در صنعت نیمه‌رسانا، قطعات به طور دائم در حال کوچکتر شدن هستند. دیود نیز یکی از این قطعات بسیار مهم در صنعت الکترونیک محسوب می‌شود. به تازگی محققان موفق به طراحی و ساخت کوچکترین دیود جهان شدهاند که تنها از یک مولکول DNA تشکیل شده است.
به گزارش خبرگزاری دانا، قطعات الکترونیکی روز به روز در حال پیچیده‌تر شدن بوده و تعداد اجزای به کار رفته در درون آن‌ها به طور دائم در حال افزایش است. به زودی روزی می‌رسد که همه‌ی ما متوجه شویم قانون مور با محدودیت‌هایی که دارد، دیگر جوابگو نبوده و کاربرد ندارد. صنعت الکترونیک در تلاش برای جلوگیری از انجام این اتفاق است. به همین دلیل، محققان و پژوهشگران این عرصه، مدت‌ها است که به مواد جایگزین روی آورده و در تلاش برای ساخت قطعات الکترونیکی در مقیاس مولکولی هستند. در این ارتباط، محققان دانشگاه جورجیا موفق شدهاند برای اولین بار دیودی در مقیاس مولکولی بسازند که تنها از یک مولکول DNA تشکیل شده است.
اما کاربرد دیود چیست؟ دیود قطعه‌ای الکترونیکی است که رفتار بسیار جالبی در مدار دارد. این قطعه، جریان را در جهتی ویژه و بدون هیچ گونه مقاومت خاصی از خود عبور می‌دهد؛ اما اگر جریان بخواهد در جهت مخالف حرکت کند، تقریبا تمام آن را مسدود کرده و به آن اجازه‌ی جاری شدن در آن مسیر را نمی‌دهد. مسیر عبور جریان در دیود از کاتد به آند است. دیودها در اندازه‌های مختلفی ساخته شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از کاربردهای این قطعات، یکسو کنندگی است. همان‌طور که احتمالا می‌دانید، جریان برق شهر، متناوب است. یعنی به صورت یک موج سینوسی است. دیودهای استفاده شده در قطعات الکترونیکی مختلف، این جریان را یکسوسازی کرده و آن را برای استفاده در وسایل مختلف مناسب می‌کنند. دیودها پایه‌ی الکترونیک هستند و میلیاردها قطعه از آن‌ها روزانه در وسایل و چیپ‌های مختلف استفاده می‌شود. حال حتی کوچکترین دیودها نیز با مشکلی مواجه شدهاند و آن هم تعداد قابل کاشت آن‌ها بر روی یک چیپ است.
دکتر بینگوان ژو، یکی از سرمایه‌گذاران این عرصه و از اساتید برجسته‌ی دانشگاه جورجیا است. او در این مورد می‌گوید:
در ۵۰ سال اخیر، روز به روز توانایی ما در قرار دادن قطعات کوچکتر و بیشتر در چیپ‌ها افزایش یافته است؛ اما بالاخره پیش‌بینی کارشناسان الکترونیک به حقیقت پیوست و ما هم‌اکنون در لبه‌ی مرز محدودیت‌های فیزیکی اتم‌های سیلیکون قرار گرفته‌ایم. اگر چیپ‌های سیلیکونی بیش از این کوچک شوند، رفتار آن‌ها بسیار ناپایدار و غیر قبل پیش‌بینی خواهد شد.
بسیاری از قطعات مورد نیاز دنیای الکترونیک، تاکنون در مقیاس اتمی و مولکولی ساخته شدهاند. مثلا چند سال قبل، محققان موفق به ساختن یک سوییچ نوری در مقیاس اتم و یک دیود در مقیاس مولکول شدند. اما تفاوت دیود ساخته شده در دانشگاه جورجیا این است که از مواد غیر ارگانیکی همچون سیلیکون ساخته نشده است؛ بلکه در ساخت آن از DNA استفاده شده است. DNA، ابتدایی‌ترین بلوک سازنده‌ی حیات بر روی زمین است.
به طور معمول، دیودها از سیلیکون و با ایجاد اتصالی بین دو قطعه‌ی n و p (به معنای Negative و Positive) ساخته می‌شوند. نیمه‌رسانای نوع n دارای الکترون بیشتر و نیمه‌رسانای نوع p دارای حفره‌ی بیشتری است. دیود به دلیل خواص ذاتی نیمه‌رساناهای نوع n و p، جریان را تنها در یک جهت عبور می‌دهد و اگر جریانی بخواهد از جهت مخالف عبور کند، تقریبا تمام آن را مسدود می‌کند.
بدون شک استفاده از مولکولی همچون DNA برای ساخت دیود و مشاهده‌ی رفتار نیمه‌رسانایی از آن، به سادگی سیلیکون نبوده است. محققان نمی‌توانند برای ساخت این نوع دیود، تنها نیمه‌رسانا‌ها را به سادگی در کنار هم قرار داده و انتظار عملکردی مناسب را از آن داشته باشند؛ چرا که در این نوع دیود در واقع از نیمه‌رسانا خبری نیست! محققان پس از بررسی‌های بسیار دریافتند که DNA تنها در شرایطی می‌تواند به عنوان دیود مورد استفاده قرار گیرد که مولکولی به نام coralyne به آن متصل شود.
تیم تحقیقات، با استفاده از یک رشته‌ی دوتایی DNA طراحی شد‌ه‌ی ۱۱ جفت باز (که مولکول‌های کوچکی محسوب می‌شوند) موفق شدند مولکول coralyne را به اندازه‌ی چند نانومتر به مداری الکترونیکی بچسبانند. پس از برقراری این اتصال و اعمال ولتاژ بین دو سر مدار، نکته‌ی بسیار جالبی کشف شد. هنگامی که ولتاژ مثبت بود، مولکول ترکیبی به دست آمده، جریان را ۱۵ برابر بهتر از زمانی که ولتاژ منفی بود انتقال می‌داد. این به معنای تشابه عملکرد مولکول مورد نظر با دیود است. پروفسور ژو در این مورد با حیرت می‌گوید:
این باورنکردنی است! ساختار فیزیکی مولکول پس از اتصال coralyne همچنان متقارن باقی می‌ماند. پس چطور امکان دارد که پس از اعمال این تغییر، همچون دیود عمل کرده و به یکسوکننده‌ی جریان تبدیل شود؟
با توجه به گفته‌های محققان پروژه، احتمالا این کشف منجر به ساخت دستگاه‌های الکترونیکی بسیار کوچکتر، پیشرفته‌تر و قدرتمندتر خواهد شد. ژو در این مورد می‌گوید:
کشف امروز ما می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در طراحی و ساخت قطعات نانومتری نیمه‌رسانا شود. قطعاتی که حداقل ۱۰۰۰ برابر کوچکتر از نمونه‌های کنونی هستند!
نظر شما در مورد این کشف جدید چیست؟ آیا شما هم عمر قانون مور را تمام شده می‌دانید و در انتظار انقلابی در زمینه‌ی طراحی و تولید نیمه‌رسانا‌ها هستید؟
اما کاربرد دیود چیست؟ دیود قطعه‌ای الکترونیکی است که رفتار بسیار جالبی در مدار دارد. این قطعه، جریان را در جهتی ویژه و بدون هیچ گونه مقاومت خاصی از خود عبور می‌دهد؛ اما اگر جریان بخواهد در جهت مخالف حرکت کند، تقریبا تمام آن را مسدود کرده و به آن اجازه‌ی جاری شدن در آن مسیر را نمی‌دهد. مسیر عبور جریان در دیود از کاتد به آند است. دیودها در اندازه‌های مختلفی ساخته شده و مورد استفاده قرار می‌گیرند. یکی از کاربردهای این قطعات، یکسو کنندگی است. همان‌طور که احتمالا می‌دانید، جریان برق شهر، متناوب است. یعنی به صورت یک موج سینوسی است. دیودهای استفاده شده در قطعات الکترونیکی مختلف، این جریان را یکسوسازی کرده و آن را برای استفاده در وسایل مختلف مناسب می‌کنند. دیودها پایه‌ی الکترونیک هستند و میلیاردها قطعه از آن‌ها روزانه در وسایل و چیپ‌های مختلف استفاده می‌شود. حال حتی کوچکترین دیودها نیز با مشکلی مواجه شدهاند و آن هم تعداد قابل کاشت آن‌ها بر روی یک چیپ است.
دکتر بینگوان ژو، یکی از سرمایه‌گذاران این عرصه و از اساتید برجسته‌ی دانشگاه جورجیا است. او در این مورد می‌گوید:
در ۵۰ سال اخیر، روز به روز توانایی ما در قرار دادن قطعات کوچکتر و بیشتر در چیپ‌ها افزایش یافته است؛ اما بالاخره پیش‌بینی کارشناسان الکترونیک به حقیقت پیوست و ما هم‌اکنون در لبه‌ی مرز محدودیت‌های فیزیکی اتم‌های سیلیکون قرار گرفته‌ایم. اگر چیپ‌های سیلیکونی بیش از این کوچک شوند، رفتار آن‌ها بسیار ناپایدار و غیر قبل پیش‌بینی خواهد شد.
بسیاری از قطعات مورد نیاز دنیای الکترونیک، تاکنون در مقیاس اتمی و مولکولی ساخته شدهاند. مثلا چند سال قبل، محققان موفق به ساختن یک سوییچ نوری در مقیاس اتم و یک دیود در مقیاس مولکول شدند. اما تفاوت دیود ساخته شده در دانشگاه جورجیا این است که از مواد غیر ارگانیکی همچون سیلیکون ساخته نشده است؛ بلکه در ساخت آن از DNA استفاده شده است. DNA، ابتدایی‌ترین بلوک سازنده‌ی حیات بر روی زمین است.
به طور معمول، دیودها از سیلیکون و با ایجاد اتصالی بین دو قطعه‌ی n و p (به معنای Negative و Positive) ساخته می‌شوند. نیمه‌رسانای نوع n دارای الکترون بیشتر و نیمه‌رسانای نوع p دارای حفره‌ی بیشتری است. دیود به دلیل خواص ذاتی نیمه‌رساناهای نوع n و p، جریان را تنها در یک جهت عبور می‌دهد و اگر جریانی بخواهد از جهت مخالف عبور کند، تقریبا تمام آن را مسدود می‌کند.
بدون شک استفاده از مولکولی همچون DNA برای ساخت دیود و مشاهده‌ی رفتار نیمه‌رسانایی از آن، به سادگی سیلیکون نبوده است. محققان نمی‌توانند برای ساخت این نوع دیود، تنها نیمه‌رسانا‌ها را به سادگی در کنار هم قرار داده و انتظار عملکردی مناسب را از آن داشته باشند؛ چرا که در این نوع دیود در واقع از نیمه‌رسانا خبری نیست! محققان پس از بررسی‌های بسیار دریافتند که DNA تنها در شرایطی می‌تواند به عنوان دیود مورد استفاده قرار گیرد که مولکولی به نام coralyne به آن متصل شود.
تیم تحقیقات، با استفاده از یک رشته‌ی دوتایی DNA طراحی شد‌ه‌ی ۱۱ جفت باز (که مولکول‌های کوچکی محسوب می‌شوند) موفق شدند مولکول coralyne را به اندازه‌ی چند نانومتر به مداری الکترونیکی بچسبانند. پس از برقراری این اتصال و اعمال ولتاژ بین دو سر مدار، نکته‌ی بسیار جالبی کشف شد. هنگامی که ولتاژ مثبت بود، مولکول ترکیبی به دست آمده، جریان را ۱۵ برابر بهتر از زمانی که ولتاژ منفی بود انتقال می‌داد. این به معنای تشابه عملکرد مولکول مورد نظر با دیود است. پروفسور ژو در این مورد با حیرت می‌گوید:
این باورنکردنی است! ساختار فیزیکی مولکول پس از اتصال coralyne همچنان متقارن باقی می‌ماند. پس چطور امکان دارد که پس از اعمال این تغییر، همچون دیود عمل کرده و به یکسوکننده‌ی جریان تبدیل شود؟
با توجه به گفته‌های محققان پروژه، احتمالا این کشف منجر به ساخت دستگاه‌های الکترونیکی بسیار کوچکتر، پیشرفته‌تر و قدرتمندتر خواهد شد. ژو در این مورد می‌گوید:
کشف امروز ما می‌تواند منجر به پیشرفت‌هایی در طراحی و ساخت قطعات نانومتری نیمه‌رسانا شود. قطعاتی که حداقل ۱۰۰۰ برابر کوچکتر از نمونه‌های کنونی هستند!
نظر شما در مورد این کشف جدید چیست؟ آیا شما هم عمر قانون مور را تمام شده می‌دانید و در انتظار انقلابی در زمینه‌ی طراحی و تولید نیمه‌رسانا‌ها هستید؟
