Молекулярная электроника и молекулярно-инженерная технология: пути становления

Большая молекула как функциональный элемент является естественным пределом миниатюризации: в ней реализуется принцип атомной детализации — каждый атом на своем, отведенном ему месте. Использование таких больших молекул означает переход к молекулярной технологии и к молекулярной электронике. Принципиальных трудностей для такого перехода сегодня нет. Это существенно для решения проблемы перехода на новый уровень микроминиатюризации технических устройств.

Молекулярно-инженерная технология. В 1982 году известные американские специалисты в области научных основ микротехнологии И. Броудай и Дж. Мерей в своей монографии «Физические основы микротехнологии» писали: «Современная технология базируется в основном на удалении лишнего материала из заготовки, подобно тому, как это делает скульптор, создавая статую.

В будущем можно предвидеть применение молекулярно-инженерной технологии, которая позволит строить приборы атом за атомом, по аналогии с тем, как дом складывается по кирпичику... Стимулы к микроминиатюризации будут исчерпаны только тогда, когда будут исчерпаны все потенциальные возможности молекулярно-инженерной технологии».

Почему специалисты, прекрасно знающие научные основы микротехнологии, видят продолжение и завершение процесса миниатюризации в молекулярно-инженерной технологии? Может быть, они нашли принципиально непреодолимый предел миниатюризации при традиционном подходе? Нисколько. В заключение они пишут:

«Использование в технологии лучевых методов (электронно-лучевых, ионно-лучевых, рентгеновских, сухой технологии) является тем горизонтом, который откроет возможность получать приборы с характерными размерами 10—25 нм. В этом диапазоне придется столкнуться с фундаментальными вопросами, связанными с новыми физическими принципами работы приборов, и ограничениями, свойственными традиционным планарным процессам». Таким образом, трудности будут, но традиционный путь для миниатюризации открыт.

Ответ на вопрос о том, почему же нам необходима молекулярно-инженерная технология, частично был найден в 1968 году в уникальном в свое время бионическом отделе НИИФП, где в то время начались работы по молекулярно-инженерной технологии для микроэлектроники.

Молекулярная инженерия. Молекулярная инженерия — это конструирование и изготовление органических молекул с заданными свойствами. Органические молекулы содержат 10—200 атомов и имеют достаточно сложную пространственную конструкцию. Свойства материала из этих молекул определяются размерами молекулы, ее формой, взаимным пространственным расположением и параметрами различных функциональных групп молекулы и т. д. Конструктор должен предвидеть связь конструктивных параметров молекулы с ее свойствами или со свойствами материала из этих молекул. Раньше это определялось интуицией разработчика.

Сегодня для прогнозирования свойств будущих молекул и направлений синтеза широко используются методы математического моделирования: квантово-химические методы расчета энергетического спектра электронов, методы Монте- Карло и молекулярной динамики для расчета конформаций и надмолекулярных структур и другие. Развита компьютерная графика для визуализации крупных молекул из тысяч атомов. Развивается туннельная микроскопия с ангст- ремным разрешением. Все это входит в арсенал молекулярной инженерии.

Созданы конструкции и выделены из природных соединений более четырех миллионов различных органических молекул. Наибольшие успехи молекулярной инженерии достигнуты в фармакологии, в разработке широкой гаммы твердых и эластичных полимеров, искусственных каучуков и кремний-органических резин, синтетических волокон, кож, масел, лаков и т.д.

Огромных успехов достигла генная инженерия по целенаправленному воздействию на заданные участки молекулы ДНК. Давно решена проблема синтеза молекул ДНК и белков с заданной последовательностью оснований и аминокислот. Такой синтез успешно используется при исследованиях. В микроэлектронике молекулярной инженерией заняты разработчики резистов.

Сегодня молекулярная инженерия — это большая и успешно развивающаяся область науки и техники, методологией которой можно воспользоваться при разработке молекулярной технологии.