Nanoteknoloji araştırmaları için başlıca etkenlerden biri nanoelektronik devreler ve bileşenleri üreterek yollar ortaya çıkarmaktır. Bilgisayar sektöründe bu güne kadar küçük, daha hızlı ve daha verimli işlemci talepleri ve gerekli bileşenleri yapılabilecek küçük sınırlarla karşılaşmaya başlıyor.
Büyük mikroişlemci üreticileri çok yakında silikon çipleri üzerinde ulaşılabilir çözünürlük sınırlarına ulaşmaları bekleniyor. 14 nm çözünürlük 2014 yılında ticari olması bekleniyor ve bunun ötesinde silikon levhaları kuantum tünelleme etkileri nedeniyle kullanılmaz hâle gelecektir.
İşlemci özelliği boyutunu azaltma eğilimi devam ederken genellikle elektronikte (Moore yasası olarak da bilinen) teknoloji şirketleri her zaman nano ölçekte elektronik parçalar imal etmek için yeni yollar bulmada isteklidirler.
“Aşağıdan Yukarı” (Bottom-Up) Yaklaşımı
Nanoteknoloji ile ilgili araştırmalarda aşağıdan yukarı (bottom-up) yaklaşımı bir metodoloji (yöntem bilim) olarak uygulanır. Bu yöntemde esas olan, temel bileşenler olan birbirinden ayrı atomlar ve moleküller kadar mümkün olduğunca küçük aygıtların üretimi için seri-üretim yöntemleri geliştirilmesidir.
Moleküler Anahtarlar
Bu molekül aygıtlarından biri son yıllarda kaydettiği önemli bir ilerlemelerle moleküler anahtardır. Çok basit aygıtlar olmasına rağmen daha karışık bir moleküler makine için uygun bir moleküler anahtarı temel olabilir.
Bir moleküler anahtar genellikle bir basit molekülden oluşurken iki durum arasında kontrollü hareket edebilir. Bu durumlar arasında geçiş için tetikleyici olarak bir elektrik akımı, sıcaklık veya kimyasal ortamlardaki değişim hatta ışık bile kullanılabilir.
Moleküler Anahtar Türleri
Son birkaç yıldır tüm dünyada birçok araştırma grubu, yapıları ve mekanizmaları sayısız olan istikrarlı durumlar arasında geçiş yapabilen moleküller ürettiler. İşte bu moleküller anahtarların etrafına dayalı olarak yapılan en yaygın yapıların bir kaçı;
• Taç Eterler Anahtarı
Taç eterler pozitif iyonlarına çok güçlü bağlanabilen halkalı organik bileşenlerdir. Onların esnek yapıları anahtarlanabilir moleküllere olan ilgiyi artırdı.
Çoğu taç eter anahtarı bir tetikleyici kullanarak çalıştırılır, örneğin halkalı yapıyı değiştirmek için ışık veya bir pH değişikliği gibi bir tetikleyici kullanılabilir. Ölçülmesi sağlanabilen belirli iyonların benzerliğindeki çarpıcı değişim numune boyunca iyon akımındaki bir adımlık değişim kadardır.
• Rotaksanlar
Rotaksanlar bir uzun zincir üzerinde sıkışmış bir moleküler halka oluşturur. Yapısı bağlanma yerleri arasındaki halkayı hareket ettirerek bir nanoölçekli anahtar olarak kullanılabilir.
Bir rotaksan “iplik ve boncuk” yapısı ile büyük bir moleküldür. Uzun, lineer zincir halkası zincirinin uzunluğu boyunca serbestçe kayabilecek şekilde bir makrosiklik yüzük üzerinden yerleştirilebilir ve böylece hacimli son grupların kayması önlenir. Normal koşullar altında değiştirilmemiş rotaksan halka yapısı ısı kontrollü hızda zincir boyunca ileri ve geri mekik oluşturur. Bir rotaksan basitçe işlevleri arasında geçişi sağlamak için değiştirilebilir iki fonksiyonel grup içine eklenen zincirdeki halkalar arasından geçen istikrarlı pozisyonlar yaratır. Bu işlevsel alanlardan biri diğerine göre daha güçlü bir biçimde halkasını bağlar ise, bu konumda halkası tercihe göre oturur. Ayrıca konumu tasarlanabilir, böylece basit bir tetikleyici olarak pH değişikliği ya da elektrik akımı gibi başka bir konumda halka kayması onu devre dışı bırakır. Bu sistem basit bir iki pozisyon anahtarı gibi çalışır. Sadece birkaç düzine atomdan oluşan fonksiyonel bir anahtar ihtimali cazip görülebilirken özellikle nanoelektronik ile ilgili olarak bir rotaksan bazlı sistemin yararlılığının birçok sınırlamaları vardır;
- Mevcut silikon cihazlarda kullanılabilen MHz mertebesinde bir anahtarlama hızı/devrine göre, KHz mertebesindedir anahtarlama devri.
- Veri depolama için uzun süreli kararlılık sınırlı uygulanabilirliğe sahiptir.
- Veri depolama yoğunluğu kısıtlıdır, küçük boyutlu ya da bireysel anahtarlara rağmen, rotaksanlar veri bozulmasına yol açabilir ve bu tür etkileşimleri önlemek için birbirlerinden izole edilmelidirler.
• Nanoparçacık Anahtarları
Belirli bazı malzemelerin nanoparçacıklarının anahtarlanabilir optik özellikleri gösterdiği tespit edilmiştir. Bu genellikle özelliklerinin ölçülebilir değişiminin sonucu olarak yapısal bir faz geçişinden kaynaklanmaktadır ve bu anahtarlanabilir durum optik olarak da tetiklenebilir. Örneğin, 2005 yılında yayımlanan bir araştırma iki durumlu Galyum nanoparçacık-larından bir film geliştirildiğini ortaya koydu. Sürekli bir dalga pompa laserleriyle nanoparçacıkların uyarılması farklı bir yapısal faza parçacığı uyarır. Bu daha yüksek enerjili faz başlangıç aşamasından çok daha yüksek bir yansıtmaya sahiptir. Bu durum bir ikinci probe laser kullanılarak durumun basit olarak belirlenmesine izin verir. Bu özel sistem hakkında ilginç olan ise daha yüksek enerjili fazın çok kararlı olmasıdır. Nanoparçacıkları taban durumuna geri göndermek için süper soğutulmuş olmaları gerekir. Bu hafıza/bellek uygulamaları için büyük bir potansiyel gösteriyor. İki durumlu nanoparçacıklara dayalı optik hafıza yüksek yoğunluklu, uzun ömürlü veri depolama aygıtlarına yol açabilir.
Moleküler Anahtarı Araştırmada Mevcut Durum
Moleküler nanoteknolojinin gelişmesi daha hızlı elektronik aygıtların önünü açıyor. Image:Sergey Subach
Son araştırmalarda çeşitli basit moleküler anahtarlar üretildi. Bunların çoğu değiştirilebilir moleküllerin durumlarını işlemek için sensör ucu olarak kullanılırlar ve bunun için de modern tarama sensörlü mikroskopların (SPMS) yeteneklerinden yararlanılmaktadır. Grafen ve nanotüpler gibi karbon nanoyapılar da bu alanda yaygındır. Dönebilen moleküle dayalı bir anahtar karbon nanotüp içine gömülüyken tek yönlendirme ve başka bir blok içine akımın geçmesini sağlar. Bunlar, Oak Ridge Ulusal Laboratuvar’dan bir ekip tarafından teorik açıdan kanıtlanmıştır. Grafen bile transistörlerden yapılan temel devreleri birleştirmek için kullanılmış ve grafen tabanlı elektronik üretiminde hızlı ilerleme sağlanılmıştır.
Bu bize en iyi molekül anahtarlarının nasıl işleneceğini anlamamızda yardımcı olurken belli bir aşamadan sonra gelişme odaklı nanoelektronikte kullanılabilmesi mümkündür ve anahtarlanabilir moleküllerin nanoişlemciler ve yüksek yoğunluklu veri depolama da pratik uygulamalara geçiş gerekmektedir.
Damla Polat / Yıldız Teknik Üni. Fizik Bölümü
Kuark Moleküler NanoBilim Araştırma Grubu
Kaynak:
http://www.azonano.com/article.aspx?ArticleID=3051
