборки отдельных компонентов в функциональную схему.
Решение проблемы
Одним из решений этой проблемы является использование атомного переключателя (АС), умной альтернативы традиционному механическому переключателю. Вместо движущихся частей АС полагается на химические реакции, которые перемещают ионы металлов или запускают окислительно-восстановительные изменения для создания и разрыва проводящих путей. Это делает его более простым, надёжным и лёгким для интеграции в молекулярные схемы следующего поколения.
Исследования в Институте науки Токио
Исследователи из Института науки Токио, Япония, продемонстрировали серебряный АС, который можно использовать для соединения отдельных молекул в твёрдой среде. Исследование, опубликованное онлайн в журнале Small 25 октября 2025 года, знаменует шаг к созданию молекулярных соединений, способных связывать различные молекулярные электронные компоненты.
Исследовательскую группу возглавляли доценты Сатоси Канеко и Томоаки Нишино вместе с аспирантами доктором Акирой Айба и господином Секито Нисимуро из Института науки Токио, в сотрудничестве с доктором Тору Цуруока и доктором Казуя Терабе из Национального института материаловедения и доктором Мариусом Бюркле из Национального института передовых промышленных наук и технологий.
«Использование АС обеспечивает стабильную молекулярную проводку в твёрдой среде, позволяя подавать напряжение непосредственно на функциональные молекулы. Этот подход устраняет необходимость в механической манипуляции электродами, упрощая конструкцию устройств и обеспечивая параллелизацию и интеграцию, которые являются ключевыми шагами на пути к масштабируемой молекулярной электронике», — говорит Канеко.
Принцип работы атомного переключателя
АС формируется на тонкой плёнке оксида тантала (Ta₂O₅). Молекулы ацетилена вводятся, и при подаче небольшого напряжения формируются серебряные атомные нити, которые соединяются с этими молекулами. При подаче положительного напряжения атомы серебра перемещаются и формируют нить, соединяющую электроды, включая переключатель. Изменение напряжения разрывает нить, выключая переключатель.
При разрыве нити молекула ацетилена оказывается зажатой между оставшимися атомами серебра, образуя молекулярное соединение. В этом состоянии молекула ацетилена сама соединяет зазор между электродами и пропускает ток. Дальнейшее изменение напряжения в конце концов разрывает это молекулярное соединение, завершая цикл переключения.
Серебряный АС на основе Ta₂O₅ стабильно работал при низких напряжениях (около 0,3 В) в условиях сверхвысокого вакуума и в среде ацетилена.
Команда подтвердила, что их переключатель работает как задумано, используя метод неупругой спектроскопии туннелирования электронов. Этот метод обнаруживает крошечные вибрации молекул, когда через них проходит электричество. Молекулы ацетилена производили чёткие вибрационные сигналы, показывая, что они были напрямую соединены со серебряной нитью и помогали пропускать ток.
Этот новый метод устраняет необходимость в физической настройке электродов для формирования молекулярных соединений, что долгое время ограничивало применение молекулярной электроники в лабораторных экспериментах. Используя атомные переключатели, можно автоматически и одновременно создавать несколько молекулярных соединений, открывая путь для надёжного и масштабируемого метода изготовления.
«Ожидается, что полученные результаты внесут значительный вклад в разработку энергоэффективных молекулярных устройств, таких как переключатели и датчики, использующие квантовые свойства молекул», — говорит Канеко.
Этот прорыв приближает нас к созданию сверхкомпактных и энергоэффективных устройств, где целые электронные схемы построены из отдельных молекул.