Kas ir nanoelektronika un kā tā darbojas?

Elektronikas jomu, kas nodarbojas ar tehnoloģisko un fizisko pamatu izstrādi integrētu elektronisko shēmu izveidošanai, kuru elementu izmērs ir mazāks par 100 nanometriem, sauc par nanoelektroniku. Pats termins "nanoelektronika" atspoguļo pāreju no mūsdienu pusvadītāju mikroelektronikas, kur elementu lielumus mēra mikrometru vienībās, uz mazākiem elementiem - ar desmitiem nanometru lielumu.

Pārejot uz nanomēra, shēmās sāk dominēt kvantu efekti, atklājot daudzas jaunas īpašības un attiecīgi iezīmējot to lietderīgas izmantošanas perspektīvas. Un, ja attiecībā uz mikroelektroniku kvantu efekti bieži palika parazītiski, jo, piemēram, līdz ar tranzistora lieluma samazināšanos, tuneļa efekts sāk traucēt tā darbībai, tad nanoelektronika, tieši pretēji, tiek aicināta izmantot šādus efektus kā pamatu nanoheterostrukturētai elektronikai.

Katrs no mums katru dienu izmanto elektroniku, un noteikti daudzi cilvēki jau pamana noteiktas tendences. Datoru atmiņa palielinās, procesori kļūst produktīvāki, ierīču lielums samazinās. Kāds tam iemesls?

Pirmkārt, mainoties mikroshēmu elementu fiziskajiem izmēriem, no kuriem būtībā tiek veidotas visas elektroniskās ierīces. Lai arī procesu fizika mūsdienās paliek aptuveni tāda pati, ierīču izmēri kļūst arvien mazāki. Liela pusvadītāju ierīce darbojas lēnāk un patērē vairāk enerģijas, savukārt nanotransistors - darbojas ātrāk un patērē mazāk enerģijas.

Ir zināms, ka visi materiālie ķermeņi sastāv no atomiem. Un kāpēc elektronika nesasniedz atomu mērogu? Šis jaunais elektronikas lauks ļaus risināt tādas problēmas, kas uz parastās silīcija pamatnes to vienkārši nav iespējams atrisināt.

Liela interese ir grafēns un tamlīdzīgi vienslāņu materiāli (sk. Rakstu - Pazīstamā oglekļa neparedzētās īpašības) Šādiem materiāliem, kuru biezums ir viens atoms, ir ievērojamas īpašības, kuras var apvienot, lai izveidotu dažādas elektroniskās shēmas.

Piemēram, tehnoloģijas, kas saistītas ar zondes mikroskopiju, dod iespēju konstruēt dažādas atsevišķu atomu struktūras uz diriģenta virsmas īpaši augstā vakuumā, vienkārši pārkārtojot tās. Kāds nav monomātisko elektronisko ierīču izveides pamats?

Materiāla manipulācijas molekulārā līmenī jau ir ietekmējušas daudzas nozares, tās nav apiejušas elektroniku. Mikroprocesori un integrētās shēmas ir veidotas tieši tā. Vadošās valstis iegulda līdzekļus šī tehnoloģiskā ceļa tālākā attīstībā - lai pāreja uz nanomērogu notiktu ātrāk, plašāk un pilnveidotos vēl vairāk.

Starp citu, daži panākumi jau ir sasniegti. Intel 2007. gadā paziņoja, ka ir izstrādāts procesors, kura pamatā ir strukturāls elements ar izmēru 45 nm (ieviesa VIA Nano), un nākamais solis būtu sasniegt 5 nm. Pateicoties grafēnam, IBM sasniegs 9 nm.

Oglekļa nanocaurules (grafēns) - Viens no daudzsološākajiem nanomateriāliem elektronikai. Tie ļauj ne tikai samazināt tranzistoru izmērus, bet arī piešķirt elektronikai patiesi revolucionāras īpašības - gan mehāniskas, gan optiskas. Nanocaurules neuztver gaismu, ir mobilas, saglabā ķēžu elektroniskās īpašības.

Īpaši radošie optimisti jau cer radīt portatīvos datorus, kurus var izvilkt no kabatas kā avīzi vai nēsāt rokassprādzes formā uz vienas rokas, un, ja ir vēlēšanās, tos var izvietot kā avīzi, un viss dators būs kā saliekams augstas izšķirtspējas skārienekrāna papīra biezums.

Vēl viena nanotehnoloģiju pielietošanas un nanomateriālu izmantošanas perspektīva ir nākamās paaudzes cieto disku izstrāde un izveidošana.2007. gadā Alberts Firts un Pēters Grunbergs saņēma Nobela prēmiju par ultrahigh magnētiskās pretestības (GMR efekta) kvantu mehāniskās iedarbības atklāšanu, kad plānas metāla plēves no mainīgiem vadītspējīgiem un feromagnētiskiem slāņiem ievērojami maina savu magnētisko pretestību, mainoties savstarpējam magnetizācijas virzienam.

Kontrolējot struktūras magnetizāciju ar ārēja magnētiskā lauka palīdzību, ir iespējams izveidot tik precīzus magnētiskā lauka sensorus un veikt tik precīzu ierakstīšanu informācijas nesējā, ka tā glabāšanas blīvums sasniegs atomu līmeni.

Nanoelektronika un plasmatronics nav apieti. Brīvo elektronu kolektīvajām vibrācijām metāla iekšpusē raksturīgais plazmona rezonanses viļņa garums ir aptuveni 400 nm (sudraba daļiņai ar izmēru 50 nm). Nanoplasmonikas izstrādāšana, mēs varam pieņemt, sākās 2000. gadā, kad tika paātrināts nanodaļiņu radīšanas tehnoloģijas uzlabojums.

Izrādījās, ka elektromagnētisko vilni var pārraidīt pa metāla nanodaļiņu ķēdi, aizraujošām plazmona svārstībām. Šāda tehnoloģija ļaus datortehnoloģijās ieviest loģiskās shēmas, kas var darboties daudz ātrāk un nodot vairāk informācijas nekā tradicionālās optiskās sistēmas, un sistēmu lielums būs daudz mazāks par pieņemtajām optiskajām.

Nanoelektronikas un elektronikas jomā šodien līderi ir Taivāna, Dienvidkoreja, Singapūra, Ķīna, Vācija, Anglija un Francija.

Mūsdienās vismodernākā elektronika tiek ražota ASV, un visjaukākais augsto tehnoloģiju elektronikas ražotājs ir Taivāna, pateicoties Japānas un Amerikas uzņēmumu ieguldījumiem.

Ķīna ir tradicionāls līderis budžeta elektronikas jomā, taču šeit situācija pakāpeniski mainās: lēts darbaspēks piesaista investorus no augsto tehnoloģiju uzņēmumiem, kuri plāno izveidot savu nanoprodukciju Ķīnā.

Arī Krievijai ir labs potenciāls. Pamats mikroviļņu, radiācijas struktūru, fotodetektoru, saules paneļu un enerģijas elektronikas jomā principā ļauj izveidot nanotehnoloģiju zinātnes pilsētas un to attīstību.

Šim potenciālam nepieciešami ekonomiskie apstākļi un pamatpētījumu un zinātniskās attīstības organizācija. Viss pārējais ir: tehnoloģiskā bāze, daudzsološais personāls un kvalificēta zinātniskā vide. Nepieciešami tikai lieli ieguldījumi, un tas bieži vien izrādās Ahileja papēdis ...

Viens nanotehnoloģiju pielietošanas piemērs:Nanoantennas saules enerģijas saņemšanai