Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 27 – vyšlo 7. července, ročník 1 (2003) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

27/2003

Stříbrné nanoclustery umožňují provádět logické operace

Martin Žáček

Svět, se kterým přicházíme do styku prostřednictvím nanofyziky, se zdá být rok od roku stále menší a zároveň přibývají možnosti, které nám poskytuje. Výsledky tohoto oboru nabízejí další a další aplikace zejména v mikroelektronice, ale také v jiných oborech, například v biologi. Již několik let se experimentuje s elektronovými turnikety, umožňujícím dávkovat náboj po elementárních kvantech, s iontovými pastmi, kdy manipulujeme s jediným atomem atd. Urychlení ve vývoji tohoto oboru nastalo roku 1981, kdy Binnig a Rohrer vynalezli rastrovací tunelový mikroskop. Ale už dávno před tím, v začátcích nanofyziky, mnozí odhadovali její budoucí vývoj. Například Richard Feynman předpovídal v roce 1959 ve své přednášce na Caltechu, že budoucí počítače budou mít rozměry několik nanometrů při srovnatelném výkonu tehdejších počítačů sálových. Aplikace nanotechnologie v medicíně možná jednou umožní ovlivňovat imunitní systém pomocí nanorobotů menších než červená krvinka, založených na hexagonální nebo fullerenové struktuře uhlíku [1]. U nás se nanotechnologií zabývá tým ve Fyzikálním Ústavu AV ČR a o tom, že se jedná o relativně nový obor svědčí skutečnost, že první konference o nanotechnologiích byla u nás uspořádána teprve v loňském roce [2].

Nanofyzika – obor fyziky, zabývající se vlastnostmi látky v nanometrových měřítkách. Spadá do fyziky pevných látek. Nanometr – tisícina mikrometru, jednotka používaná zejména ve fyzice pevných látek. Je to jednotka srovnatelná s meziatomovou vzdáleností v krystalické mříži. Nanotechnologie – obor zabývající se aplikováním výsledků nanofyziky. Zkoumá možnosti, jak vytvářet zařízení molekulových rozměrů a jak manipulovat s jednotlivými atomy tak, aby se dosáhlo žádaných vlastností. Protože u zařízení vyrobených pomocí nanotechnologie můžeme jejich činnost předurčit polohou a druhem jednotlivých atomů, můžeme dosáhnout maximální účinnosti, efektivity a výkonnosti, za dodržení malých rozměrů. Clustery – shluky vytvořené z omezeného počtu atomů nebo molekul. Představují mezičlánek mezi jednotlivými molekulami na jedné straně a kompaktní látkou na straně druhé. Více o clusterech, jejich interakci s povrchem, clusterové fyzice, nanospektroskopii apod. ve [3]. Clusterová fyzika – obor fyziky zabývající se vlastnostmi clusterů. Clusterová fyzika existuje zhruba posledních 15 let a postupem času se rozdělila na dva hlavní směry. První z nich se zaměřuje na základní vlastnosti volných clusterů, druhý na jejich interakci s povrchem. STM – Scanning Tunneling Microscope, rastrovací tunelový mikroskop, řadí se mezi mnoho druhů tzv. Scanning Probe Methods (SPM), rastrovacích metod za použití sondy. Zařízení založené na tunelovém jevu, umožňující zobrazit povrch pevné látky v rozlišení jednotlivých atomů. Povrch je doslova osaháván piezoelektricky vychylovaným wolframovým hrotem. Ve směru povrchu je jeho rozlišení řádově 10−10 m, v kolmém směru k povrchu je však rozlišení řádově lepší v důsledku velmi nelineární závislosti velikosti proudu na vzdálenosti od povrchu. Na špičce wolframového hrotu je v ideálním případě jediný atom, podle toho, jak se hrot podaří vyleptat. Je to nejostřejší hrot jaký dokážeme vyrobit, používá se také jako studená katoda u rastrovacích elektronových mikroskopů. Rastrovací tunelový mikroskop umožňuje nejenom zviditelnit polohu atomů na povrchu krystalové mříže ale také je přenášet z místa na místo, když se pomocí přiloženého elektrického napětí překoná chemická vazba s povrchem a atom se hrotem mikroskopu přenese. Více informací viz [4].

Stříbrné nanoclustery

O další posunutí hranic nanotechnologie se zasloužili vědci z Technologického Institutu v Georgii Robert Dickson a Tae-Hee Lee, když se jim podařilo přimět stříbrné clustery provádět logické operace [5], [6]. Protože stávajících logické obvody, realizované polovodičovými součástkami, mají elektrické vstupy a výstupy, snaha o jejich zmenšování naráží mimo jiné na omezení dané velikostí jejich vývodů. Zařízení vyrobené v Georgii pracuje s optoeleoptoelektronickým výstupem a toto omezení nemá, neboť výstup může být čten bez elektrického kontaktu.

Robert Dickson a Tae-Hee Lee pozorují emisi
stříbrných clusterů na obrazovce mikroskopu.

Dickson a Lee vytvořili nanoclustery tak, že nechali procházet tenkou vrstvičku oxidu stříbra elektrický proud. Tok náboje způsobí migraci elektronů, čímž se proud tekoucí napříč vzorkem přeruší. Pole nanoclusterů, z nichž každý je složen ze dvou až osmi atomů stříbra, se seskupí podél místa, kde je proud přerušen. Vědci využili skutečnosti, že tyto nanoklustery lze ovládat přesně definovanou úrovní energie a tak emitují světlo pouze při určitém napětí. Vystavili součástku dvěma odděleným elektrickým pulzům. První způsobí nahromadění děr uvnitř a v těsném okolí stříbrných molekul. Druhý pulz, vyslaný do 4 ns po prvním, znovu injektuje elektrony do diskrétních energetických hladin nanoclusteru. Tato kombinace pulzů umožňuje, aby součástkou tekl proud. Světlo je emitováno v případě, kdy elektrony a díry spolu zrekombinují uvnitř nanoclusteru po druhém pulzu.

Svítící clustery, obrázek, na němž bylo poprvé možné rozeznat světlo
jednotlivých emitujících molekul. V podstatě jde o nejmenší vytvořený
elektroluminiscenční zdroj na světě.

"Pokud budeme sledovat výstup emitovaného světla ze dvou korelovaných molekul, můžeme spolu pulzy sčítat a vytvářet tak velmi jednoduché ale velmi důležité základní sčítací operace" říká Dickson. Různými pulzy lze přimět jednotlivé clustery k tomu, aby pracovaly ve dvoustavové logice s funkcemi AND, OR, NOT a XOR. Vědecký tým se nyní snaží vytvořít optoelektronické pole, sestávajícího z většího množství clusterů než se podařilo doposud.

Takto lze znázornit, jak clustery provádějí logické operace,
vstupy jsou elektrické, výstup je optický.

Předchozí experimenty

V srpnu loňského roku prezentoval Dickson a jeho spolupracovníci první experimenty, při nichž použili film, který za běžných podmínek nevykazuje žádnou elektroluminiscenci. Když filmem nechali procházet střídavý elektrický proud, podařilo se jim "aktivovat" některé z molekul. Tenký řetězec clusterů se rozzářil různobarevnými emisemi, v závislosti na rozměrech jednotlivých clusterů. Zatímco obvykle je elektroluminiscence vyvolávána stejnosměrným proudem, tým vědců použil proud střídavý, přičemž světelná odezva prudce naroste při vysokých frekvencích. Při frekvenci nad 150 MHz je uváděno zesílení emise až 10 000 krát [7]. Odezva souvislé látky nemůže být nikdy tak rychlá, aby odpovídala proudu o takové frekvenci a nemůže proto dosáhnout takového stupně elektroluminiscence. Podle Dicksona je světelná účinnost při aplikaci střídavého proudu větší než u stejnosměrného proudu proto, že se náboj injektuje právě ve správný čas a minimalizují se ztráty energie, vedoucí k produkci tepla. Na základě těchto experimentů se možná dočkáme mnohem účinnějších a rychlejších optoelektronických součástek a jejich aplikací v nejrůznějších oborech, autoři experimentů se však hodlají zaměřit spíše na základní výzkum a na pochopení základních vlastností clusterů emitujících světlo.

Odkazy