Традиционная эволюция вычислительной техники, предполагающая непрерывное сокращение размеров транзисторов, сталкивается с физическими и экономическими ограничениями. Современные чипы, например, процессоры Apple A17 Pro и M4, разработанные TSMC по 3-нанометровому техпроцессу, уже содержат транзисторы с длиной затвора, не превышающей 15 нанометров. На таких микроскопических масштабах становятся заметны квантовые явления, включая туннелирование электронов, которое вызывает утечку тока, увеличивает энергопотребление, приводит к перегреву и снижает общую эффективность. Кроме того, стоимость строительства завода по производству 3-нанометровых чипов превышает 20 миллиардов долларов. В связи с этими трудностями, вновь возник интерес к принципиально новому подходу — применению отдельных молекул в качестве рабочих элементов электроники, что может привести к появлению молекулярной электроники.
Концепция использования отдельных молекул в качестве миниатюрных диодов, функционирующих за счёт асимметричной проводимости, известна уже не первый год. Однако, в течение длительного времени, реализация этой идеи была затруднена из-за сложностей, связанных с контролем и измерением объектов нанометрового масштаба. Как отмечается в обзоре, опубликованном в Microsystems & Nanoengineering, благодаря десятилетиям технологического развития, стало возможным проводить надёжное тестирование, и молекулярная электроника перестала быть лишь теоретической концепцией, превратившись в перспективную альтернативную технологию. Предполагается, что плотность размещения подобных устройств может составить 10¹⁴ на квадратный сантиметр, что значительно, примерно в тысячу раз, превышает плотность современных кремниевых микросхем.
В отличие от традиционных микросхем, молекулярная электроника функционирует на иных принципах. Передача заряда осуществляется через молекулярные контакты посредством квантового туннелирования, и при этом проводимость демонстрирует экспоненциальное снижение с ростом длины молекулы. Квантовая интерференция предоставляет дополнительный уровень управления: в молекулах, содержащих бензольное кольцо, электроны способны перемещаться различными траекториями, что приводит к усилению или подавлению друг друга. Благодаря этому удаётся реализовать уникальные эффекты, недоступные в стандартных полупроводниках.
Основная цель – формирование надёжных молекулярных соединений (контактов) с зазором, не превышающим 3 нанометров. Для достижения этой цели применяются как статические соединения с заданным зазором, получаемые с помощью электромиграции или самоорганизующихся монослоёв, так и динамические контакты, которые непрерывно формируются и разрушаются для сбора статистической информации. Использование таких методов, как механически управляемый разрывной контакт или сканирующий туннельный микроскоп, обеспечивает возможность проведения тысяч измерений и определения типичной проводимости отдельных молекул.
Исследователи изучают возможности разработки трёхмерной молекулярной электроники, в которой вертикальные соединения между слоями и горизонтальная компоновка позволили бы достичь высокой степени интеграции. Ключевой сложностью является термостойкость: органические молекулы деградируют при температурах, превышающих 200 °C, в то время как стандартные методы изготовления микросхем требуют более высоких температурных режимов. В качестве решения предлагается встраивать молекулы на заключительных этапах сборки. Для точного расположения молекул возможно применение техники ДНК-оригами, использующей свёрнутые цепи ДНК в роли наношаблонов.
Молекулярная электроника открывает широкие возможности для ранних применений, в частности, мемристоры для нейроморфных вычислений, которые воспроизводят принципы работы мозга, и сверхчувствительные сенсоры, позволяющие регистрировать отдельные химические реакции, не поддающиеся обнаружению стандартными методами.