Ce este nanoelectronica și cum funcționează

Domeniul electronicii angajate în dezvoltarea bazelor tehnologice și fizice pentru construcția circuitelor electronice integrate cu dimensiuni mai mici de 100 nanometri se numește nanoelectronică. Termenul „nanoelectronică” în sine reflectă trecerea de la microelectronica semiconductorilor moderni, unde mărimile elementelor sunt măsurate în unități de micrometre, la elemente mai mici cu dimensiuni de zeci de nanometre.

Odată cu trecerea la nano-scară, efectele cuantice încep să domine în scheme, dezvăluind multe proprietăți noi și, în consecință, marcând perspectivele pentru utilizarea lor utilă. Și dacă pentru efectele cuantice microelectronice au rămas adesea parazite, pentru că, de exemplu, odată cu scăderea dimensiunii tranzistorului, efectul tunel începe să interfereze cu funcționarea acestuia, atunci nanoelectronica, dimpotrivă, este invitată să utilizeze astfel de efecte ca bază pentru electronica nanoheterostructurată.

Fiecare dintre noi utilizează electronice în fiecare zi și, cu siguranță, mulți oameni observă deja unele tendințe definite. Memoria în calculatoare crește, procesoarele devin mai productive, dimensiunea dispozitivelor este în scădere. Care este motivul pentru asta?

În primul rând, cu o modificare a dimensiunilor fizice ale elementelor microcircuitelor, din care sunt construite în esență toate dispozitivele electronice. Deși fizica proceselor rămâne aproximativ aceeași în prezent, dimensiunile dispozitivelor sunt din ce în ce mai mici. Un dispozitiv semiconductor mare funcționează mai lent și consumă mai multă energie, și un nanotransistor - și funcționează mai repede și consumă mai puțină energie.

Se știe că toate corpurile materiale sunt compuse din atomi. Și de ce electronica nu atinge scala atomică? Acest nou domeniu electronic va permite rezolvarea unor astfel de probleme pe o bază convențională de siliciu doar fundamental imposibil de rezolvat.

De mare interes este grafenul și materialele monocapa similare (vezi articolul - Proprietăți neașteptate ale carbonului familiar). Astfel de materiale, cu un atom gros, au proprietăți remarcabile care pot fi combinate pentru a crea diverse circuite electronice.

De exemplu, tehnologiile legate de microscopia sondei fac posibilă construcția diferitelor structuri de atomi individuali pe suprafața unui conductor în vid ultrahigh, prin simpla rearanjare a acestora. Care nu este baza pentru crearea dispozitivelor electronice monatomice?

Manipulările materiei la nivel molecular au afectat deja multe industrii, nu au ocolit electronica. Microprocesoarele și circuitele integrate sunt construite în acest fel. Țările conducătoare investesc în dezvoltarea ulterioară a acestei căi tehnologice - astfel încât tranziția la nano-scară să aibă loc mai repede, mai largă și să se îmbunătățească în continuare.

Apropo, unele succese au fost deja obținute. Intel, în 2007, a anunțat că a fost dezvoltat un procesor bazat pe un element structural cu o dimensiune de 45 nm (introdus de VIA Nano) și următorul pas ar fi să ajungă la 5 nm. IBM va obține 9 nm datorită grafenului.

Nanotuburi de carbon (grafen) - Unul dintre cele mai promițătoare nanomateriale pentru electronică. Acestea permit nu numai să reducă dimensiunea tranzistoarelor, ci și să ofere electronicelor proprietăți cu adevărat revoluționare, atât mecanice cât și optice. Nanotuburile nu captează lumina, sunt mobile, păstrează proprietățile electronice ale circuitelor.

Mai ales că optimiștii creativi așteaptă cu nerăbdare să creeze computere portabile care pot fi scoase dintr-un buzunar precum un ziar sau purtate sub formă de brățară pe mâna unuia și, dacă se dorește, pot fi implementate ca un ziar, iar întregul computer va fi ca un grosime de hârtie tactilă de înaltă rezoluție.

O altă perspectivă pentru aplicarea nanotehnologiei și utilizarea nanomaterialelor este dezvoltarea și crearea de hard disk-uri de generație următoare.În 2007, Albert Fert și Peter Grünberg au primit premiul Nobel pentru descoperirea efectului mecanic cuantic al rezistenței magnetice ultrahigh (efect GMR), când peliculele subțiri de metal din straturi alternante conductoare și ferromagnetice își schimbă semnificativ rezistența magnetică cu o schimbare în direcția reciprocă a magnetizării.

Prin controlul magnetizării structurii cu ajutorul unui câmp magnetic extern, este posibil să se creeze senzori de câmp magnetic atât de exacti și să se efectueze o înregistrare atât de precisă pe purtătorul de informații încât densitatea de stocare a acesteia să atingă nivelul atomic.

Nanoelectronica și plasmatronica nu s-au ocolit. Vibrațiile colective ale electronilor liberi din interiorul unui metal au o lungime de undă caracteristică rezonanței plasmonice de aproximativ 400 nm (pentru o particulă de argint cu dimensiunea de 50 nm). Dezvoltarea nanoplasmonicelor poate fi considerată a fi început în anul 2000, când progresele în îmbunătățirea tehnologiei de creare a nanoparticulelor au fost accelerate.

S-a dovedit că unda electromagnetică poate fi transmisă de-a lungul unui lanț de nanoparticule metalice, oscilații plasmatice excitante. O astfel de tehnologie va face posibilă introducerea circuitelor logice în tehnologia computerului care poate funcționa mult mai rapid și poate transmite mai multe informații decât sistemele optice tradiționale, iar dimensiunea sistemelor va fi mult mai mică decât cele optice acceptate.

Liderii în domeniul nanoelectronicii și a electronicelor în general sunt astăzi Taiwan, Coreea de Sud, Singapore, China, Germania, Anglia și Franța.

Cele mai moderne electronice sunt fabricate astăzi în SUA, iar cel mai masiv producător de electronice de înaltă tehnologie este Taiwan, datorită investițiilor companiilor japoneze și americane.

China este un lider tradițional în domeniul electronicelor bugetare, dar aici situația se schimbă treptat: forța de muncă ieftină atrage investitori din companii de înaltă tehnologie care intenționează să-și stabilească nanoproducția în China.

Rusia are, de asemenea, un potențial bun. Baza în domeniul microundelor, structurilor de radiații, fotodetectoarelor, panourilor solare și electronice de putere permite, în principiu, crearea orașelor științelor nanotehnologiei și dezvoltarea acestora.

Acest potențial necesită condiții economice și organizare pentru cercetarea de bază și dezvoltarea științifică. Orice altceva este: baza tehnologică, personalul promițător și un mediu științific calificat. Doar investiții mari sunt necesare, iar acest lucru se dovedește adesea călcâiul lui Ahile ...

Un exemplu de aplicare a nanotehnologiei:Nanoantene pentru primirea energiei solare