آوري نانو نقطه همگرايي علوم مختلف در آينده است. در اين ميان يکي از پرکاربردترين شاخه ها نانو الکترونيک مي باشد. امروزه افزایش ظرفیت ذخیره داده، افزایش سرعت انتقال آن و کوچک کردن هر چه بيشتر وسائل الکترونيکي و به خصوص ترانزيستورها داراي اهميت بسياري است زيرا کوچک تر شدن ابعاد وسائل الکترونيکي علاوه بر افزايش سرعت پردازش، توان مصرفي را نيز کاهش مي دهد و نانو الکترونيک مي تواند در رسيدن به ابعاد هر چه کوچک تر راهگشا باشد. براي آشنايي بيشتر با اين فن آوري و درک عميق تر پديده هاي گوناگوني که در ابعاد نانو متر روي مي دهد و در نتيجه تحليل دقيق نتايج و اصلاح اصولي روش هاي آزمايش، بايد علوم پايه اي نظير فيزيک کوانتوم و مکانيک کوانتومي و فيزيک حالت جامد مورد مطالعه قرار بگيرند.
اهداف:
در دهه‌های اخیر شاهد پیشرفت‌های زیادی در زمینه افزایش قابلیت ذخیره اطلاعات روی حافظه‌ها و همچنین کاهش اندازه آنها بوده‌ایم که نتیجه آن دو برابر شدن سرعت پردازش در عرض هر 18 ماه بوده است و این، انتظار تحولی عظیم در صنعت میکروالکترونیک را طی 15 سال آینده از نظر بنیادی و اقتصادی نوید می‌دهد. اکنون نیز تحقیقات ادامه داشته و هدف از آن تولید خواص نمونه و شکل ظاهری جدید و در نتیجه خلق نانوالکترونیک جدید است.
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 رسده، 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 هايي از کاربرد فن آوري نانو در الکترونيک:
1) کربن نانو تيوب ها (carbon nanotubes)
نانو تيوب ها داراي فرم لوله اي با ساختار شش ضلعي هستند. نانو تيوب ها را مي توان صفحات گرافيتي فرض کرد که لوله شده اند. بر اساس محور چرخش صفحات نانو تيوب ها مي توانند رسانا يا نيمه رسانا باشند
به علت اينکه کربن با سه پيوند همچنان داراي يک اوربيتال خالي p مي باشد ، حرکت موجي الکترون ها به راحتي در سطح بيروني اين لوله ها صورت مي گيرد. اين ساختار کربني علاوه بر رسانايي بالا داراي استحکام مکانيکي بسيار خوبي نيز است. البته در کنار اين مزايا مشکلاتي نيز وجود دارد. اغلب فرآيند هاي ساخت نانو تيوب ها به گو نه اي مي باشند که امکان کنترل و نظارت کامل در طول فرآيند وجود ندارد به عنوان مثال تعيين قطر دقيق و يکسان براي لوله هاي کشت شده در يک محيط، کنترل توليد نانو لوله هاي تک ديواره و يا چند لايه و يا ساخت نانو لوله هاي مستقيم و بدون خم شدگي با طول زياد از مسائلي است که هنوز در فرآيند بهبود کيفيت توليد نياز به مطالعه و تحقيقات بيشتري دارد. همچنين به علت پديده تونل زني الکترون که يک پديده کوانتومي است امکان افزايش نشتي جريان و در نتيجه افزايش تلفات وجود دارد که بررسي روش هاي کاهش احتمال تونل زني از جمله کارهايي است که مي توان انجام داد. از کربن نانو تيوب ها به دليل رسانايي بالا و مقاومت کم در دماي محيط در ساخت کانال هدايت ترانزيستورها ، نوک ميکروسکوپ هاي عکسبرداري در ابعاد نانو استفاده مي شود.
2 ) نانو ترانزيستورها (nanotransistors)
طبق قانون مور( MOORE Law) تعداد ترانزيستورها در واحد سطح تراشه هاي الکترونيکي در هر بازه 10 تا 18 ماهه دو برابر مي شود. نام فن آوري رايج امروز در ساخت ترانزيستورها، MOSFET مي باشد که بر پايه استفاده از سيليکون است. کوچکتر شدن ابعاد ترانزيستورها در MOSFET داراي مشکلاتي است که از جمله آن نشتي هاي جريان متفاوتي است که ايجاد مي شود. يکي از روش هاي حل اين مشکل ساخت تراتزيستورها با استفاده از نانو سختارها و به خصوص نانو تيوب ها مي باشد.
3 ) محاسبه گر ها در مقیاس نانو ( nanocomputers)
امروزه در زمينه هاي مختلف از جمله فن آوري نانو پيوند ميان رشته هاي مختلف علوم امري انکار ناپذير است. از جمله نتايج اين همکاري طراحي نانو محاسبه‌گرها مي باشد. هيدرو کربن هاي آروماتيک از ريشه بنزن به علت وجود اوربيتال هاي p و ابر الکتروني در بالا و پايين آنها و همچنين پديده رزونانس مي توانند محيط انتقال خوبي براي الکترون باشند و بر عکس هيدروکربن هاي زنجيري مانند نارسانا عمل مي کنند. از به هم پيوستن اين هيدروکربن ها با هم مي توان ديود، گيت هاي منطقي و مدارهاي الکترونيکي را طراحي کرد.
4 ) MRAMها ( Magnetic Random Access Memories )
فن آوري هاي روز حافظه ( RAM, Flash Memory, …) مشکلات متعددي را براي مصرف کنندگان آنها به وجود آورده است که به عنوان نمونه مي توان به سرعت پايين خواندن و نوشتن روي Flash Memories و EEPROM و يا محدوديت اقتصادي افزايش فضاي RAM اشاره کرد. MRAM يک فن آوري حافظه پايدار است که علاوه بر سرعت بالا مي تواند ظرفيت حافظه بالايي را نيز فراهم کند. اساس کار MRAM بر پايه تفاوت مقاومت الکتريکي لايه هاي نازک مواد بر اثر قطبيده شدن ذرات آنها در راستاهاي متفاوت مي باشد؛ که به مقاومت مغناطيسي موسوم است. چون سلول هاي حافظه MRAM بر پايه ترانزيستور عمل نمي کنند پس در ابعاد کوچک مشکلاتي نظير تونل زني رخ نخواهد داد و مي توان سلول هاي حافظه MRAM را تا ابعاد نانو کوچک کرد.
5 ) C60
از جمله نانو ساختارها که حتي نسبت به نانو لوله هاي کربني داراي مزاياي بيشتري نيز مي باشد C60 است. C60 از 12 پنج ضلعي و 20 شش ضلعي تشکيل شده که به شکل متقارني در کنار هم قرار گرفته اند.
مولکول هاي C60 در محلول هاي بنزن يافت مي شوند که با عمل تبخير قابل استحصال مي باشند. انواع ترکيبات C60 با فلزات، نظير K3C60 , Cs2RbC60 ، که در آنها فلز فضاي خالي درون C60 را پر مي کند داراي خاصيت ابر رسانايي در دماهاي نسبتاً مناسب مي باشند؛ البته تحقيقات براي دستيابي به ترکيباتي با خاصيت ابررسانايي در دماهاي بالاتر همچنان ادامه دارد. کاربرد ديگر C60 استفاده از آن به عنوان گيت هاي منطقي است. با ليتوگرافي طلا روي يک سطح سيليکوني و عبور جريان از سيم هاي طلا يک صفحه مشبک ايجاد مي شودکه فاصله بين اتصالات آن در حدود نانو متر است. محلول رقيق C60 را بين اتصالات قرار مي دهند به طوري که در هر فاصله يک C60 قرار گيرد. با برقرار شدن جريان در سيم هاي طلا C60 به علت يک پديده کوانتومي شروع به نوسان مي کند و به همين علت جريان در زمان هاي معيني بر قرار مي شود از اين خاصيت مي توان در طراحي گيت هاي منطقي 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:
1. فهم اصول انتقال در مقیاس نانو
2. 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
3. یافتن راه‌هایی جدید برای به کار بردن علم الکترونیک و عدم تکثیر ابزار و به جای آن تحقیق راجع به انواع جدیدتر.
محسن مرادی
بخش دانش و فناوری سایت تبیان
منابع:
Eng.Wikipedia.org
Chamrannano.ir