نانو الکتریک

نانو الکترونیک

در سال ۱۹۵۶ گوردون مور بنیان‌گذار اینتل تحلیلی ارایه کرد که بر طبق آن هر ۱۸ ماه تعداد ترانزیستورهای بکار رفته در ریزپردازهای اینتل دو برابر می شود که نصف شدن ابعاد گیت ترانزیستورها با شرط ثابت بودن اندازه تراشه سیلیکونی در آن می‌تواند نتیجه این قوانین باشد. این قاعده به قانون مور موسوم شد. این نصف شدن در واقع پیام‌آور ابعاد اقتصادی بود یعنی هر چه گیت کوچکتر می‌شد ترانزیستور می‌توانست سریعتر سوئیچ کند و درنتیجه انرژی کمتری مصرف می‌شد و تعداد بیشتری ترانزیستور در یک تراشه سیلیکون جای می‌گرفت.

  افزایش تعداد ترانزیستورها و بازدهی آنها، هزینه را کاهش می‌دهد بنابراین مقرون به صرفه‌ این بود که هر ترانزیستور تا حد امکان کوچکتر شود، این کوچک‌سازی بالاخره در نقطه‌ای متوقف می‌شد بنابراین برای ادامه رشد صنعت الکترونیک باید به فکر فناوریهای جایگزین بود، فناوری که مشکلات گذشته را حل کرده و توجیه اقتصادی داشته باشد و این بار نانو تکنولوژی بود که توانست به کمک الکترونیک بیاید و فناوری الکترونیک مولکولی یا همان نانو‌الکترونیک بنا نهاده شد. نانو تکنولوژی یک رشته وابسته به ابزار است ابزارهایی که به مرور در حال بهتر شدن است نانو تکنولوژی و شاخه‌های کاربردی آن مانند نانوالکترونیک درواقع تولید کارآمد دستگاهها و سیستم‌ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانو است و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است که در این مقیاس توسعه یافته است. صنعت الکترونیک امروزی مبتنی بر سیلیکون است سن این صنعت به حدود ۵۰ سال می‌رسد و اکنون به مرحله‌ای رسیده است که از لحاظ تکنولوژیکی، صنعتی و تجاری به بلوغ رسیده است. در مقابل این فناوری، الکترونیک مولکولی قرار دارد که در مراحل کاملاً ابتدایی است و قرار است این فناوری به عنوان آینده و نسل بعدی صنعت الکترونیک سیلیکونی مطرح شود. الکترونیک مولکولی دانشی است که مبتنی بر فناوری نانو بوده و کاربردهای وسیعی در صنعت الکترونیک دارد. با توجه به کاربردهای وسیع الکترونیک در محصولات تجاری بازار می‌توان با سرمایه‌گذاری و تامل بیشتر در فناوری نانو الکترونیک در آینده‌ای نه چندان دور شاهد سود‌دهی کلان محصولاتی بود که جایگزین فناوری الکترونیک سیلیکونی شده‌اند. میل، اشتیاق و علاقه مصرف‌کنندگان و نیاز بازار به محصولات جدید با قابلیتهای بالا سازندگان و صنعتگران را بر آن می‌دارد که با سرمایه‌گذاری در این فناوری شاهد رشد و شکوفایی اقتصادی هر چه بیشتر باشند، ولیکن با توجه به اهمیت نانوتکنولوژی و نیز نانو الکترونیک که به عنوان یک شاخه کاربردی از نانو تکنولوژی مطرح است لزوم سرمایه‌گذاری کلان در درازمدت و ریسک‌پذیری و تشکیل مراکز R&D توسط دولتمردان پیش از پیش احساس می‌شود.

راهبردهایی برای پیشبرد فناوری نانو الکترونیک

مرحله اول:

توجیه کاربرد این محصولات و ایجاد اطمینان در مصرف‌کنندگان می‌تواند به عنوان بهترین حامی اقتصادی در این مرحله باشد.

مرحله دوم:

تولیدات اولیه الکترونیک مولکولی (نانو الکترونیک) باید مکملی برای فناوری سیلیکون باشند اینگونه نباشد که انقلابی رااز همان آغاز و ابتدا شروع کرده و این ادوات و فناوریهای جدید تافته جدا بافته باشد و هیچ ربطی به فناوری سیلیکونی نداشته باشد زیرا فناوری سیلیکونی یک صنعت جا افتاده است. پس اگر نانوالکترونیک را بتوان مکملی برای فناوری سیلیکونی بکار برد شاهد پیشرفت قابل ملاحظه‌ای در این فناوری نوپا بوده و جایگزین مناسبی برای نسل آینده محصولات الکترونیکی در نظر گرفته شده است.

مرحله سوم:

مرحله سوم مبحث کاملاً جدیدی است که اصلاً در دسترس فناوری سیلیکون نبوده و نانوالکترونیک می‌تواند بعد از طی مراحل اول و دوم به آن بپردازد. میتوان گفت کابرد‌هایی وجود دارد که از دسترس فناوری سیلیکون، آن هم بخاطر جامد و کریستالی بودن ذاتی‌اش دور بوده و برای الکترونیک مولکولی قابل دستیابی است. وقتی که نانو الکترونیک جا افتاد و وارد بازار محصولات الکترونیک شد آنگاه می‌توان نسل جدیدی از محصولات را به دست آورد که شامل پردازندهایی ۱۰۰۰ مرتبه سریعتر از نوع امروزی باشند. اگر این مرحله با موفقیت طی شود حدوداً یک دهه طول خواهد کشید تا نسل جدید محصولات الکترونیکی مبتنی بر الکترونیک مولکولی یا الکترونیک در ابعاد نانومتر (نانو الکترونیک) ظهور یابد.

کاربرد نانوالکترونیک در صنعت:

با استفاده از این فناوری می‌توان ظرفیت ذخیره‌سازی اطلاعات را در حد ۱۰۰۰ برابر یا بیشتر افزایش داد که این نهایتاً به ساخت ابزارهای ابرمحاسباتی به کوچکی یک ساعت مچی منتهی می‌شود. ظرفیت نهایی ذخیره اطلاعات به حدود یک ترابیت در هر اینچ مربع رسیده، و این امر موجب ذخیره‌ سازی ۵۰ عدد DVD یا بیشتر در یک هارد دیسک با ابعاد یک کارت اعتباری می‌شود. ساخت تراشه‌ها در اندازه‌های فوق‌العاده کوچک به‌عنوان مثال در اندازه‌های ۳۲ تا ۹۰ نانومتر، تولید دیسک‌های نوری ۱۰۰ گیگابایتی در اندازه‌های کوچک نیز از دیگر محصولات آن می‌باشد.

نمونه هایی از کاربرد فن آوری نانو در الکترونیک:

1)نانو لوله های کربنی (carbon nanotubes)

NANOELECTRONICs Engineering

نانو تیوب ها دارای فرم لوله ای با ساختار شش ضلعی هستند. نانو تیوب ها را می توان صفحات گرافیتی فرض کرد که لوله شده اند. بر اساس محور چرخش صفحات نانو تیوب ها می توانند رسانا یا نیمه رسانا باشند.

به علت اینکه کربن با سه پیوند همچنان دارای یک اوربیتال خالی p می باشد، حرکت موجی الکترون ها به راحتی در سطح بیرونی این لوله ها صورت می گیرد. این ساختار کربنی علاوه بر رسانایی بالا دارای استحکام مکانیکی بسیار خوبی نیز است. البته در کنار این مزایا مشکلاتی نیز وجود دارد. اغلب فرآیند های ساخت نانو تیوب ها به گو نه ای می باشند که امکان کنترل و نظارت کامل در طول فرآیند وجود ندارد به عنوان مثال تعیین قطر دقیق و یکسان برای لوله های کشت شده در یک محیط، کنترل تولید نانو لوله های تک دیواره و یا چند لایه و یا ساخت نانو لوله های مستقیم و بدون خم شدگی با طول زیاد از مسائلی است که هنوز در فرآیند بهبود کیفیت تولید نیاز به مطالعه و تحقیقات بیشتری دارد. همچنین به علت پدیده تونل زنی الکترون که یک پدیده کوانتومی است امکان افزایش نشتی جریان و در نتیجه افزایش تلفات وجود دارد که بررسی روش های کاهش احتمال تونل زنی از جمله کارهایی است که می توان انجام داد. از کربن نانو تیوب ها به دلیل رسانایی بالا و مقاومت کم در دمای محیط در ساخت کانال هدایت ترانزیستورها، نوک میکروسکوپ های عکسبرداری در ابعاد نانو استفاده می شود.

۲ ) نانو ترانزیستورها (nano transistor)

نام فناوری رایج امروز در ساخت ترانزیستورها،MOSFET می باشد که بر پایه استفاده ازسیلیکون است. کوچکتر شدن ابعاد ترانزیستورها در MOSFET دارای مشکلاتی است که از جمله آن نشتی های جریان متفاوتی است که ایجاد می شود. یکی از روش های حل این مشکل ساخت تراتزیستورها بااستفاده ازنانوساختارها و به خصوص نانو تیوب ها می باشد.

۳ ) محاسبه گر ها در مقیاس نانو ( nanocomputers)

امروزه در زمینه های مختلف از جمله فن آوری نانو پیوند میان رشته های مختلف علوم امری انکارناپذیراست.از جمله نتایج این همکاری طراحی نانو محاسبه‌گرها می باشد. هیدرو کربن های آروماتیک از ریشه بنزن به علت وجود اوربیتال های p و ابر الکترونی در بالا و پایین آنها و همچنین پدیده رزونانس می توانند محیط انتقال خوبی برای الکترون باشند و بر عکس هیدروکربن های زنجیری مانند نارسانا عمل می کنند. از به هم پیوستن این هیدروکربن ها با هم می توان دیود، گیت های منطقی و مدارهای الکترونیکی را طراحی کرد.

۴) MRAM

فن آوری های روز حافظه(RAM، Flash Memory،…) مشکلات متعددی را برای مصرف کنندگان آنها به وجودآورده است که به عنوان نمونه می توان به سرعت پایین خواندن و نوشتن روی Flash Memories و یا محدودیت اقتصادی افزایش فضای RAM اشاره کرد. MRAM یک فن آوری حافظه پایدار است که علاوه بر سرعت بالا می تواندظرفیت حافظه بالایی را نیز فراهم کند.اساس کار MRAM بر پایه تفاوت مقاومت الکتریکی لایه های نازک مواد بر اثر قطبیده شدن ذرات آنها در راستاهای متفاوت می باشد؛ که به مقاومت مغناطیسی موسوم است.چون سلول های حافظه MRAM بر پایه ترانزیستور عمل نمی کنند پس درابعاد کوچک مشکلاتی نظیرتونل زنی رخ نمی دهد...

۵)C۶۰

از جمله نانو ساختارها که حتی نسبت به نانو لوله های کربنی دارای مزایای بیشتری نیز می باشد C۶۰ است. C۶۰ از ۱۲ پنج ضلعی و ۲۰ شش ضلعی تشکیل شده که به شکل متقارنی در کنار هم قرار گرفته اند.

مولکول های C۶۰ در محلول های بنزن یافت می شوند که با عمل تبخیر قابل استحصال می باشند. انواع ترکیبات C۶۰ با فلزات، نظیر K۳C۶۰ ، Cs۲RbC۶۰، که در آنها فلز فضای خالی درون C۶۰ را پر می کند دارای خاصیت ابر رسانایی در دماهای نسبتاً مناسب می باشند؛ البته تحقیقات برای دستیابی به ترکیباتی با خاصیت ابررسانایی در دماهای بالاتر همچنان ادامه دارد. کاربرد دیگر C۶۰ استفاده از آن به عنوان گیت های منطقی است. با لیتوگرافی طلا روی یک سطح سیلیکونی و عبور جریان از سیم های طلا یک صفحه مشبک ایجاد می شودکه فاصله بین اتصالات آن در حدود نانو متر است. محلول رقیق C۶۰ را بین اتصالات قرار می دهند به طوری که در هر فاصله یک C۶۰ قرار گیرد. با برقرار شدن جریان در سیم های طلا C۶۰ به علت یک پدیده کوانتومی شروع به نوسان می کند و به همین علت جریان در زمان های معینی بر قرار می شود از این خاصیت می توان در طراحی گیت های منطقی استفاده کرد.

کارهایی که باید در راستای پیشرفت این علم انجام شود:

نانو الکترونیک زمینه گسترده‌ای با پتانسیل ایجاد تغییرات بنیادی در علوم مختلف حتی در پزشکی است و انجام کارهای زیر برای پیشبرد آن می‌تواند مفید باشد: ۱. فهم اصول انتقال در مقیاس نانو.

۲. گسترش فهم هرچه بهتر روش‌های خودچیدمانی(self assembly) ذرات برای انجام کارها به صورت ارزان‌تر، که این خود مستلزم حل مشکلات ارتباطی و جایگزینی در ترانزیستورهاست.

۳. یافتن راه‌هایی جدید برای به کار بردن علم الکترونیک و عدم تکثیر ابزار و به جای آن تحقیق راجع به انواع جدیدتر.