Mi a nanoelektronika és hogyan működik?

A nanoelektronikának nevezzük azt a szakterületet, amely a 100 nanométernél kisebb méretű integrált elektronikus áramkörök építéséhez szükséges technológiai és fizikai alapok fejlesztésével foglalkozik. Maga a "nanoelektronika" kifejezés tükrözi az átmenetet a mikroelektronikából a modern félvezetőkhöz, ahol az elemek méretét mikrométer egységekben mérik, és a több tíz nanométer méretű kisebb elemekre.

A nanoméretre való áttéréssel a kvantumhatások kezdik uralni a sémákat, sok új tulajdonságot mutatnak fel, és ennek megfelelõen jelzik azok hasznos felhasználásának kilátásait. És ha a mikroelektronika esetében a kvantumhatások gyakran paraziták maradtak, mert például a tranzisztor méretének csökkenésével az alagúthatás zavarja annak működését, akkor a nanoelektronikát éppen ellenkezőleg felkérik arra, hogy ezeket a hatásokat használja a nanoheterostrukturált elektronika alapjául.

Mindannyian minden nap használunk elektronikát, és természetesen sokan már észrevesznek bizonyos határozott trendeket. A számítógépek memóriája növekszik, a processzorok termelékenyebbé válnak, az eszközök mérete csökken. Mi az oka ennek?

Mindenekelőtt a mikroáramkörök fizikai méreteinek megváltozásával, amelyekből az összes elektronikus eszköz alapvetően fel van építve. Bár a folyamatok fizikája manapság megközelítőleg változatlan marad, az eszközök mérete egyre kisebb lesz. Egy nagy félvezető eszköz lassabban működik, több energiát fogyaszt, nanotranzisztor pedig gyorsabban működik, kevesebb energiát fogyaszt.

Ismert, hogy minden anyagi test atomokból áll. És miért nem éri el az elektronika az atomi skálát? Az elektronika ezen új területe lehetővé teszi az ilyen problémák megoldását hagyományos szilikon alapon alapvetően lehetetlen megoldani.

Nagyon érdekes a grafén és hasonló egyrétegű anyagok (lásd cikk - Az ismert szén váratlan tulajdonságai). Az ilyen, egy atom vastagságú anyagok figyelemre méltó tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek kombinálhatók különféle elektronikus áramkörök létrehozására.

Például a szonda mikroszkópiával kapcsolatos technológiák lehetővé teszik az egyes atomok különböző struktúráinak felépítését a vezető felületén ultra nagy vákuumban, egyszerűen átrendezve őket. Mi nem alapja a monatomikus elektronikai eszközök létrehozásának?

Az anyag molekuláris szintű manipulációi már sok iparágat érintettek, ők nem hagyták meg az elektronikát. A mikroprocesszorok és az integrált áramkörök így épülnek fel. A vezető országok beruháznak e technológiai út továbbfejlesztésébe - annak érdekében, hogy a nanoméretre való áttérés gyorsabban, szélesebben és tovább javuljon.

By the way, néhány sikert már elértek. Az Intel 2007-ben bejelentette, hogy kifejlesztettek egy 45 nm méretű szerkezeti elemre épülő processzort (a VIA Nano bevezette), és a következő lépés az 5 nm elérése lenne. Az IBM a grafénnek köszönhetően 9 nm-t fog elérni.

Szén nanocsövek (grafén) - Az elektronika egyik legígéretesebb nanoanyaga. Lehetővé teszik nemcsak a tranzisztorok méretének csökkentését, hanem az elektronika valóban forradalmi tulajdonságainak biztosítását is, mind mechanikai, mind optikai szempontból. A nanocsövek nem rögzítik a fényt, mozognak, megőrzik az áramkörök elektronikus tulajdonságait.

Különösen a kreatív optimisták már várják olyan hordozható számítógépek létrehozását, amelyeket kihúzhatunk egy zsebből, mint újságot, vagy karjukra lehet viselni a kezükön, és ha szükséges, újságként is telepíthetjük, és az egész számítógép olyan lesz, mint egy összecsukható nagy felbontású érintőképernyő vastagságú papír.

A nanotechnológia alkalmazásának és a nanoanyagok alkalmazásának további lehetősége a következő generációs merevlemezek fejlesztése és létrehozása.2007-ben Albert Fert és Peter Grünberg Nobel-díjat kapott az ultramagas mágneses ellenállás kvantummechanikai hatásának (GMR-hatás) felfedezéséért, amikor a váltakozó vezetőképes és ferromágneses rétegekből származó vékony fémrétegek jelentősen megváltoztatják mágneses ellenállásukat a mágneseztetés kölcsönös irányának megváltozásával.

A szerkezet mágnesesedésének külső mágneses mező segítségével történő vezérlésével olyan pontos mágneses mező-érzékelőket lehet létrehozni, és olyan pontos rögzítést végezhetünk az információs hordozón, hogy tárolási sűrűsége eléri az atomszintet.

A nanoelektronika és a plazmatronika nem kerültek megkerülésre. A fém belsejében levő szabad elektronok kollektív rezgéseinek jellemző plazmonrezonancia-hullámhossza körülbelül 400 nm (egy 50 nm méretű ezüst részecskéhez). A nanoplazmonikus termékek fejlesztése 2000-ben kezdődött, amikor felgyorsult a nanorészecskék előállítási technológiájának fejlesztése.

Kiderült, hogy az elektromágneses hullám átvihető a fém nanorészecskék lánca mentén, izgalmas plazmon oszcillációk révén. Egy ilyen technológia lehetővé teszi a logikai áramkörök bevezetését a számítógépes technológiába, amelyek sokkal gyorsabban működnek és több információt továbbítanak, mint a hagyományos optikai rendszerek, és a rendszerek mérete sokkal kisebb lesz, mint az elfogadott optikai rendszereknél.

A nanoelektronika és általában az elektronika területén ma vezetnek Tajvan, Dél-Korea, Szingapúr, Kína, Németország, Anglia és Franciaország.

A legmodernebb elektronikát manapság az USA-ban gyártják, a csúcstechnológiájú elektronika gyártója Tajvan pedig a japán és az amerikai vállalatok beruházásainak köszönhetően.

Kína a tradicionális vezető a költségvetési elektronika területén, de itt a helyzet fokozatosan változik: az olcsó munkaerő vonzza a csúcstechnológiájú vállalatok befektetőit, amelyek tervezik, hogy Kínában hozzák létre nanoprodukciójukat.

Oroszországnak is jó lehetősége van. A mikrohullámú, sugárzási szerkezetek, fotodetektorok, napelemek és energiaelektronika területén alapvetően lehetővé teszi a nanotechnológiai tudományos városok létrehozását és fejlesztését.

Ez a potenciál gazdasági feltételeket és szerveződést igényel az alapkutatás és a tudományos fejlesztés számára. Minden más: a technológiai alap, az ígéretes személyzet és a képzett tudományos környezet. Csak nagy beruházásokra van szükség, és ez gyakran az Achille-sarok ...

A nanotechnológia alkalmazásának egy példája:Nanoantennák napenergia fogadására