Molekulární samoorganizace

Jednoho dne se budou počítačové čipy cíleně a řízeně pěstovat, nikoliv vyrábět. O principu nanotechnologií tj. ...


Jednoho dne se budou počítačové čipy cíleně a řízeně pěstovat, nikoliv vyrábět.

O principu nanotechnologií tj. o práci s neuvěřitelně malými objekty většina z
vás už určitě někdy slyšela. Jako doklad titěrnosti těchto rozměrů může
posloužit špendlíková hlavička, jejíž průměr činí 1 milion nanometrů. Je vcelku
pochopitelné, proč taková extrémní miniaturizace zajímá výrobce polovodičů.
Chtějí totiž za každou cenu dostát neúprosnému diktátu Moorova zákona (hustota
tranzistorů na čipu se každých 18 až 24 měsíců zdvojnásobuje), který se s
každou další generací čipů stále obtížněji dodržuje.
Řada firem předpokládá, že nejlépe se v nanosvětě daří operovat pomocí tzv.
molekulární samoorganizace. Při ní se příslušné obvody doslova samy sestaví
nebo vypěstují. Na komponenty vzniklé postupnou samoorganizací se soustřeďuje
zájem společností IBM, Texas Instruments, Fujitsu a Hewlett-Packard. Takto
vzniklé částice se dle jejich mínění dají integrovat do současných běžných čipů
produkovaných na bázi křemíku. Naproti tomu se některé začínající firmy, jako
například ZettaCore či Cambrios Technologies, snaží vyřadit křemík úplně a
vytvářet celé polovodiče pouze z molekul.
Odborníci ale varují, že tento technologický závod není sprint, nýbrž maraton,
jehož cílovou pásku spatříme nejdříve za 20 let.
Vědci už dokázali, že mechanismus molekulárního samosestavování lze propojit s
běžnými technologiemi výroby polovodičů. "Teoreticky by se tedy čipy alespoň
částečně vzniklé pomocí samoorganizace mohly objevit v komerčně dostupných
počítačích během pěti až sedmi let," tvrdí Jack Uldrich, prezident NanoVeritas
Group, který je spoluautorem pojednání Příští velká věc je opravdu malá (The
Next Big Thing Is Really Small).

Přirozené vzory
Samoorganizace v podstatě představuje tendenci určitých molekulárních struktur
přirozeně se uspořádávat do přirozených vzorů. V přírodě se tento jev vyskytuje
velmi často. Ve velkém měřítku může být příkladem směr větru, teplota a vlhkost
vzduchu, které pozorovatele dovedou k efektivnímu předvídání známých typů bouří.
Přenesme nyní své myšlení do poněkud menších rozměrů, respektive mnohem
menších. Určité molekuly se i bez řízení spojují předvídatelným způsobem.
"Některé molekuly se dokáží navzájem rozpoznat a nalézt přirozené
nízkoenergetické stavy," vysvětluje W. Grant McGimpsey, profesor biologie a
ředitel ústavu biologického inženýrství při Worcester Polytechnic Institute v
Massachusetts. Obvyklým přístupem, od kterého se očekává, že sehraje důležitou
roli při výrobě čipů , je tzv. SAM neboli Self-Assembling Monolayer. Jde o
samoorganizující se monomolekulární vrstvu. Pokud se substrát a molekuly s
dlouhými uhlíkovými řetězci spojí za správných podmínek, monovrstvy (SAM) se
samy uspořádají.
"Na monovrstvách je skvělé to, že jsou velmi dobře uspořádané," raduje se
McGimpsey. Pole takových monovrstev prorůstá do podkladu (substrátu) pod přesně
definovaným úhlem jako malá záplata z hustého a dobře udržovaného trávníku a
umí plnit několik funkcí, jako například zlepšit vodivost nebo zvětšit povrch.
Taková uspořádanost podle McGimseye znamená předvídatelnost struktury, a tudíž
i vlastností.
V současnosti je řízení samoorganizujících se molekul, které by se daly využít
v polovodičích, omezeno jen na několik málo struktur.
Postupy, používané v průmyslu polovodičů, se z důvodu vysokých nákladů na
vybavení mění pomalu. Proto se samoorganizace bude určitě v oboru integrovaných
obvodů prosazovat jen postupně a v kombinaci s křemíkem. Dá se očekávat, že
první aplikace budou jednoduché a nepříliš atraktivní.
Příkladem mohou být laboratoře IBM Research, kde se samoorganizace využívá ke
zlepšení výkonu velkokapacitního oddělovacího kondenzátoru o 400 %. Jde o
součást integrovaného obvodu, který pomáhá udržovat zdroj napájení stabilní a
bez špiček. "Samoorganizující se materiály se uspořádávají do velmi
jednoduchých vzorců," vysvětluje vědec Chuck Black z laboratoře Yorktown
Heights při IBM Research v New Yorku. Lze s jejich pomocí vyrábět daleko menší
struktury, než jsou ty, které se produkují litografií, tj. dnes obvyklou
technikou výroby čipů.
Společnost HP se nedávno směle vyjádřila o roli nanotechnologií ve své
budoucnosti: "Jsme přesvědčeni, že máme praktickou a úplnou strategii pro
přechod počítačových technologií z křemíku do světa molekulární elektroniky,"
uvedl v březnovém prohlášení ředitel laboratoří HP Stan Williams. HP sází na
tzv. crossbar arrays způsob, kterým se tradiční tranzistory dají nahradit tak,
že mezi překříženými dráty vedení je přepínací vrstva o tloušťce několika atomů
tvořena jen vzájemně zachycenými atomy. Společnost HP upozorňuje, že než takové
obvody (crossbar circuits) vyrobí, bude muset zodpovědět řadu otázek. Jednu z
perspektivních možností zde zastupuje právě technologie samoorganizace, při níž
by se mezi dvojicí elektrod vypěstovala křemíková nanovlákna. Uvedená možnost
hromadné výroby struktur v měřítku atomů objasňuje, proč se k nanotechnologii
vědci obracejí, jako k nejbližší nové velké naději. Svou roli zde hraje i
Moorův zákon, zmíněný už v úvodu.
Pokročilé tranzistorové brány dnes měří povětšinou 90 nm. Společnost Intel
slibuje, že se dostane v roce 2007 na úroveň 45 nm. Tato hodnota představuje
méně než 1/5 000 průměru špendlíkové hlavičky, ale stále je to v porovnání s
molekulou, která má asi 1 nm, propastný rozdíl.
McGimpsey zdůrazňuje, že v důsledku této skutečnosti existuje ohromný potenciál
pro pokračující miniaturizaci čipů. "Pokud nahradíme všechny brány v dnešních
polovodičích atomy, dostaneme se na desetitisícinásobné zmenšení velikostí, a
tedy zvýšení rychlosti."
Jedním ze signálů, že určité aplikace samoorganizace dělí od výroby spíše roky
než desetiletí, je současná snaha sloučit tuto technologii s běžnou litografií.
Konvenční čipy mají asi 30 litografických vrstev a jejich přesné uspořádání je
jedním ze základních předpokladů výroby. Jde o obtížný proces, jenž se v
případě menšího obvodu ještě komplikuje. Podle Blacka představuje schopnost
uspořádání samoorganizujících se prvků, kterou IBM nedávno objevila, ohromný
průlom a firma díky tomu může vážně uvažovat o stavbě hybridních čipů.
Uldrich z NanoVeritas míní, že složitost výroby stále menších polovodičových
čipů a miliardy dolarů celosvětově investovaných do výzkumu nanotechnologií
urychlí příchod plně hodnotných samoorganizujících se čipů. "Už je to tu,"
tvrdí Uldrich, "a to daleko dříve, než spousta lidí čekala."


Pěstování atom po atomu
Vědcům z Northwestern University se nedávno podařil revoluční kousek, když
předvedli schopnost nanotyčinek ze zlata a polymerů samoorganizovat se do
složitých tvarů včetně koule.
Vyvinuli rovněž vodič o tloušťce 10 atomů. Získali jej napařováním erbia na
křemíkový podklad. Podobné vypěstované vodiče by se mohly stát základem
crossbar architektury, kterou HP preferuje jako alternativu konvenční výroby
polovodičů.









Komentáře
K tomuto článku není připojena žádná diskuze, nebo byla zakázána.