分子を信頼性の高い電子デバイスに変換する

新しい製造プラットフォームは、分子を電子デバイスに統合し、新興コンピューティング技術への道を開きます。 分子は、次世代デバイスを作成するための最も小さなビルディングブロックの1つです。そのユニークでカスタマイズ可能な特性は、新興コンピューティング、センシング、光学、および量子技術における有望なアプリケーションを可能にします。 しかし、分子を機能的なデバイスに大規模に統合することは依然として課題です。従来の半導体製造プロセスは、小さくて壊れやすい分子材料を損傷する可能性があります。 現在、MITの研究者たちは、壊れやすい分子材料をチップ上の電子デバイスに損傷を与えることなく組み込むためのスケーラブルな製造技術を開発しました。 彼らの方法は、標準的な半導体製造プロセスの機能を分子に対応できるように拡張します。研究者たちはまず、従来のプロセスを使用してデバイスコンポーネントを事前製造します。次に、分子を導入し、ナノスケールの表面力を利用して、分子を損傷することなく自己アセンブルする製造済みデバイスを機械的に変換します。 チームは、サブナノメートルの分子層を使用して1,000を超えるデバイスを製造することにより、技術の堅牢性とスケーラビリティを実証しました。 「私たちのプラットフォームは、従来の半導体製造のスケーラビリティと、自己アセンブリの精度と制御を組み合わせています。これにより、分子を含む新興のナノスケールおよび量子材料を、これまで不可能だったアーキテクチャと機能を持つ機能的なデバイスに、スケーラブルかつ高スループットで統合するための新しい製造フレームワークが確立されます」と、電気工学およびコンピュータサイエンス（EECS）の准教授であり、エレクトロニクス研究室（RLE）のメンバーであり、この研究を説明する新しい論文のシニアオーサーであるFarnaz Niroui氏は述べています。 彼女は、論文の共筆頭著者であるEECS大学院生のSarah Spector氏とPeter Satterthwaite氏、MITの化学教授であるJeremiah A. Johnson氏、およびMITの他の研究者たちと共に研究を行っています。この研究は本日、Nature Nanotechnologyに掲載されました。 分子で構築する 分子は、構造と化学構造を精密に設計できる原子の小さなクラスターです。これにより、広範な設計空間にわたってその特性をエンジニアリングできます。 デバイスアーキテクチャに統合されると、これらの分子は、より小さく、より高速で、より適応性の高い次世代エレクトロニクスおよびコンピューティングプラットフォーム、ならびに高性能なフォトニックデバイスおよび新興の量子技術を可能にする可能性があります。 機能的なシステムを構築するには、分子ビルディングブロックを他のデバイスレイヤーと統合する必要があります。電子システムでは、重要なステップは、金属表面とのインターフェースを通じて分子への電気的接触を作成することです。 しかし、従来のチップ製造に必要な過酷な化学物質やプロセスは、これらの壊れやすい分子材料を損傷し、信頼性とパフォーマンスを低下させます。 標準的な製造技術のスケーラビリティを活用しながら、分子を扱うために必要な精度を達成するために、MITの研究者たちは分離された2段階のアプローチを開発しました。 彼らはまず、標準的な半導体製造を使用してすべてのデバイスコンポーネントを製造し、その後、デバイスの残りの部分を完成させるために分子材料を組み込みます。 「壊れやすい材料を、主要なデバイス要素を製造した後でのみプロセスに持ち込むことで、これらのナノマテリアルと通常互換性のない従来のプロセスを使用できるようになります」とSatterthwaite氏は述べています。 彼らのデモンストレーションでは、研究者たちは正確にサイズ設定されたギャップで隔てられた2つの電極を持つ構造を製造しました。次に、電極表面に分子層を堆積させました。最後に、研究者たちはナノスケールの力を利用して、分子を挟み込んだ状態で上部電極をそっと引き込み、最終デバイスを非破壊的に形成します。これにより、分子への自己アライメントされた、損傷のない電気的接触が作成されます。 力の利用 重力は私たちの世界をまとめる支配的な物理的力ですが、ナノスケールでは異なる力が支配的です。1つは毛細管力と呼ばれ、液体が狭い空間に吸い込まれる原因となります。（植物は、茎に水を吸い上げるために毛細管力に依存しています。）電極の剛性を慎重にエンジニアリングすることで、分子を含む溶液が蒸発すると、毛細管力が2つの金属表面をそっと引き寄せ、分子がその間に挟み込まれます。 2つの電極が所定の位置に配置されると、研究者たちはそれらを安定した状態に保持する必要があります。これを行うために、彼らはファンデルワールス力として知られる別のナノスケール力に依存しています。ファンデルワールス力は、表面が互いに引き合う原因となります。デバイスの表面積と分子の特性を制御することにより、研究者たちはこれらの力が分子を損傷することなく電極を安定した構造に保持するのに十分な強さであることを保証します。 「ナノスケール力は、私たちの方法において重要な役割を果たします。最終的に望む構造を正確に製造するのではなく、機械的に移動可能なものを作成し、力を利用して、そうでなければ製造不可能だったアーキテクチャに変形させます」とSpector氏は説明します。 彼らはこの技術を使用して、厚さ1ナノメートル未満の分子層を持つ1,000を超えるデバイスを製造しました。この非常に小さなスケールでも、製造されたチップは高い歩留まりの動作デバイス（平均96％）を構成しました。堅牢なデバイスは、劣化の兆候を示すことなく、数万回の電気サイクルにも耐えました。 「安定性が本当に際立っています。これは、分子デバイスを実用的なアプリケーションに進めるための重要な機能ですが、この分野では一貫した課題でした」とSatterthwaite氏は述べています。 重要なことに、この汎用性の高い技術により、分子デバイスの回路レベルおよびシステムレベルの統合が可能になり、研究者によると、この分野は個々のデバイスの研究を超えて進んでいます。彼らは、次世代メモリにアプリケーションを持つ分子メモリデバイスの相互接続されたアレイを構築することでこれを実証しました。