IBM studia le molecole per il dopo silicio

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IBM riporta i risultati della ricerca effettuata da Heike Riel e Emanuel Lörtscher che descrivono un elemento ‘single-molecule switch’ e di memoria.

Utilizzando un metodo meccanico sofisticato, sono stati in grado di stabilire un contatto elettrico con una singola molecola per dimostrare la variabilità controllabile e reversibile tra due stati distinti stati di conduzione. Questa ricerca fa parte di uno studio per provare a caratterizzare le molecole affinché possano diventare ‘building block’ per future applicazioni logiche e di memoria. Con le dimensioni di una singola molecola, nell’ordine di un nanometro (un milionesimo di millimetro), l’elettronica molecolare ridefinisce il limite estremo della miniaturizzazione portandolo ben oltre i limiti dettati dall’odierna tecnologia basata sul silicio.



I risultati mostrano che queste molecole manifestano proprietà che possono essere utilizzate per eseguire le stesse operazioni logiche come quelle utilizzate oggi dall’Information Technology. Nello specifico, applicando impulsi voltaici alla molecola si riesce a controllarne la commutazione tra due stati distinti “on” e “off”. Questi corrispondono agli stati “0” e “1” su cui si basa lo storage dei dati. Inoltre, entrambi gli stati di conduzione sono stabili e consentono 'non-destructive read-out (read-out non distruttivo) dello stato del bit – un prerequisito fondamentale per un’operazione di memoria non volatile – dimostrata dai ricercatori IBM con l’esecuzione ripetuta di cicli write-read-erase-read. Con questo elemento di memoria single-molecule, Riel e Lörtscher hanno potuto documentare oltre 500 cicli di switching e tempi di switching nell’ordine di microsecondi.

Fondamentale per indagare sulle proprietà intrinseche delle molecole è la capacità di gestirle singolarmente. Per riuscirci, Riel e Lörtscher hanno utilizzato in maniera particolare un metodo chiamato mechanically controllable break-junction (MCBJ). Con questa tecnica un ponte metallico viene esteso con attenzione mediante la curvatura meccanica sopra un substrato isolante. Il ponte infine si rompe, creando due elettrodi separati con punte di dimensione atomica. Il gap tra gli elettrodi può essere controllato con precisione picometrica (un milionesimo di nanometro) grazie all’elevatissimo tasso di trasmissione del meccanismo di curvatura. Nel passo successivo sugli elettrodi viene depositata una soluzione di molecole organiche. Mentre la congiunzione si chiude, una molecola in grado di legare chimicamente entrambi gli elettrodi metallici può chiudere il gap. In questo modo una singole molecola viene “catturata” tra gli elettrodi consentendo quindi di effettuare misurazioni.



Le molecole oggetto di ricerca sono molecole organiche progettate specificamente che misurano solo 1,5 nanometeri circa di lunghezza, circa un centesimo di avanzato elemento CMOS. La molecola è stata progettata e sintetizzata dal Professor James M. Tour e collaboratori della Rice University, Houston, USA.

“Il vantaggio maggiore dato dallo sfruttamento delle capacità di trasporto su scala molecolare è che i building block primari sono molto più piccoli degli elementi CMOS odierni,” spiega il ricercatore capo Heike Riel dell’IBM Zurich Lab. “Inoltre, la sintesi chimica produce molecole perfettamente identiche, che, in genere, sono building block senza alcuna variabilità. Questo ci consente di evitare problemi noti che devono affrontare i dispositivi CMOS quando vengono scalati a dimensioni sempre inferiori. In aggiunta, speriamo di scoprire possibilmente nuove e tuttora sconosciute proprietà che il silicio e relativi materiali non posseggono.”

Per l’era post-CMOS

Lo switch single-molecule è il successo più recente di una serie di risultati innovativi ottenuti da ricercatori IBM con l’obiettivo di sviluppare nuove tecnologie che supereranno quella tradizionale del CMOS. Miniaturizzare i building block basilari dei microprocessori ottenendo in tal modo più funzionalità sulla stessa area, viene anche definito ‘scaling’, che è poi il principio che alimenta l’industria dei semiconduttori. La Legge di Moore, infatti, stabilisce che la densità transistor di chip semiconduttori raddoppia ogni 18 mesi circa e questo principio ha governato il settore dei microchip per oltre 40 anni. Il risultato corrisponde alla più straordinaria e ineguagliabile crescita di prestazioni mai vista prima.

Tuttavia, la tecnologia CMOS raggiungerà il suo limite ultimo al massimo tra 10 o 15 anni. Con la continua riduzione delle dimensioni dei chip, che attualmente misurano circa 40 nm, al di sotto dei 20 nm e il continuo aumento di nuove difficoltà, lo scaling sembra non essere più economicamente fattibile. Inoltre, al di sotto dei 10 nm saranno raggiunti i limiti fisici essenziali della tecnologia CMOS. Sono quindi necessari nuovi concetti.

Per riuscire a potenziare le prestazioni di elaborazione oltre CMOS, IBM sta esaminando architetture e dispositivi concettualmente molto differenti. Tra le tecnologie più vicine alla realizzazione vi sono i ‘carbon nanotubes’ e ‘semiconducting nanowires’. Sono inoltre in corso ulteriori ricerche nel campo degli “spintronics”. Con l’introduzione di questo elemento di memoria single-molecule, i ricercatori IBM hanno dimostrato che l’elettronica molecolare è anche un valido candidato per l’era post-CMOS oltre ad aver effettuato un nuovo grande passo verso il raggiungimento del limite estremo della miniaturizzazione.