במקום הנכון, בכיוון הנכון

אחד האתגרים הגדולים הניצבים בפני מדענים העוסקים בננו-אלקטרוניקה דומה מאוד לזה המעסיק הורים לילדים קטנים: כיצד מלמדים אותם "להסתדר לבד". הרכיבים הננו-אלקטרוניים הם קטנים כל כך, עד שאין שום סיכוי ליצור אותם באמצעות סידור חיצוני. יש "לסמוך עליהם" שיתארגנו באופן עצמאי, ולספק להם את התנאים שיאפשרו זאת.

מאמץ רב בתחום הארגון העצמי מושקע בננו-חוטים של חומרים מוליכים למחצה – אבני הבניין הבסיסיות של רכיבים אלקטרוניים – אך ההצלחות בתחום זה היו, עד לאחרונה, מוגבלות. מדענים פיתחו אמנם שיטות לגידול ננו-חוטים באופן אנכי על משטח, אך צורתם אינה מסודרת והם מגיעים לאורך קצר למדי. בזאת לא מסתיימים הקשיים: לאחר תהליך הגידול יש "לקצור" את הננו-חוטים, להניח אותם בצורה אופקית, לחפש היכן בדיוק הם נפלו (שכן הנפילה היא אקראית), ורק אז ליצור מהם מעגלים חשמליים. צוות מדענים בראשות פרופ' ארנסטו יוסלביץ, מהמחלקה לחומרים ופני שטח במכון ויצמן למדע, הצליח להתגבר על המגבלות האלה, וייצר לראשונה ננו-חוטים המתארגנים באופן עצמאי, תוך שליטה מלאה במיקומם, בכיוונם, ובאורכם. תהליך הייצור המבוקר והמסודר איפשר למדענים להרכיב מאות טרנזיסטורים ושערים לוגיים פעילים מהננו-חוטים במקום בו הם נוצרו.

ההישג הנוכחי, שמתפרסם השבוע בכתב-העת המדעי PNAS, מבוסס על שיטה שפיתח פרופ' יוסלביץ לפני כשנתיים לגידול ננו-חוטים בצורה אופקית ומסודרת. במחקר הנוכחי, בו השתתפו ד"ר מרק שוורצמן ודוד ציביון מקבוצתו של פרופ' יוסלביץ, ואולגה רסלין וד"ר דיאנה מהלו מהמחלקה לפיסיקה של חומר מעובה, ביקשו המדענים להתקדם צעד נוסף, וליצור מהננו-חוטים מעגלים חשמליים שמתארגנים בעצמם. לשם כך היה עליהם להשיג שליטה מדויקת יותר במיקומם של הננו-חוטים.

כדי לעשות זאת יצרו המדענים מעין "תבנית" בעלת חריצים דקים בגודל אטומי, המכוונת את כיוון התפתחותם של הננו-חוטים, והניחו זרזים המהווים את "גרעין הצמיחה" של הננו-צינור במרכז החריצים. כך עלה בידם לקבל ננו-חוטים בעלי כיוון, אורך ומיקום מוגדרים. בהמשך יצרו המדענים טרנזיסטור מכל אחד מהננו-חוטים שבתבנית, והצליחו ליצור מאות טרנזיסטורים בו זמנית. הננו-חוטים שימשו גם ליצירת רכיב חשמלי מורכב יותר – מעגל לוגי הקרוי Address Decoder, המהווה רכיב חיוני במחשבים. המעגל הלוגי שיצרו תרגם בהצלחה מספרים בינאריים בני 3 ספרות למספרים טבעיים. על בסיס רעיונות ותוצאות ראשוניות אלה, זכה פרופ' יוסלביץ למענק האירופי היוקרתי ERC Advanced Grant.

"השיטה שלנו מאפשרת לקבוע מראש את הסידור של הנו-חוטים כך שיתאימו למעגל החשמלי שנרצה ליצור מהם, במקום 'לכפות' את המעגל החשמלי על המקום אליו הגיעו באקראי הננו-חוטים", מסביר פרופ' יוסלביץ. היכולת ליצור מעגלים חשמליים של מוליכים למחצה שמתארגנים בעצמם באופן יעיל פותחת פתח למיגוון יישומים טכנולוגיים, כמו התקני LED, לייזרים, תאים פוטו-וולטאים, ועוד.