Какво е наноелектрониката и как работи

Областта на електрониката, занимаваща се с разработването на технологични и физически основи за изграждане на интегрални електронни схеми с размери на елементи по-малки от 100 нанометра, се нарича наноелектроника. Самият термин "наноелектроника" отразява прехода от микроелектрониката на съвременните полупроводници, където размерите на елементите се измерват в единици микрометри, към по-малки елементи - с размери на десетки нанометри.

С прехода към наноразмер, квантовите ефекти започват да доминират в схемите, разкривайки много нови свойства и съответно маркирайки перспективите за тяхното полезно използване. И ако за микроелектрониката квантовите ефекти често остават паразитни, защото например, с намаляването на размера на транзистора, тунелният ефект започва да пречи на неговата работа, то наноелектрониката, напротив, се призовава да използва такива ефекти като основа за нанохетероструктурирана електроника.

Всеки от нас използва електроника всеки ден и със сигурност много хора вече забелязват някои определени тенденции. Паметта в компютрите се увеличава, процесорите стават все по-продуктивни, размерът на устройствата намалява. Каква е причината за това?

На първо място, с промяна във физическите размери на елементите на микросхемите, от които по същество са изградени всички електронни устройства. Въпреки че днес физиката на процесите остава приблизително същата, размерите на устройствата стават все по-малки и по-малки. Голямо полупроводниково устройство работи по-бавно и консумира повече енергия, а нанотранзисторът - и работи по-бързо, и консумира по-малко енергия.

Известно е, че всички материални тела са съставени от атоми. И защо електрониката не достигне атомната скала? Това ново поле на електрониката ще позволи да се решат такива проблеми, които върху конвенционална силиконова основа просто фундаментално невъзможно да се реши.

Голям интерес представлява графенът и подобни монослойни материали (вижте статията - Неочаквани свойства на познатия въглерод). Такива материали с дебелина един атом имат забележителни свойства, които могат да се комбинират за създаване на различни електронни схеми.

Например, технологиите, свързани с микроскопията на сондата, позволяват конструирането на различни структури от отделни атоми на повърхността на проводник в свръх висок вакуум чрез простото им пренареждане. Какво не е в основата за създаване на монотомични електронни устройства?

Манипулациите на материята на молекулярно ниво вече са засегнали много индустрии, те не са заобиколили електрониката. Микропроцесорите и интегралните схеми са изградени по този начин. Водещите страни инвестират в по-нататъшното развитие на този технологичен път - така че преходът към наноразмер да се извършва по-бързо, по-широко и да се подобрява допълнително.

Между другото, някои успехи вече са постигнати. През 2007 г. Intel обяви, че е разработен процесор, основан на структурен елемент с размер 45 nm (въведен от VIA Nano) и следващата стъпка ще бъде достигането на 5 nm. IBM ще постигне 9 nm благодарение на графена.

Въглеродни нанотръби (графен) - Един от най-обещаващите наноматериали за електроника. Те позволяват не само да се намали размерът на транзисторите, но и да се даде на електрониката наистина революционни свойства, както механични, така и оптични. Нанотръбите не улавят светлината, мобилни са, запазват електронните свойства на веригите.

Особено креативните оптимисти вече очакват да създадат преносими компютри, които могат да бъдат извадени от джоба като вестник или да се носят под формата на гривна от една ръка и, ако желаете, могат да бъдат разгърнати като вестник, а целият компютър ще бъде като сгъваема дебелина на сензорен екран с висока разделителна способност.

Друга перспектива за приложението на нанотехнологиите и използването на наноматериали е разработването и създаването на твърди дискове от ново поколение.През 2007 г. Алберт Фърт и Питър Грюнберг получават Нобеловата награда за откриването на квантовия механичен ефект на свръхвисоко магнитно съпротивление (GMR ефект), когато тънките метални филми от редуващи се проводими и феромагнитни слоеве променят значително магнитното си съпротивление с промяна в реципрочната посока на намагнетизиране.

Чрез контролиране на намагнитването на структурата с помощта на външно магнитно поле е възможно да се създадат толкова точни сензори за магнитно поле и да се извърши такъв точен запис на носителя на информация, че неговата плътност на съхранение ще достигне атомното ниво.

Наноелектрониката и плазматиката не са заобиколени. Колективните вибрации на свободни електрони вътре в метала имат характерна плазмонова резонансна дължина на вълната от около 400 nm (за сребърна частица с размер 50 nm). Развитието на наноплазмониката може да се счита за започнало през 2000 г., когато напредъкът в усъвършенстването на технологията за създаване на наночастици се ускори.

Оказа се, че електромагнитната вълна може да се предава по верига от метални наночастици, вълнуващи плазмонови колебания. Такава технология ще направи възможно въвеждането на логически схеми в компютърната технология, които могат да работят много по-бързо и да предават повече информация от традиционните оптични системи, а размерът на системите ще бъде много по-малък от приетите оптични.

Лидерите в областта на наноелектрониката и електрониката като цяло днес са Тайван, Южна Корея, Сингапур, Китай, Германия, Англия и Франция.

Най-модерната електроника се произвежда в САЩ днес, а най-масовият производител на високотехнологична електроника е Тайван, благодарение на инвестициите на японски и американски компании.

Китай е традиционен лидер в областта на бюджетната електроника, но тук ситуацията постепенно се променя: евтината работна ръка привлича инвеститори от високотехнологични компании, които планират да установят нанопроизводството си в Китай.

Русия също има добър потенциал. Основата в областта на микровълновите, излъчващите структури, фотодетекторите, слънчевите панели и силовата електроника позволява по принцип създаването на градове на научните нанотехнологии и тяхното развитие.

Този потенциал изисква икономически условия и организация за фундаментални изследвания и научно развитие. Всичко останало е: технологичната база, обещаващият персонал и квалифицирана научна среда. Необходими са само големи инвестиции и това често се оказва ахилесовата пета ...

Един пример за приложение на нанотехнологиите:Наноантени за получаване на слънчева енергия