Vad är nanoelektronik och hur fungerar det

Elektronikområdet som utvecklar tekniska och fysiska fundament för konstruktion av integrerade elektroniska kretsar med elementstorlekar mindre än 100 nanometer kallas nanoelektronik. Termen "nanoelektronik" återspeglar själv övergången från mikroelektroniken i moderna halvledare, där storleken på elementen mäts i enheter av mikrometer, till mindre element - med storlekar på tiotals nanometer.

Med övergången till nanoskala börjar kvanteffekter att dominera i scheman, vilket avslöjar många nya egenskaper och markerar följaktligen utsikterna för deras användbara användning. Och om kvanteffekter ofta förblir parasitiska för mikroelektronik, för till exempel med minskningen i storleken på transistorn börjar tunneleffekten att störa dess funktion, kallas tvärtom nanoelektronik för att använda sådana effekter som grund för nanoheterostrukturelektronik.

Var och en av oss använder elektronik varje dag, och för många säger många redan vissa definitiva trender. Minne i datorer ökar, processorer blir mer produktiva, storleken på enheter minskar. Vad är orsaken till detta?

Först av allt, med en förändring i de fysiska dimensionerna hos elementen i mikrokretsar, från vilka alla elektroniska enheter i huvudsak är byggda. Även om processernas fysik förblir ungefär densamma idag, blir enheternas storlekar mindre och mindre. En stor halvledaranordning arbetar långsammare och förbrukar mer energi och en nanotransistor - och fungerar snabbare och förbrukar mindre energi.

Det är känt att alla materiella kroppar består av atomer. Och varför når inte elektroniken atomskalan? Detta nya elektronikfält gör det möjligt att lösa sådana problem som på en konventionell kiselbas bara grundläggande omöjligt att lösa.

Av stort intresse är grafen och liknande monolagermaterial (se artikel - Oväntade egenskaper hos bekant kol). Sådana material, en atom tjock, har anmärkningsvärda egenskaper som kan kombineras för att skapa olika elektroniska kretsar.

Exempelvis gör teknologier relaterade till sondmikroskopi det möjligt att konstruera olika strukturer av enskilda atomer på ytan av en ledare i ultrahög vakuum genom att helt enkelt ordna om dem. Vad är inte grunden för att skapa monatomiska elektroniska enheter?

Manipulationer av materia på molekylär nivå har redan påverkat många industrier, de har inte gått förbi elektronik. Mikroprocessorer och integrerade kretsar är byggda på det sättet. Ledande länder investerar i vidareutvecklingen av denna tekniska väg - så att övergången till nanoskala sker snabbare, bredare och förbättras ytterligare.

Förresten, några framgångar har redan uppnåtts. Intel meddelade 2007 att en processor baserad på ett konstruktionselement med en storlek på 45 nm utvecklades (introducerades av VIA Nano) och nästa steg skulle vara att nå 5 nm. IBM kommer att uppnå 9 nm tack vare grafen.

Kolananorör (grafen) - En av de mest lovande nanomaterialen för elektronik. De tillåter inte bara att minska storleken på transistorer, utan också ge elektroniken verkligt revolutionerande egenskaper, både mekaniska och optiska. Nanorör fångar inte ljus, är mobila, bevarar de elektroniska egenskaperna hos kretsar.

Särskilt kreativa optimister ser redan fram emot att skapa bärbara datorer som kan dras ut ur en ficka som en tidning eller bäras i form av ett armband på ena handen, och om så önskas kan de utvidgas som en tidning, och hela datorn kommer att vara som en hopfällbar högupplösta pekskärmspappers tjocklek.

En annan möjlighet för tillämpning av nanoteknologi och användning av nanomaterial är utveckling och skapande av nästa generations hårddiskar.År 2007 fick Albert Firth och Peter Grunberg Nobelpriset för upptäckten av den kvantmekaniska effekten av ultrahög magnetisk resistens (GMR-effekt), när tunna filmer av metall från växlande ledande och ferromagnetiska skikt väsentligt förändrar deras magnetiska motstånd med en förändring i den ömsesidiga magnetiseringsriktningen.

Genom att styra magnetiseringen av strukturen med hjälp av ett yttre magnetfält är det möjligt att skapa så exakta magnetfältsensorer och att utföra en så exakt registrering på informationsbäraren att dess lagringstäthet når atomnivån.

Nanoelektronik och plasmatronik har inte gått förbi. Kollektiva vibrationer av fria elektroner inuti en metall har en karakteristisk plasmonresonansvåglängd på cirka 400 nm (för en silverpartikel som är 50 nm stor). Utvecklingen av nanoplasmonics kan anses ha börjat 2000, då framstegen med att förbättra tekniken för att skapa nanopartiklar påskyndades.

Det visade sig att den elektromagnetiska vågen kan överföras längs en kedja av metall-nanopartiklar, spännande plasmonsvängningar. En sådan teknik kommer att göra det möjligt att introducera logikkretsar i datorteknologi som kan arbeta mycket snabbare och skicka mer information än traditionella optiska system, och storleken på systemen kommer att vara mycket mindre än de accepterade optiska systemen.

Ledarna inom området nanoelektronik och elektronik i allmänhet är i dag Taiwan, Sydkorea, Singapore, Kina, Tyskland, England och Frankrike.

Den mest moderna elektroniken tillverkas i USA idag, och den mest massiva tillverkaren av högteknologisk elektronik är Taiwan tack vare investeringar från japanska och amerikanska företag.

Kina är en traditionell ledare inom budgetelektronik, men här förändras situationen gradvis: billigt arbete lockar till sig investerare från högteknologiska företag som planerar att etablera sin nanoproduktion i Kina.

Ryssland har också god potential. Basen inom mikrovågsugn, utsändande strukturer, fotodetektorer, solpaneler och kraftelektronik möjliggör i princip skapandet av nanotekniska vetenskapsstäder och deras utveckling.

Denna potential kräver ekonomiska förhållanden och organisation för grundforskning och vetenskaplig utveckling. Allt annat är: den tekniska basen, lovande personal och en kvalificerad vetenskaplig miljö. Endast stora investeringar behövs, och det visar sig ofta vara Achilles-hälen ...

Ett exempel på tillämpningen av nanoteknologi:Nanoantennas för att ta emot solenergi