Co to jest nanoelektronika i jak działa

Dziedzina elektroniki zajmująca się opracowywaniem technologicznych i fizycznych podstaw do budowy zintegrowanych układów elektronicznych o rozmiarach elementów mniejszych niż 100 nanometrów nazywa się nanoelektroniką. Sam termin „nanoelektronika” odzwierciedla przejście od mikroelektroniki do nowoczesnych półprzewodników, w których rozmiary elementów są mierzone w jednostkach mikrometrów, do mniejszych elementów o rozmiarach dziesiątek nanometrów.

Wraz z przejściem do nanoskali efekty kwantowe zaczynają dominować w schematach, ujawniając wiele nowych właściwości, a tym samym wyznaczając perspektywy ich przydatnego zastosowania. A jeśli w przypadku mikroelektroniki efekty kwantowe często pozostawały pasożytnicze, ponieważ na przykład wraz ze spadkiem wielkości tranzystora efekt tunelu zaczyna zakłócać jego działanie, to przeciwnie, nanoelektronika jest wezwana do stosowania takich efektów jako podstawy elektroniki nanoheterostrukturalnej.

Każdy z nas korzysta z elektroniki na co dzień i na pewno wiele osób już dostrzega pewne określone trendy. Pamięć w komputerach rośnie, procesory stają się bardziej produktywne, zmniejsza się rozmiar urządzeń. Jaki jest tego powód?

Przede wszystkim ze zmianą wymiarów fizycznych elementów mikroukładów, z których zasadniczo zbudowane są wszystkie urządzenia elektroniczne. Chociaż fizyka procesów pozostaje dziś w przybliżeniu taka sama, rozmiary urządzeń stają się coraz mniejsze. Duże urządzenie półprzewodnikowe działa wolniej i zużywa więcej energii, a nanotranzystor - i działa szybciej i zużywa mniej energii.

Wiadomo, że wszystkie ciała materialne składają się z atomów. A dlaczego elektronika nie osiąga skali atomowej? Ta nowa dziedzina elektroniki pozwoli rozwiązać takie problemy, które na konwencjonalnej bazie krzemowej po prostu zasadniczo niemożliwe do rozwiązania.

Interesujące jest grafen i podobne materiały jednowarstwowe (patrz artykuł - Nieoczekiwane właściwości znanego węgla) Takie materiały o grubości jednego atomu mają niezwykłe właściwości, które można łączyć w celu tworzenia różnych obwodów elektronicznych.

Na przykład technologie związane z mikroskopem sondy umożliwiają konstruowanie różnych struktur pojedynczych atomów na powierzchni przewodnika w ultrawysokiej próżni, po prostu poprzez ich przestawienie. Co nie jest podstawą do tworzenia monatomicznych urządzeń elektronicznych?

Manipulacje materią na poziomie molekularnym wpłynęły już na wiele branż, nie ominęły elektroniki. Mikroprocesory i układy scalone są budowane w ten sposób. Wiodące kraje inwestują w dalszy rozwój tej ścieżki technologicznej - aby przejście do nanoskali odbywa się szybciej, szerzej i dalej się poprawia.

Nawiasem mówiąc, niektóre sukcesy zostały już osiągnięte. Intel w 2007 roku ogłosił, że opracowano procesor oparty na elemencie strukturalnym o wielkości 45 nm (wprowadzony przez VIA Nano), a następnym krokiem będzie osiągnięcie 5 nm. IBM osiągnie 9 nm dzięki grafenowi.

Nanorurki węglowe (grafen) - Jeden z najbardziej obiecujących nanomateriałów dla elektroniki. Pozwalają one nie tylko zmniejszyć rozmiar tranzystorów, ale także nadać elektronice prawdziwie rewolucyjne właściwości, zarówno mechaniczne, jak i optyczne. Nanorurki nie wychwytują światła, są ruchome, zachowują właściwości elektroniczne obwodów.

Szczególnie kreatywni optymiści już nie mogą się doczekać stworzenia przenośnych komputerów, które można wyciągnąć z kieszeni jak gazeta lub nosić w formie bransoletki na ręce, a jeśli to pożądane, można je rozmieścić jak gazetę, a cały komputer będzie jak składana grubość papieru na ekranie dotykowym o wysokiej rozdzielczości.

Inną perspektywą zastosowania nanotechnologii i zastosowania nanomateriałów jest rozwój i tworzenie dysków twardych nowej generacji.W 2007 roku Albert Firth i Peter Grunberg otrzymali Nagrodę Nobla za odkrycie mechaniki kwantowej ultrawysokiej rezystancji magnetycznej (efekt GMR), gdy cienkie warstwy metalu z naprzemiennych warstw przewodzących i ferromagnetycznych znacząco zmieniają swoją rezystancję magnetyczną wraz ze zmianą wzajemnego kierunku magnesowania.

Kontrolując magnetyzację konstrukcji za pomocą zewnętrznego pola magnetycznego, możliwe jest stworzenie tak dokładnych czujników pola magnetycznego i przeprowadzenie tak dokładnego zapisu na nośniku informacji, że jego gęstość przechowywania osiągnie poziom atomowy.

Nanoelektronika i plazmatronika nie ominęły. Drgania zbiorcze wolnych elektronów wewnątrz metalu mają charakterystyczną długość fali rezonansu plazmonowego około 400 nm (dla cząsteczki srebra o wielkości 50 nm). Można uznać, że rozwój nanoplazmy rozpoczął się w 2000 r., Kiedy przyspieszono postęp w ulepszaniu technologii tworzenia nanocząstek.

Okazało się, że fala elektromagnetyczna może być przenoszona wzdłuż łańcucha metalowych nanocząstek, wywołując ekscytujące oscylacje plazmonowe. Taka technologia umożliwi wprowadzenie łańcuchów logicznych do technologii komputerowej, która może działać znacznie szybciej i przekazywać więcej informacji niż tradycyjne układy optyczne, a rozmiar systemów będzie znacznie mniejszy niż akceptowane układy optyczne.

Liderami w dziedzinie nanoelektroniki i ogólnie elektroniki są dziś Tajwan, Korea Południowa, Singapur, Chiny, Niemcy, Anglia i Francja.

Najnowocześniejsza elektronika jest dziś produkowana w USA, a najbardziej masywnym producentem elektroniki wysokiej technologii jest Tajwan, dzięki inwestycjom japońskich i amerykańskich firm.

Chiny są tradycyjnym liderem w dziedzinie elektroniki budżetowej, ale tutaj sytuacja stopniowo się zmienia: tania siła robocza przyciąga inwestorów z firm zaawansowanych technologii, które planują założyć swoją nanoprodukcję w Chinach.

Rosja ma również duży potencjał. Baza w dziedzinie mikrofal, struktur emitujących, fotodetektorów, paneli słonecznych i energoelektroniki pozwala w zasadzie na tworzenie miast nauki nanotechnologii i ich rozwój.

Potencjał ten wymaga warunków ekonomicznych i organizacji podstawowych badań i rozwoju naukowego. Wszystko inne to: baza technologiczna, obiecujący personel i wykwalifikowane środowisko naukowe. Potrzebne są tylko duże inwestycje, a to często okazuje się piętą achillesową ...

Jeden przykład zastosowania nanotechnologii:Nanoanteny do odbioru energii słonecznej