Τι είναι η νανοηλεκτρονική και πώς λειτουργεί

Ο τομέας των ηλεκτρονικών που ασχολείται με την ανάπτυξη τεχνολογικών και υλικών βάσεων για την κατασκευή ολοκληρωμένων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων με μεγέθη στοιχείων μικρότερα των 100 νανομέτρων ονομάζεται νανοηλεκτρονική. Ο όρος "νανοηλεκτρονική" αντικατοπτρίζει τη μετάβαση από τη μικροηλεκτρονική των σύγχρονων ημιαγωγών, όπου τα μεγέθη των στοιχείων μετρώνται σε μονάδες μικρομέτρων, σε μικρότερα στοιχεία - με μεγέθη δεκάδων νανομέτρων.

Με τη μετάβαση στη νανοκλίμακα, τα κβαντικά αποτελέσματα αρχίζουν να κυριαρχούν στα σχήματα, αποκαλύπτοντας πολλές νέες ιδιότητες και, συνεπώς, χαρακτηρίζοντας τις προοπτικές χρήσιμης χρήσης τους. Και αν για την μικροηλεκτρονική συχνά τα κβαντικά φαινόμενα παραμένουν παρασιτικά, επειδή, για παράδειγμα, με τη μείωση του μεγέθους του τρανζίστορ, το φαινόμενο της σήραγγας αρχίζει να παρεμβαίνει στη λειτουργία του, και στη συνέχεια η νανοηλεκτρονική καλείται να χρησιμοποιήσει τα αποτελέσματα αυτά ως βάση για τα νανοετεροδομημένα ηλεκτρονικά.

Κάθε ένας από εμάς χρησιμοποιεί ηλεκτρονικά καθημερινά, και σίγουρα πολλοί άνθρωποι παρατηρούν ήδη ορισμένες συγκεκριμένες τάσεις. Η μνήμη των υπολογιστών αυξάνεται, οι επεξεργαστές καθίστανται πιο παραγωγικοί, το μέγεθος των συσκευών μειώνεται. Ποιος είναι ο λόγος για αυτό;

Πρώτα απ 'όλα, με μια αλλαγή στις φυσικές διαστάσεις των στοιχείων των μικροκυκλωμάτων, από τα οποία βασίζονται ουσιαστικά όλες οι ηλεκτρονικές συσκευές. Αν και η φυσική των διαδικασιών παραμένει περίπου η ίδια σήμερα, τα μεγέθη των συσκευών γίνονται όλο και μικρότερα. Μια μεγάλη συσκευή ημιαγωγών λειτουργεί πιο αργά και καταναλώνει περισσότερη ενέργεια και ένα νανοτρανζίστορ - και λειτουργεί πιο γρήγορα και καταναλώνει λιγότερη ενέργεια.

Είναι γνωστό ότι όλα τα σωματικά σώματα αποτελούνται από άτομα. Και γιατί τα ηλεκτρονικά δεν φτάνουν στην ατομική κλίμακα; Αυτό το νέο ηλεκτρονικό πεδίο θα επιτρέψει την επίλυση τέτοιων προβλημάτων σε συμβατική βάση πυριτίου απλώς ουσιαστικά αδύνατο να επιλυθεί.

Ιδιαίτερο ενδιαφέρον παρουσιάζει το graphene και παρόμοια υλικά μονοστοιβάδας (βλ. Άρθρο - Απροσδόκητες ιδιότητες γνωστού άνθρακα) Τέτοια υλικά, πάχους ενός ατόμου, έχουν αξιοσημείωτες ιδιότητες που μπορούν να συνδυαστούν για τη δημιουργία διαφόρων ηλεκτρονικών κυκλωμάτων.

Για παράδειγμα, οι τεχνολογίες που σχετίζονται με τη μικροσκοπία ανίχνευσης καθιστούν δυνατή την κατασκευή διαφόρων δομών μεμονωμένων ατόμων στην επιφάνεια ενός αγωγού σε υπερβολικό κενό με απλή αναδιάταξη τους. Ποια δεν είναι η βάση για τη δημιουργία μονοτονικών ηλεκτρονικών συσκευών;

Οι χειρισμοί της ύλης σε μοριακό επίπεδο έχουν ήδη επηρεάσει πολλές βιομηχανίες, δεν έχουν παρακάμψει τα ηλεκτρονικά. Οι μικροεπεξεργαστές και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα κατασκευάζονται με αυτόν τον τρόπο. Οι κυριότερες χώρες επενδύουν στην περαιτέρω ανάπτυξη αυτής της τεχνολογικής πορείας - έτσι ώστε η μετάβαση στη νανοκλίμακα να πραγματοποιείται ταχύτερα, ευρύτερα και να βελτιώνεται περαιτέρω.

Παρεμπιπτόντως, έχουν ήδη επιτευχθεί ορισμένες επιτυχίες. Η Intel το 2007 ανακοίνωσε ότι αναπτύχθηκε ένας επεξεργαστής βασισμένος σε δομικό στοιχείο μεγέθους 45 nm (που εισήχθη από την VIA Nano) και το επόμενο βήμα θα ήταν να φτάσει τα 5 nm. Η IBM θα επιτύχει 9 nm χάρη στο graphene.

Νανοσωλήνες άνθρακα (γραφένιο) - Ένα από τα πιο πολλά υποσχόμενα νανοϋλικά για την ηλεκτρονική. Επιτρέπουν όχι μόνο να μειώσουν το μέγεθος των τρανζίστορ, αλλά και να δώσουν στις ηλεκτρονικές συσκευές πραγματικά επαναστατικές ιδιότητες, τόσο μηχανικές όσο και οπτικές. Οι νανοσωλήνες δεν παγιδεύουν το φως, είναι κινητές, διατηρούν τις ηλεκτρονικές ιδιότητες των κυκλωμάτων.

Ιδιαίτερα οι δημιουργικοί αισιόδοξοι προσβλέπουν ήδη στη δημιουργία φορητών υπολογιστών που μπορούν να τραβηχτούν από μια τσέπη σαν εφημερίδα ή να φορεθούν υπό μορφή βραχιολιού στο χέρι και αν είναι επιθυμητό να αναπτυχθούν σαν εφημερίδα και ολόκληρος ο υπολογιστής θα είναι σαν ένα πτυσσόμενο πάχος χαρτιού οθόνης αφής υψηλής ανάλυσης.

Μια άλλη προοπτική για την εφαρμογή της νανοτεχνολογίας και τη χρήση νανοϋλικών είναι η ανάπτυξη και η δημιουργία σκληρών δίσκων νέας γενιάς.Το 2007, ο Albert Firth και ο Peter Grunberg έλαβαν το βραβείο Νόμπελ για την ανακάλυψη της κβαντικής μηχανικής επίδρασης της εξαιρετικά ανθεκτικής μαγνητικής αντίστασης (GMR effect), όταν οι μεταλλικές μεμβράνες από εναλλασσόμενα αγώγιμα και σιδηρομαγνητικά στρώματα αλλάζουν σημαντικά τη μαγνητική τους αντίσταση με αλλαγή στην αμοιβαία κατεύθυνση της μαγνήτισης.

Με τον έλεγχο της μαγνήτισης της δομής με τη βοήθεια ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, είναι δυνατό να δημιουργηθούν τόσο ακριβείς αισθητήρες μαγνητικού πεδίου και να πραγματοποιηθεί μια τέτοια ακριβής καταγραφή στον φορέα πληροφοριών, ώστε η πυκνότητα αποθήκευσης του να φθάσει στο ατομικό επίπεδο.

Η νανοηλεκτρονική και η πλασματρονική δεν έχουν ξεπεράσει. Οι συλλογικές δονήσεις ελεύθερων ηλεκτρονίων μέσα σε ένα μέταλλο έχουν ένα χαρακτηριστικό μήκος κύματος συντονισμού πλασμονίου περίπου 400 nm (για σωματίδιο αργύρου 50 nm σε μέγεθος). Η ανάπτυξη νανοπλασμωδικών μπορεί να θεωρηθεί ότι ξεκίνησε το 2000, όταν επιταχύνθηκε η πρόοδος στη βελτίωση της τεχνολογίας για τη δημιουργία νανοσωματιδίων.

Αποδείχθηκε ότι το ηλεκτρομαγνητικό κύμα μπορεί να μεταδοθεί κατά μήκος μιας αλυσίδας μεταλλικών νανοσωματιδίων, προκαλώντας ταλαντώσεις πλασμονίου. Μια τέτοια τεχνολογία θα καταστήσει δυνατή την εισαγωγή λογικών κυκλωμάτων σε τεχνολογία υπολογιστών που μπορεί να λειτουργήσει πολύ πιο γρήγορα και να περάσει περισσότερες πληροφορίες από τα παραδοσιακά οπτικά συστήματα και το μέγεθος των συστημάτων θα είναι πολύ μικρότερο από τα αποδεκτά οπτικά.

Οι ηγέτες στον τομέα της νανοηλεκτρονικής και των ηλεκτρονικών γενικότερα σήμερα είναι η Ταϊβάν, η Νότια Κορέα, η Σιγκαπούρη, η Κίνα, η Γερμανία, η Αγγλία και η Γαλλία.

Τα πιο σύγχρονα ηλεκτρονικά κατασκευάζονται σήμερα στις Η.Π.Α. και ο πιο μαζικός κατασκευαστής ηλεκτρονικών ειδών υψηλής τεχνολογίας είναι η Ταϊβάν, χάρη στις επενδύσεις των ιαπωνικών και αμερικανικών εταιρειών.

Η Κίνα είναι ένας παραδοσιακός ηγέτης στον τομέα των ηλεκτρονικών του προϋπολογισμού, αλλά εδώ η κατάσταση μεταβάλλεται σταδιακά: η φτηνή εργασία προσελκύει επενδυτές από εταιρείες υψηλής τεχνολογίας που σχεδιάζουν να καθιερώσουν τη νανοπαραγωγή τους στην Κίνα.

Η Ρωσία έχει επίσης καλές δυνατότητες. Η βάση στον τομέα των φούρνων μικροκυμάτων, των δομών ακτινοβολίας, των φωτοανιχνευτών, των ηλιακών συλλεκτών και των ηλεκτρονικών συστημάτων ισχύος επιτρέπει κατ 'αρχήν τη δημιουργία πόλεων επιστημών νανοτεχνολογίας και την ανάπτυξή τους.

Το δυναμικό αυτό απαιτεί οικονομικές συνθήκες και οργάνωση για τη βασική έρευνα και την επιστημονική ανάπτυξη. Οτιδήποτε άλλο είναι: η τεχνολογική βάση, το υποσχόμενο προσωπικό και ένα καταρτισμένο επιστημονικό περιβάλλον. Απαιτούνται μόνο μεγάλες επενδύσεις, και αυτό συχνά αποδεικνύεται ότι είναι το πέλμα του Αχιλλέα ...

Ένα παράδειγμα εφαρμογής της νανοτεχνολογίας:Nanoantennas για τη λήψη ηλιακής ενέργειας