Was ist Nanoelektronik und wie funktioniert sie?

Das Gebiet der Elektronik, das sich mit der Entwicklung technologischer und physikalischer Grundlagen für den Bau integrierter elektronischer Schaltkreise mit Elementgrößen von weniger als 100 Nanometern befasst, wird als Nanoelektronik bezeichnet. Der Begriff "Nanoelektronik" selbst spiegelt den Übergang von der Mikroelektronik moderner Halbleiter, bei der die Größe von Elementen in Einheiten von Mikrometern gemessen wird, zu kleineren Elementen wider - mit Größen von mehreren zehn Nanometern.

Mit dem Übergang zur Nanoskala beginnen Quanteneffekte in den Schemata zu dominieren, enthüllen viele neue Eigenschaften und markieren dementsprechend die Aussichten für ihre nützliche Verwendung. Und wenn für die Mikroelektronik Quanteneffekte oft parasitär blieben, weil beispielsweise mit der Abnahme der Größe des Transistors der Tunneleffekt seinen Betrieb zu stören beginnt, dann ist die Nanoelektronik im Gegenteil aufgefordert, solche Effekte als Grundlage für nanoheterostrukturierte Elektronik zu verwenden.

Jeder von uns benutzt jeden Tag Elektronik, und sicher bemerken viele Menschen bereits bestimmte Trends. Der Speicher in Computern nimmt zu, Prozessoren werden produktiver, die Größe von Geräten nimmt ab. Was ist der Grund dafür?

Zunächst mit einer Änderung der physikalischen Abmessungen der Elemente von Mikroschaltungen, aus denen im Wesentlichen alle elektronischen Geräte aufgebaut sind. Obwohl die Physik der Prozesse heute ungefähr gleich bleibt, werden die Gerätegrößen immer kleiner. Ein großes Halbleiterbauelement arbeitet langsamer und verbraucht mehr Energie und ein Nanotransistor - und arbeitet schneller und verbraucht weniger Energie.

Es ist bekannt, dass alle materiellen Körper aus Atomen bestehen. Und warum erreicht die Elektronik nicht die atomare Skala? Dieses neue Gebiet der Elektronik wird es ermöglichen, solche Probleme zu lösen, die auf einer herkömmlichen Siliziumbasis einfach grundsätzlich unmöglich zu lösen.

Von großem Interesse sind Graphen und ähnliche Monoschichtmaterialien (siehe Artikel - Unerwartete Eigenschaften von bekanntem Kohlenstoff) Solche Materialien, ein Atom dick, haben bemerkenswerte Eigenschaften, die kombiniert werden können, um verschiedene elektronische Schaltungen zu erzeugen.

Zum Beispiel ermöglichen Technologien im Zusammenhang mit der Sondenmikroskopie, verschiedene Strukturen einzelner Atome auf der Oberfläche eines Leiters im Ultrahochvakuum zu konstruieren, indem sie einfach neu angeordnet werden. Was ist nicht die Grundlage für die Erstellung einatomiger elektronischer Geräte?

Manipulationen von Materie auf molekularer Ebene haben bereits viele Branchen betroffen, sie haben die Elektronik nicht umgangen. Auf diese Weise werden Mikroprozessoren und integrierte Schaltkreise aufgebaut. Führende Länder investieren in die Weiterentwicklung dieses technologischen Weges - damit der Übergang zur Nanoskala schneller, breiter und weiter verbessert wird.

Übrigens wurden bereits einige Erfolge erzielt. Intel gab 2007 bekannt, dass ein Prozessor auf der Basis eines Strukturelements mit einer Größe von 45 nm entwickelt wurde (eingeführt von VIA Nano). Der nächste Schritt wäre das Erreichen von 5 nm. IBM wird dank Graphen 9 nm erreichen.

Kohlenstoffnanoröhren (Graphen) - Eines der vielversprechendsten Nanomaterialien für die Elektronik. Sie ermöglichen es nicht nur, die Größe von Transistoren zu reduzieren, sondern der Elektronik auch wirklich revolutionäre Eigenschaften zu verleihen, sowohl mechanisch als auch optisch. Nanoröhren fangen kein Licht ein, sind mobil und bewahren die elektronischen Eigenschaften von Schaltkreisen.

Besonders kreative Optimisten freuen sich bereits darauf, tragbare Computer zu entwickeln, die wie eine Zeitung aus der Tasche gezogen oder in Form eines Armbands an der Hand getragen werden können und auf Wunsch wie eine Zeitung eingesetzt werden können. Der gesamte Computer wird wie ein faltbares hochauflösendes Touchscreen-Papier aussehen.

Eine weitere Perspektive für die Anwendung der Nanotechnologie und den Einsatz von Nanomaterialien ist die Entwicklung und Schaffung von Festplatten der nächsten Generation.2007 erhielten Albert Fert und Peter Grünberg den Nobelpreis für die Entdeckung des quantenmechanischen Effekts des ultrahohen magnetischen Widerstands (GMR-Effekt), wenn dünne Metallfilme aus alternierenden leitenden und ferromagnetischen Schichten ihren magnetischen Widerstand mit einer Änderung der reziproken Magnetisierungsrichtung signifikant ändern.

Durch Steuern der Magnetisierung der Struktur mit Hilfe eines externen Magnetfelds ist es möglich, so genaue Magnetfeldsensoren zu erzeugen und eine so genaue Aufzeichnung auf dem Informationsträger durchzuführen, dass seine Speicherdichte das atomare Niveau erreicht.

Nanoelektronik und Plasmatronik haben nicht umgangen. Kollektive Schwingungen freier Elektronen innerhalb eines Metalls haben eine charakteristische Plasmonresonanzwellenlänge von etwa 400 nm (für ein Silberteilchen mit einer Größe von 50 nm). Man kann davon ausgehen, dass die Entwicklung der Nanoplasmonik im Jahr 2000 begonnen hat, als die Fortschritte bei der Verbesserung der Technologie zur Herstellung von Nanopartikeln beschleunigt wurden.

Es stellte sich heraus, dass die elektromagnetische Welle entlang einer Kette von Metallnanopartikeln übertragen werden kann, wodurch Plasmonoszillationen angeregt werden. Eine solche Technologie wird es ermöglichen, Logikschaltungen in die Computertechnologie einzuführen, die viel schneller arbeiten und mehr Informationen weitergeben können als herkömmliche optische Systeme, und die Größe der Systeme wird viel kleiner sein als die akzeptierten optischen.

Die führenden Unternehmen auf dem Gebiet der Nanoelektronik und der Elektronik im Allgemeinen sind heute Taiwan, Südkorea, Singapur, China, Deutschland, England und Frankreich.

Die modernste Elektronik wird heute in den USA hergestellt, und der massivste Hersteller von Hightech-Elektronik ist Taiwan, dank der Investitionen japanischer und amerikanischer Unternehmen.

China ist ein traditioneller Marktführer auf dem Gebiet der Budgetelektronik, aber hier ändert sich die Situation allmählich: Billige Arbeitskräfte ziehen Investoren von High-Tech-Unternehmen an, die planen, ihre Nanoproduktion in China zu etablieren.

Russland hat auch ein gutes Potenzial. Die Basis im Bereich Mikrowelle, emittierende Strukturen, Fotodetektoren, Sonnenkollektoren und Leistungselektronik ermöglicht im Prinzip die Schaffung von Wissenschaftsstädten der Nanotechnologie und deren Entwicklung.

Dieses Potenzial erfordert wirtschaftliche Bedingungen und Organisation für Grundlagenforschung und wissenschaftliche Entwicklung. Alles andere ist: die technologische Basis, vielversprechendes Personal und ein qualifiziertes wissenschaftliches Umfeld. Es sind nur große Investitionen erforderlich, und dies stellt sich häufig als Achillesferse heraus ...

Ein Beispiel für die Anwendung der Nanotechnologie:Nanoantennen zur Aufnahme von Sonnenenergie