آشنایی با نانو الکترونیک

http://www.aftab.ir/articles/science...180b59859d.jpg











برای پیشبرد فناوری نانو الکترونیک و نتیجه رساندن آن سه مرحله راهبردی پیشنهاد می شود که با پیاده سازی این سه مرحله می توان نانو الکترونیک را جایگزین فناوری الکترونیک سیلیکونی کرد ونسل جدیدی از محصولات الکترونیکی را وارد بازار ساخت.
در سال ۱۹۵۶ گوردون مور بنیان گذار اینتل تحلیلی ارایه کرد که بر طبق آن هر ۱۸ ماه تعداد ترانزیستورهای بکار رفته در ریزپردازهای اینتل دو برابر می شود که نصف شدن ابعاد گیت ترانزیستورها با شرط ثابت بودن اندازه تراشه سیلیکونی در آن می تواند نتیجه این قوانین باشد.
این قاعده به قانون مور موسوم شد. این نصف شدن در واقع پیام آور ابعاد اقتصادی بود یعنی هر چه گیت کوچکتر می شد ترانزیستور می توانست سریعتر سوئیچ کند و درنتیجه انرژی کمتری مصرف می شد و تعداد بیشتری ترانزیستور در یک تراشه سیلیکون جای می گرفت. افزایش تعداد ترانزیستورها و بازدهی آنها، هزینه را کاهش می دهد بنابراین مقرون به صرفه تر این بود که هر ترانزیستور تا حد امکان کوچکتر شود، این کوچک سازی بالاخره در نقطه ای متوقف می شد بنابراین برای ادامه رشد صنعت الکترونیک باید به فکر فناوریهای جایگزین بود، فناوری که مشکلات گذشته را حل کرده و توجیه اقتصادی داشته باشد و اینبار نانو تکنولوژی بود که توانست به کمک الکترونیک بیاید و فناوری الکترونیک مولکولی یا همان نانو الکترونیک بنا نهاده شد.
نانو تکنولوژی یک رشته وابسته به ابزار است ابزارهایی که به مرور در حال بهتر شدن است نانو تکنولوژی و شاخه های کاربردی آن مانند نانوالکترونیک درواقع تولید کارآمد دستگاهها و سیستم ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانو است و بهره برداری از خواص و پدیده های نوظهوری است که در این مقیاس توسعه یافته است.
صنعت الکترونیک امروزی مبتنی بر سیلیکون است سن این صنعت به حدود ۵۰ سال می رسد و اکنون به مرحله ای رسیده است که از لحاظ تکنولوژیکی، صنعتی و تجاری به بلوغ رسیده است. در مقابل این فناوری، الکترونیک مولکولی قرار ارد که در مراحل کاملاً ابتدایی است و قرار است این فناوری به عنوان آینده و نسل بعدی صنعت الکترونیک سیلیکونی مطرح شود. الکترونیک مولکولی دانشی است که مبتنی بر فناوری نانو بوده و کاربردهای وسیعی در صنعت الکترونیک دارد. با توجه به کاربردهای وسیع الکترونیک در محصولات تجاری بازار می توان با سرمایه گذاری و تامل بیشتر در فناوری نانو الکترونیک در آینده ای نه چندان دور شاهد سود دهی کلان محصولاتی بود که جایگزین فناوری الکترونیک سیلیکونی شده اند. میل، اشتیاق و علاقه مصرف کنندگان و نیاز بازار به محصولات جدید با قابلیتهای بالا سازندگان و صنعتگران را بر آن می دارد که با سرمایه گذاری در این فناوری شاهد رشد و شکوفایی اقتصادی هر چه بیشتر باشند، ولیکن با توجه به اهمیت نانوتکنولوژی و نیز نانو الکترونیک که به عنوان یک شاخه کاربردی از نانو تکنولوژی مطرح است لزوم سرمایه گذاری کلان در درازمدت و ریسک پذیری و تشکیل مراکز R&D توسط دولتمردان پیش از پیش احساس می شود.
برای پیشبرد فناوری نانو الکترونیک و نتیجه رساندن آن سه مرحله راهبردی پیشنهاد می شود که با پیاده سازی این سه مرحله می توان نانو الکترونیک را جایگزین فناوری الکترونیک سیلیکونی کرد ونسل جدیدی از محصولات الکترونیکی را وارد بازار ساخت.
▪ مرحله اول:
مولکولی در نظر گرفته می شود باید کاربردهایی ساده ارزان و غیر پیچیده ای باشند تا اطمینان نسبی به الکترونیک مولکولی ایجاد شده و سرمایه گذاری ها به سمت آن هدایت شود و از طرفی کارایی این فناوری ثابت شود. به بیان ساده وشفاف و مقایسه نسل جدید محصولات که بر پایه این فناوری جایگزین شده اند، توجیه کاربرد این محصولات و ایجاد اطمینان در مصرف کنندگان می تواند به عنوان بهترین حامی اقتصادی در این مرحله باشد.
▪ مرحله دوم:
تولیدات اولیه الکترونیک مولکولی (نانو الکترونیک) باید مکملی برای فناوری سیلیکون باشند اینگونه نباشد که انقلابی رااز همان آغاز و ابتدا شروع کرده و این ادوات و فناوریهای جدید تافته جدا بافته باشد و هیچ ربطی به فناوری سیلیکونی نداشته باشد زیرا فناوری سیلیکونی یک صنعت جا افتاده است. پس اگر نانوالکترونیک را بتوان مکملی برای فناوری سیلیکونی بکار برد شاهد پیشرفت قابل ملاحظه ای در این فناوری نوپا بوده و جایگزین مناسبی برای نسل آینده محصولات الکترونیکی در نظر گرفته شده است.
▪ مرحله سوم:
مرحله سوم مبحث کاملاً جدیدی است که اصلاً در دسترس فناوری سیلیکون نبوده و نانوالکترونیک می تواند بعد از طی مراحل اول و دوم به آن بپردازد، یک مثال ساده وروشن این موضوع، نمایشگرها هستند، نمایشگرهای متداول کاملاً سخت و غیرقابل انعطاف هستند ولی با استفاده از الکترونیک مولکولی ومولکول هایی که در صفحه نمایش استفاده داشته باشد بنابر این کابرد هایی وجود دارد که از دسترس فناوری سیلیکون، آن هم بخاطر جامد و کریستالی بودن ذاتی اش دور بوده و برای الکترونیک مولکولی قابل دستیابی است. وقتی که نانو الکترونیک جا افتاد و وارد بازار محصولات الکترونیک شد آنگاه می توان نسل جدیدی از محصولات را به دست آورد که شامل پردازندهایی ۱۰۰۰ مرتبه سریعتر از نوع امروزی باشند. اگر این مرحله با موفقیت طی شود حدوداً یک دهه طول خواهد کشید تا نسل جدید محصولات الکترونیکی مبتنی بر الکترونیک مولکولی یا الکترونیک در ابعاد نانومتر (نانو الکترونیک) ظهور یابد.
● بررسی امکانات موجود:
برای ساخت ابزارهای مولکولی باید دید از چه چیزهایی می توان استفاده کرد، وسایلی که در اختیار است و تاکنون مدنظر بوده است به شرح ذیل هستند:
▪ نانو لوله ها
▪ حلقه های بنزنی
▪ پلیمرها
▪ DNA
ـ نانو لوله ها:
اگر یک صفحه تخت گرافیکی مدنظر باشد و به شکلی بتوان آن را به صورت نواری در نظر گرفت و لوله کرد یک نانو لوله مفروض به دست می آید که ساختار آن همان ساختار گرافیت بوده و یک هگزاگونال است. این ماده در سال ۱۹۹۱ در ژاپن کشف شده و به علت خصوصیات جالب آن مورد توجه قرار گرفت. یک خاصیت جالب این مواد آن است که بر حسب اینکه در چه جهتی خم شود دارای خاصیت نیمه هادی و یا فلزی می شود. قطر یک نانو لوله کمتر از ۲ نانومتر است و از این نانو لوله می توان به عنوان یک سیم کوانتومی یا یک سیم غیرفعال استفاده کرد به عنوان مثال این لوله می تواند به عنوان یک سیم انتقال هنگام اعمال اختلاف پتانسیل از یک الکترود به الکترود دیگر عمل کند که این موضوع مثالی از اتصالات غیرفعال می تواند باشد.
نانو لوله دارای خاصیت فلزی است این خاصیت رسانش نه فقط در طول بلکه در عرض نانو لوله نیز وجود دارد برای حالت سیمهای مولکولی غیرفعال، بهتر است که نانو لوله دارای خاصیت رسانش باشد، اگر باشد، نانو لوله دارای گاف انرژی خواهد بود که شبیه نیمه هادی خواهد شد. اگر نانو لوله کربنی روی سطحی قرار داده شود و نوک STM (مولکول نانو لوله های کربنی) رابه سطح آن نزدیک شود، چنانچه ولتاژی را بین بستری که نانو لوله روی آن قرار دارد و نوک STM اعمال شود جریانی عبور خواهد کرد، بر حسب مقدار جریانی که عبور می کند، می توان تشخیص داد که گاف انرژی چقدر است.
ـ حلقه بنزنی:
حلقه های بنزنی به خاطر چگالی حالت بالا که بر روی حلقه های خود دارند جانشینی برای سیمهای کوانتومی در نظر گرفته می شود.
ـ پلیمرها:
از نمونه هایی که به عنوالن سیمهای مولکولی فعال یا غیرفعال می توان نام برد پلی تیوفن (PT) یا پلی انیلین است که داخل یک سیکلود کسترین۱ (CD) قرار گرفته باشد این دو ماده در اصل پلیمرهایی هستند که به عنوان قسمتهای هادی سیم بکار می روند این پلیمرها شبیه حلقه بنزنی است که به همدیگر چسبیده اند و دو سر آن به دو الکترود طلا وصل شده است. اتصالات سیمهای مولکلولی به الکترودهایش توسط اتم های گوگرد برقرار می شود سطحی که این پلیمر بر روی آن قرار می گیرد ممکن است قسمتی از جریان را بکشد یعنی اینکه یک جریان اتلافی داشته باشد برای اینکه مانع از این جریان اتلافی شد باید این سیم را داخل یک حفاظ مولکولی قرار داد این حفاظ نیز شبیه نانو لوله کربنی است اما دارای قطر بسیار بزرگتر و ساختار پیچیده تری است لذا این لوله مولکولی مانع عبور جریان اتلافی از دیواره های سیم و انتقال آن به سطح تماس می شود.
ـ DND:
DNA نمونه ای از سیم های فعال است. ساختمان DNA کاملاً شناخته شده است و به طور خودکار این ساختمان ایجاد می شود، برای تولید آن مانند پلیمرها مشکلی وجود ندارد فقط باید خواص آن مورد بررسی قرار گیرد تا متوجه چگونگی تغییرات آن شد برای این منظور به ذکر مثالی پرداخته می شود:
به منظور استفاده از DNA برای محاسبه جریان بر حسب ولتاژ، یک فاصله ۸ نانومتری بین دو الکترود پلاتین مفروض می شود، پس با اعمال یک ولتاژ می توان جریان را محاسبه کرد.
نکته ای که از شکل بالا برداشت می شود این است که نمودار جریان بر حسب ولتاژ نموداری نامتقارن است، یعنی اینکه جریان برای ولتاژی مثلاً بین ۱ و ۲ ولت اجازه عبور ندارد در حالی که برای ۲ و ۱ جریان می تواند عبور کند و این یعنی اینکه DNA می تواند عمل یکسوسازی را انجام دهد. در مورد هدایت از داخل DNA سه نظریه مد نظر است، یکی اینکه DNA یک نیمه هادی با گاف خیلی بزرگ است. دیگر اینکه DNA یک نیمه هادی با گاف کوچک ونیز اینکه DNA دارای خاصیت فلزی است.
موضوع در اصل این است که DNA ماده بسیار پیچیده ای است که شرایط محیطی به شکل بسیار زیادی می تواند بر روی خواص آن تاثیر بگذارد یکی از این شرایط محیطی موثر حضور آب است، DNA یی که در محیط خشک باشد با DNAیی که در محیط مرطوب باشد بسیار متفاوت است. لذا با توجه به شرایط محلی حاکم بر DNA نمی توان یک نتیجه قطعی در مورد اینکه DNA فلز است یا نیمه فلز بیان کرد اما آنچه که مسلم است این است که DNA یک نیمه هادی با گاف بزرگ است.
در حالت عادی یونهایی وجود دارد که با دستکاری آنها می توان خواص هدایتی DNA را تغییر داد یعنی می توان امید داشت که با افزودن یونهایی بتوان حتی آن را به فلز تبدیل کرد یک نکته جالب دیگر این است که می توان از DNA به عنوان قالب استفاده کرد و در مکانهای مشخصی روی DNA یکسری فلزات را قرار داد تا یک سیم فلزی دور DNA ایجاد شود. در این حالت DNA به عنوان قالبی برای پایدار نگه داشتن سیم مورد نظر استفاده قرار گیرد. بررسی پایداری DNA با توجه به شرایط محلی حاکم بر سیستم نیز امکان پذیر است. هدایت DNA در دو مسیر مشخص صورت می گیرد. وقتی DNA را به عنوان هدایت کننده جریان در نظر گرفته شده یک بار می تواند در جهت موازی محورش جریان را عبور دهد و یک بار نیز می تواند عمود بر محورش جریان را عبور دهد، حال برای هدایت در جهت عمود بر محور می توان اینگونه فرض کرد که وقتی نوک STM (مولکول نانو لوله های کربنی) در بالای DNA قرار می گیرد جریان به شکل عمود از جفت های بازی که وجود دارد وارد نوک STM می شود این کار می تواند هم به عنوان آزمایشی برای دیدن تصویر DNA و هم برای اندازه گیری عبور جریان جفت های بازی به کار رود ومی توان بدین شکل رسانش AT و CG (جفت های بازهایی که در مارپیچ DNA وجود دارند) را محاسبه کرد.
DNA می تواند یک ابزار در تولید محصولات نانو الکترونیک کاربرد های فراوانی داشته باشد، با توجه به اینکه DNA به طور طبیعی در طبیعت و سلولهای موجودات زنده وجود دارد می توان از آن در تولید دیگر محصولات نانوتکنولوژی همانند نانوموتورها سود جست. کنترل و پایداری DNA نیز با توجه به خواص ذاتی و محلی آن امکان پذیر بوده و جای تامل و بحث دارد.
● نتیجه گیری:
۱) آنچه که مسلم است، الکترونیک مولکولی دارای آینده ای درخشان است و با آهنگ بسیار سریعی در حال رشد و تکامل است. از این رو توجه خاصی را می طلبد.
۲) نتایج عملی رشد و توسعه شاخه های نانوتکنولوژی مانند نانوالکترونیک سبب ساخت تجهیزاتی خواهد شد که در مقایسه با گذشته اختلاف فاحش داشته و نسل کاملاً جدیدی با قابلیت های منحصر به فرد خواهد بود.
۳) نانو لوله ها و DNA به عنوان دو ابزار کارآمد در تولید محصولات نانوالکترونیک از اهمیت خاصی برخوردارند، ولیکن در این میان DNA به دلیل داشتن خواص محلی و وجود آن در بدن موجودات زنده از اهمیت بیشتری برخوردار است.
۴) با توجه به دو شاخص تعداد مقالات علمی و اختراعات ثبت شده، در نانو تکنولوژی می توان نتیجه گرفت که این شاخصها می توانند اطلاعاتی مفید در مورد تکامل این فناوری را نشان دهند و برای طرح برنامه ها و استراتژیها مناسب باشند.
۵) نانوتکنولوژی و شاخه های کاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالکترونیک به عنوان پدیده هایی نوظهور هنوز قبل از تجاری سازی محصولاتشان، احتیاج به پیشرفت در هر دو زمینه علمی و تکنولوژیکی را دارد. با توجه به اینکه هم اکنون برخی از محصولات این فناوری در بازار وجود دارد پیش بینی اینکه کدامیک از محصولات آینده بهتری دارند (از نظر رقابتی) نیاز به بررسی بیشتر شاخصهای این فناروی در بخشهای صنعت و زیرمجموعه های این فناوری دارد.
۶) با توجه به اهمیت فناری نانو و کاربردهای روزافزون آن در دنیا باید تحقیقات دانشگاهی و دولتی تواماً صورت گیرد و به علت اینکه اهداف تحقیقاتی این فناوری پایه ای و درازمدت است بخش صنعت توان سرمایه گذاری بر روی تحقیقات درازمدت و مخاطره آمیز را نداشته، از این رو حمایت دولتمردان به عنوان پشتوانه ای مهم در این فناوری خواهد بود علاوه بر این ایجاد ساختارهای جدید در دانشگاهها و آزمایشگاههای ملی برای توسعه این فناوری لازم است نیازمندیها و انتظارات فناوری نانو و شاخه های کاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالکترونیک فراتر از تمامی چیزهایی است که مقررات سنتی دانشگاهی، آزمایشگاهی ملی و یا حتی تمام صنعت می تواند فراهم کند و به خاطر همین مشکلات است که یک حرکت و اندیشه ملی پایه ریزی و با حمایت دولتی در زمینه این فناوری حیاتی به نظر می رسد.
با توجه به پتانسیل های موجود ایران در زمینه مهندسی الکترونیک، لزوم یک مرکز R&D دولتی که به حمایت محصولات تولیدی الکترونیکی صنایع پرداخته و بتواند در آینده بازار تجاری محصولات نانو الکترونیک را به دست بگیرد به شدت حس می شود و اگر تدبیری اندیشیده نشود متاسفانه باید گفت که همانند گذشته باید مصرف کننده خوبی بوده و شاهد سودهای کلان تجاری دیگر کشورها و سرمایه گذاران بود.