Mikä on nanoelektroniikka ja miten se toimii

Elektroniikan alaa, joka kehittää teknologisten ja fysikaalisten perusteiden rakentamista integroitujen elektronisten piirien rakentamiseksi alle 100 nanometrin elementtikoolla, kutsutaan nanoelektroniseksi. Termi "nanoelektroniikka" heijastaa siirtymistä nykyaikaisten puolijohteiden mikroelektroniikasta, jossa elementtien koko mitataan mikrometriyksiköinä, pienempiin elementteihin - kymmenien nanometrien kokoisina.

Nanomittakaavaan siirtymisen myötä kvanttiefektit alkavat hallita järjestelmiä, paljastaen monia uusia ominaisuuksia ja merkitsemällä vastaavasti niiden hyödyllisen käytön näkymiä. Ja jos mikroelektroniikan suhteen kvanttiefektit pysyivät usein parasiittisina, koska esimerkiksi transistorin koon pienentyessä tunneliefekti alkaa häiritä sen toimintaa, niin nanoelektroniikkaa, päinvastoin, kehotetaan käyttämään sellaisia ​​vaikutuksia nanoheterostrukturoidun elektroniikan perustaksi.

Jokainen meistä käyttää elektroniikkaa joka päivä, ja varmasti monet ihmiset huomaavat jo tiettyjä suuntauksia. Tietokoneiden muisti kasvaa, prosessorit muuttuvat tuottavammiksi, laitteiden koko pienenee. Mikä syy tähän on?

Ensinnäkin muutoksella mikropiirien elementtien fyysisissä mitoissa, joista kaikki elektroniset laitteet on olennaisesti rakennettu. Vaikka prosessien fysiikka pysyy suunnilleen samana nykyään, laitteiden koot muuttuvat yhä pienemmiksi. Suuri puolijohdelaite toimii hitaammin ja kuluttaa enemmän energiaa, ja nanotransistori - ja toimii nopeammin ja kuluttaa vähemmän energiaa.

Tiedetään, että kaikki aineelliset elimet koostuvat atomista. Ja miksi elektroniikka ei saavuta atomiskaalaa? Tämä uusi elektroniikkakenttä mahdollistaa sellaisten ongelmien ratkaisemisen, jotka tavanomaisella piipohjalla vain pohjimmiltaan mahdotonta ratkaista.

Grafeeni ja vastaavat yksikerroksiset materiaalit ovat erittäin kiinnostavia (katso artikkeli - Tutun hiilen odottamattomat ominaisuudet). Tällaisilla yhden atomin paksuisilla materiaaleilla on huomattavia ominaisuuksia, jotka voidaan yhdistää luomaan erilaisia ​​elektronisia piirejä.

Esimerkiksi koettimen mikroskopiaan liittyvät tekniikat mahdollistavat yksittäisten atomien erilaisten rakenteiden rakentamisen johtimen pinnalle erittäin korkeassa tyhjiössä järjestämällä ne yksinkertaisesti. Mikä ei ole perusta monatomisten elektronisten laitteiden luomiseen?

Aineen manipuloinnit molekyylitasolla ovat jo vaikuttaneet moniin teollisuudenaloihin, ne eivät ole ohittaneet elektroniikkaa. Mikroprosessorit ja integroidut piirit on rakennettu tällä tavalla. Johtavat maat investoivat tämän teknologisen polun jatkokehittämiseen - niin, että siirtyminen nanomittakaavaan tapahtuu nopeammin, laajemmin ja paranee edelleen.

Muuten, joitain menestyksiä on jo saavutettu. Intel ilmoitti vuonna 2007, että kehitettiin prosessori, joka perustuu rakenne-elementtiin, jonka koko on 45 nm (esitteli VIA Nano), ja seuraava askel olisi saavuttaa 5 nm. IBM aikoo saavuttaa 9 nm: n grafeenin ansiosta.

Hiilinanoputket (grafeeni) - Yksi lupaavimmista nanomateriaaleista elektroniikalle. Ne antavat transistorien koon pienentämisen lisäksi myös elektroniikalle todella vallankumouksellisia ominaisuuksia, sekä mekaanisia että optisia. Nanoputket eivät vangitse valoa, ovat liikkuvia, säilyttäen piirien elektroniset ominaisuudet.

Erityisesti luovat optimistit odottavat jo nyt kannettavien tietokoneiden luomista, jotka voidaan vetää taskusta kuten sanomalehti tai kuluttaa käden rannekkeen muodossa ja joita voidaan haluttaessa laajentaa sanomalehden tavoin. Koko tietokone on kuin kokoontaitettava korkearesoluutioinen kosketusnäyttöpaperi paksuus.

Toinen mahdollisuus nanoteknologian ja nanomateriaalien käytölle on seuraavan sukupolven kiintolevyjen kehittäminen ja luominen.Vuonna 2007 Albert Firth ja Peter Grunberg saivat Nobel-palkinnon ultrakorkean magneettisen resistanssin (GMR-efekti) kvantmekaanisen vaikutuksen löytämisestä, kun vuorottelevista johtavista ja ferromagneettisista kerroksista valmistetut ohut metallikalvot muuttavat merkittävästi magneettista resistanssiaan muutoksella vastakkaisessa magnetoitumissuunnassa.

Hallitsemalla rakenteen magnetointia ulkoisen magneettikentän avulla on mahdollista luoda niin tarkkoja magneettikenttäantureita ja tehdä niin tarkka tallennus tietovälineelle, että sen varastointitiheys saavuttaa atomitason.

Nanoelektroniikkaa ja plasmatronicsia ei ole ohitettu. Vapaiden elektronien kollektiivisilla värähtelyillä metallin sisällä on ominaista plasmonresonanssin aallonpituus noin 400 nm (hopeahiukkaselle, jonka koko on 50 nm). Nanoplasmonien kehittämisen voidaan katsoa alkavan vuonna 2000, jolloin nanohiukkasten luontitekniikan parantaminen edistyi.

Kävi ilmi, että sähkömagneettinen aalto voidaan siirtää pitkin metallinanohiukkasten ketjua, jännittäviä plasmonivärähtelyjä. Tällainen tekniikka mahdollistaa sellaisten tietokonetekniikkaan johtavien logiikkapiirien käyttöönoton, jotka toimivat paljon nopeammin ja välittävät enemmän tietoa kuin perinteiset optiset järjestelmät, ja järjestelmien koko on paljon pienempi kuin hyväksytyt optiset.

Nanoelektroniikan ja yleensä elektroniikan alalla johtajat ovat nykyään Taiwan, Etelä-Korea, Singapore, Kiina, Saksa, Englanti ja Ranska.

Nykyaikaisinta elektroniikkaa valmistetaan nykyään Yhdysvalloissa, ja massiivisin korkean teknologian elektroniikan valmistaja on Taiwan japanilaisten ja amerikkalaisten yritysten investointien ansiosta.

Kiina on budjettielektroniikan alalla perinteinen johtaja, mutta tilanne muuttuu asteittain: halpa työvoima houkuttelee sijoittajia korkean teknologian yrityksistä, jotka aikovat perustaa nanotuotantonsa Kiinaan.

Venäjällä on myös hyvät mahdollisuudet. Mikroaaltouunien, säteilevien rakenteiden, valodetektorien, aurinkopaneelien ja voimaelektroniikan alan perusta mahdollistaa periaatteessa nanoteknologian tiedekaupunkien perustamisen ja niiden kehittämisen.

Tämä potentiaali vaatii taloudelliset olosuhteet ja perustutkimuksen ja tieteellisen kehityksen järjestämisen. Kaikki muu on: tekninen perusta, lupaava henkilöstö ja pätevä tieteellinen ympäristö. Tarvitaan vain suuria investointeja, ja tämä osoittautuu usein Akilles-kantapääksi ...

Yksi esimerkki nanoteknologian soveltamisesta:Nanoantennit aurinkoenergian vastaanottamiseksi