Nejmenší možný spínač - kontakt zajišťuje jediný atom zlata  
Zdálo by se, že na vypínači se toho už moc vymyslet nedá. Nyní ale vzniklo zařízení, ve kterém jsou elektrody v (sub-)nano velikosti a vidět je můžeme jen díky tunelovému rastrovacímu elektronovému mikroskopu. Technologicky jde o nejmenší možném řešení na bázi jednotlivých atomů. Jde o využití technologie pro kterou se razí označení MCBJ ( Mechanically Controllable Break Junction).

 

 

Princip spínače na bázi vodíku (nahoře). Dole je proužek se zlatem, který byl použit v pokusu. Fotografie byla pořízena elektronovým mikroskopem. (Kredit: University of Groningen)

Nizozemský fyzik Marius Trouwborst pracoval na své doktorandské práci, která byla zaměřena na procházení elektrického proudu přes atomy a molekuly. Prakticky šlo o snahu miniaturizovat přístroje, dělat je dostupnější, rychlejší a levnější. V uplynulých čtyřiceti letech se počet tranzistorů vměstnaných na počítačový čip dařilo zdvojnásobovat každé dva roky. Odhaduje se, že během příštích deseti let ale dosáhneme na fyzikální strop těchto možností. Jednoduše proto, že funkce tranzistorů by další jejich miniaturizací utrpěla, což by vedlo k jejich nespolehlivosti. Pokud tedy budeme chtít zachovat nastoupený trend, musíme přijít s novými nápady. Jednou ze snah je využívat v elektronice jednotlivé atomy a molekuly.  Trouwborstovi  se při jeho pokusech v laboratoři podařilo přijít na nový způsob organizace atomů zlata, jež umožňuje výrobu velmi malého mechanického spínače. Kontakt v něm je zprostředkován jednotlivými atomy. Jde tedy o vypínač na nejzassší hranici možností miniaturizace.

 

Zvětšit obrázek
Dvě metalické elektrody se sub-atomárním rozpojením.

Výroba nejmenšího vypínače

Základem technologie MCBJ je substrát tvořený bronzem s příměsí fosforu. Tato látka je volena pro určitý stupeň pružnosti. Na povrchu takové základny se nanese tenká izolační vrstva z umělé hmoty (polyimid), na tu pak teprve tenoučký zlatý film (120 nm). Proužek zlata je vytvořen elektronovou litografií do tvaru špiček dotýkajících se velmi úzkým hrdlem (okolo 100 nm). Pod tímto zúžením je tenká vrstva umělé hmoty odleptána, aby zlatý proužek visel volně v prostoru. Konečná fáze spočívá v ohýbání bronzové základny. Tlak na základnu s cílem jí prohnout se provádí tyčinkou. To umožňuje postupovat s přesností mikrometru.  Nejužší místo hrdla tvořeného zlatým proužkem se začne protahovat „jako žvýkačka“ až do bodu kdy se přetrhne. V tomto bodě se vyvíjený tlak na ohyb základny poněkud sníží. Tím lze docílit toho, že se atomy zlata začnou znovu téměř dotýkat jeden druhého. Přibližování elektrod lze takto docílit s přesností stokrát větší, než-li je velikost jednoho atomu.
Vzniklé hroty elektrod mají tvar „pyramid z kulečníkových koulí“, přičemž špičku takové pyramidy tvoří jediný atom. Když se oba konce k sobě dostanou na vzdálenost 0,1 nanometru, začne zařízení fungovat jako miniaturní spínač. Vrcholy zlatých pyramid jsou totiž pastí pro jiné molekuly. Chycené molekuly v takovém obvodu získávají zajímavé vlastnosti a prapodivně se chovají v elektrickém poli. Když se například zvýší napětí, chycená molekula vodíku, začne náhle mezi oběma zlatými hroty divoce vibrovat. V tom okamžiku odpor takového obvodu prudce klesne. Tak se stalo, že mladík přišel k objevu nejmenšího vypínače na světě, jehož „zapnuto“  a „vypnuto“ závisí pouze od toho, zda necháme  molekulu vodíku mezi dvěma zlatými hroty třepat, či ne.

 

I když se nyní ví, že propustnost takového obvodu souvisí s onou popsanou vibrací molekul, skutečná příčina změny vlastností takového spoje, známa není. A i když tomu zatím zcela nerozumíme, vše nasvědčuje tomu, že tu máme novou technologii, která by si mohla rychle najít místo v další miniaturizaci elektroniky.

 

elektrody

Vlevo je mikrofotografie obou elektrod. Vpravo je zvětšená centrální část.


Pramen: University of Groningen.

 

http://www.rug.nl/

Datum: 23.01.2009 17:24
Tisk článku

ČCHI Energie pro život a techniku - Žert Vlastimil, Sándor Andrej
 
 
cena původní: 238 Kč
cena: 212 Kč
ČCHI Energie pro život a techniku
Žert Vlastimil, Sándor Andrej

Diskuze:

Nick

Enders Xenocida,2009-01-24 15:40:28

Díky. Doufám že tohle na mě nesedí. Je vybrán kvůli JaNet treba bude vypadat nejak takhle... http://b.bngi-channel.jp/psp-haruhi/swf/haruhi_swf_sample/haruhi512/haruhi512.swf :)

Odpovědět

Jan Simunek,2009-01-24 10:30:00

Neviem mam len dve otazky,ak predpokladame ze klasicky tranzistor prestane pri urcitom zmenseni pracovat dostatocne spolahlivo, teda predpokladam ze dovodom moze byt napriklad tunelovy jav pretoze pri danych rozmeroch je nenulova pravdepodobnost ze elektron prejde z jedneho vodica chraneneho akymsi polymerom na druhy.

Teda ak v clanku spomynanom zariadeni na prenos informacie pouzivame elektrony pravdepodobnost tuneloveho efektu je podobna a teda limit danej elektroniky nie je vo velkosti daneho prepinaca, ale ich vzdialenosti, cize hrubky izolatora.

A este jedna vec chyba mi tu podstatna informacia pri akej teplote to bolo robene :)

Dakujem za pripadne odpovede a namety

Odpovědět

Alexandr Kostka,2009-01-24 00:34:13

A ještě jedna maličkost: I v současném nejpokročilejším CPU/GPU/RAM tvoří samotné tranzistory relativně malý objem čipu. Tuším jde o něco do 10ti %. Takže mnohem větší váhu má zkoumání toho, jak k jednotlivým tranzistorům přivést/odvést energii. A tam, pokud si to pamatuji správně zaúřadovaly výzkumné laboratoře HP již před cca 1-2 roky, když slibovaly řekněme po atomech stavěné spoje v čipu. Což by přineslo okamžitou úsporu v řádech stovky procent. Ostatně logicky, pokud se zmenší součástky tvořící několik % čipu na polovic, tak se to projeví stejně, jako zmenšení součástí tvořících většinu čipu o pár %. A v oné zprávě HP se tehdy tuším mluvilo o možnosti okamžitého zmenšení spojů mezi jednotlivými tranzistory na polovic. Když to byl aktuální objev, kontaktoval jsem tým Osla. Ale co se pamatuji, jediná odpověď byla, že to nikdo z redaktorů pořádně nepochopil, a tak zpráva o možná objevu (Hm, aplikace logiky) desetiletí tento server nějak minula..

Odpovědět

Zajímavé

Enders Xenocida,2009-01-23 22:59:20

snad by se pomocí dat o zmenach odporu v zavislosti na vzdalenosti od jadra u zachycenych ruznych atomu dala odvodit jejich struktura. To by mohlo neprimo potvrdit teorii o strunovem slozeni castic.

Odpovědět


Alexandr Kostka,2009-01-24 00:24:01

Ano, sledovat chování jednotlivých atomů uvězněných v "pasti" bude nepochybně zajímavé. Jen tak mě napadá třeba měření frekvence kmitání v závislosti na procházejícím proudu a velikosti zachyceného atomu, potažmo elektronového obalu. (potvrdí se menděljevova tabulka, nebo budou mít příbuzné prvky najednou zcela odlišné vlastnosti?) Ale obávám se, že na celkové velikosti integrovaného obvodu se velikost samotného přechodu projevuje jen minimálně. I zde autor a potažno sám objevitel připouští, že sice sám přechod má tvar pyramidy z atomů (střed tvoří 2 atomy zlata a 1 atom vodíku) ale že šíře "přívodních vodičů" velmi těsně vedle "pokusného tranzistoru" nabývá relativně mamutích rozměrů. Ostatně, nemýlím li se, tak je tento nově objevený a popsaný typ přechodu vhodný jen pro výočetní techniku. Jesli jsem to správně pochopil, tak nejde o zesilovač, umí jen reprezentovat stavy 0 a 1.

Odpovědět


NICK

Alexandr Kostka,2009-01-24 00:40:09

A mimochodem.. Ender Xenocida. Pěkný nick. Jen vyžaduje jisté schopnosti, jako například vyvražďování cizích druhů po milionech či miliardách. Tak bych se zeptal: Zavraždil xenocidní bratr diskutátor alespoň pár pozemských tvorů? (Mouchy a hmyzáky neberu. Což takhle obratlovce či přímo savce?) Děkuji předem za odpověď, podpořenou výpisy z hrobnických kronik :)

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni














Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace