Nanoelectronica se refera la utilizarea nanotehnologiei in componentele electronice. Termenul acopera un set divers de dispozitive si materiale, cu caracteristica comuna ca sunt atat de mici, incat interactiunile inter-atomice si proprietatile mecanice cuantice trebuie studiate pe larg.
Unii dintre acesti candidati includ: electronica moleculara / semiconductoare hibrida, nanotuburi / nanofire unidimensionale (de exemplu, nanofire de siliciu sau nanotuburi de carbon) sau electronica moleculara avansata.
Dispozitivele nanoelectronice au dimensiuni critice, cu o gama de dimensiuni cuprinsa intre 1 nm si 100 nm. Generatiile recente de tehnologie MOSFET de siliciu (tranzistor cu efect de camp metal-oxid-semiconductor sau tranzistor MOS) sunt deja in acest regim, incluzand noduri CMOS de 22 nanometri (MOS complementare) si FinFET de 14 nm, 10 nm si 7 nm (camp fin). Nanoelectronica este uneori considerata tehnologie perturbatoare, deoarece candidatii actuali sunt semnificativ diferiti de tranzistoarele traditionale.
Concepte fundamentale
In 1965, Gordon Moore a observat ca tranzistoarele de siliciu au fost supuse unui proces continuu de redimensionare in jos, o observatie care a fost ulterior codificata drept legea lui Moore. De la observarea sa, dimensiunile minime ale caracteristicilor tranzistorului au scazut de la 10 micrometri la intervalul de 10 nm incepand cu 2019.
Retineti ca nodul tehnologic nu reprezinta direct dimensiunea minima a caracteristicii. Domeniul nanoelectronicii isi propune sa permita realizarea continua a acestei legi prin utilizarea de noi metode si materiale pentru a construi dispozitive electronice cu dimensiuni ale caracteristicilor la scara nano.
Probleme mecanice
Volumul unui obiect scade odata cu a treia putere a dimensiunilor sale liniare, dar suprafata scade doar odata cu a doua sa putere. Acest principiu oarecum subtil si inevitabil are ramificatii uriase. De exemplu, puterea unui burghiu (sau a oricarei alte masini) este proportionala cu volumul, in timp ce frictiunea rulmentilor si angrenajelor burghiului este proportionala cu suprafata lor.
Pentru un burghiu de dimensiuni normale, puterea dispozitivului este suficienta pentru a depasi cu usurinta orice frecare. Cu toate acestea, reducerea lungimii sale cu un factor de 1000, de exemplu, ii scade puterea cu 1000 la cub (un factor de un miliard) reducand in acelasi timp frictiunea cu doar 1000 la puterea a doua (un factor de doar un milion). In mod proportional are o putere de 1000 de ori mai mica per unitatea de frecare decat burghiul original.
Daca raportul original de frecare-putere a fost, sa zicem, 1%, asta inseamna ca burghiul mai mic va avea de 10 ori mai multa frecare decat putere; cu alte cuvinte, burghiul devine inutil.
Din acest motiv, in timp ce circuitele integrate electronice super-miniaturale sunt pe deplin functionale, aceeasi tehnologie nu poate fi utilizata pentru a produce dispozitive mecanice de lucru dincolo de scarile la care fortele de frecare incep sa depaseasca puterea disponibila.
Deci, desi este posibil sa vedeti microfotografii de roti dintate din siliciu gravate delicat, astfel de dispozitive sunt in prezent putin mai mult decat curiozitati cu aplicatii limitate in lumea reala, de exemplu, in oglinzi si obloane mobile. Tensiunea superficiala creste in acelasi mod, marind astfel tendinta ca obiectele foarte mici sa se lipeasca.
Acest lucru ar putea face ca orice fel de „micro fabrica” sa nu fie practica: chiar daca bratele si mainile robotizate ar putea fi reduse, tot ceea ce vor ridica va fi imposibil de pus/incarcat. Acestea fiind spuse, evolutia moleculara a dus la functionarea cililor, a flagelilor, a fibrelor musculare si a motoarelor rotative in medii apoase, toate la nivel nanomedic.
Aceste masini exploateaza fortele de frecare crescute gasite la micro sau la nano-scara. Spre deosebire de o paleta sau o elice care depinde de fortele normale de frecare (fortele de frecare perpendiculare pe suprafata) pentru a realiza propulsia, cilii dezvolta miscare din forta exagerata sau fortele laminare (fortele de frecare paralele cu suprafata) prezente la dimensiunile micro si nano.
Pentru a construi „masini” semnificative la nano-scara, trebuie luate in considerare fortele relevante. Ne confruntam cu dezvoltarea si proiectarea de masini intrinsec pertinente, mai degraba decat cu reproducerile simple ale celor macroscopice.
Prin urmare, toate problemele de scalare trebuie sa fie evaluate cu atentie atunci cand se evalueaza nanotehnologia pentru aplicatii practice.
Abordari
Nanofabricarea
De exemplu, tranzistoarele electronice, care implica functionarea tranzistorului pe baza unui singur electron. Sistemele nanoelectromecanice se incadreaza, de asemenea, in aceasta categorie. Nanofabricarea poate fi utilizata pentru a construi matrice paralele ultradense de nanofire, ca alternativa la sinteza nanofirelor in mod individual.
De o importanta deosebita in acest domeniu, nanofirele din siliciu sunt studiate din ce in ce mai mult pentru diverse aplicatii in nanoelectronica sau in conversia si stocarea energiei. Astfel de SiNW pot fi fabricate prin oxidare termica in cantitati mari pentru a produce nanofire cu grosime controlabila.
Electronica nanomaterialelor
Pe langa faptul ca este mic si permite mai multor tranzistoare sa fie ambalate intr-un singur cip, structura uniforma si simetrica a nanofirelor si / sau nanotuburilor permite o mobilitate mai mare a electronilor (miscare mai rapida a electronilor in material), o constanta dielectrica mai mare (frecventa mai mare) si o caracteristica simetrica de electron.
De asemenea, nanoparticulele pot fi utilizate ca puncte cuantice.
Electronica moleculara
Dispozitivele cu o singura molecula sunt o alta posibilitate. Aceste scheme ar folosi foarte mult auto-asamblarii moleculare, proiectand componentele dispozitivului pentru a construi o structura mai mare sau chiar un sistem complet pe cont propriu. Acest lucru poate fi foarte util pentru calculul reconfigurabil si poate chiar inlocui complet tehnologia actuala FPGA.
Electronica moleculara este o noua tehnologie care este inca la inceput, dar reprezinta o speranta pentru devoltarea de sisteme electronice cu adevarat la scara atomica, in viitor. Una dintre cele mai promitatoare aplicatii ale electronicii moleculare a fost propusa de cercetatorul IBM Ari Aviram si chimistul teoretic Mark Ratner in lucrarile lor din 1974 si 1988 Molecules for Memory, Logic and Amplification.
Alte abordari
Nanoionica studiaza mai degraba transportul ionilor decat al electronilor in sistemele la scara nano.
Nanofotonica studiaza comportamentul luminii pe scara nanometrica si are scopul de a dezvolta dispozitive care sa profite de acest comportament.
Dispozitive nanoelectronice
Procesele actuale de productie de inalta tehnologie se bazeaza pe strategii traditionale de sus in jos, unde nanotehnologia a fost deja introdusa. Lungimea critica a circuitelor integrate este deja la scara nanomatica (50 nm si mai jos) in ceea ce priveste lungimea portii tranzistoarelor in procesoare sau dispozitive DRAM.
Calculatoare
Nanoelectronica are promisiunea de a face procesoarele de calculator mai puternice decat sunt posibile cu tehnicile conventionale de fabricare a semiconductoarelor. O serie de abordari sunt in curs de cercetare, inclusiv noi forme de nanolitografie, precum si utilizarea nanomaterialelor, cum ar fi nanofire sau molecule mici, in locul componentelor traditionale CMOS. Tranzistoarele cu efect de camp au fost realizate folosind atat nanotuburi de carbon semiconductoare, cat nanofire semiconductoare heterostructurate (SiNWs).
Stocare de memorie
Modelele de memorie electronica din trecut s-au bazat in mare masura pe formarea tranzistoarelor. Cu toate acestea, cercetarile in domeniul electronicelor bazate pe comutatoare transversale au oferit o alternativa, utilizand interconectari reconfigurabile intre retelele de cabluri verticale si orizontale pentru a crea amintiri de inalta densitate. Doi lideri in acest domeniu sunt Nantero, care a dezvoltat o memorie transversala bazata pe nanotuburi de carbon numita Nano-RAM si Hewlett-Packard, care a propus utilizarea materialului memristor ca inlocuire viitoare a memoriei Flash.
Un exemplu de astfel de dispozitive noi se bazeaza pe spintronica. Dependenta rezistentei unui material (datorita rotirii electronilor) de un camp extern, se numeste magnetorezistenta. Acest efect poate fi amplificat semnificativ (GMR – Magneto-Rezistenta Giganta) pentru obiecte nano, de exemplu atunci cand doua straturi feromagnetice sunt separate de un strat nemagnetic, care are o grosime de cativa nanometri (de exemplu Co-Cu-Co). Efectul GMR a condus la o crestere puternica a densitatii de stocare a datelor de pe hard disk-uri si a facut posibila gama de gigaocteti.
Asa-numita magnetorezistenta a tunelurilor (TMR) este foarte asemanatoare cu GMR si se bazeaza pe tunelarea dependenta de spin a electronilor prin straturi feromagnetice adiacente. Ambele efecte GMR si TMR pot fi utilizate pentru a crea o memorie principala nevolatila pentru computere, cum ar fi asa-numita memorie magnetica cu acces aleatoriu sau MRAM.
Productia comerciala de memorie nanoelectronica a inceput in anii 2010. In 2013, SK Hynix a inceput productia in masa de memorie flash NAND de 16 nm, iar Samsung Electronics a inceput productia de memorie flash NAND cu celule multi-nivel (MLC) de 10 nm. In 2017, TSMC a inceput productia de memorie SRAM folosind un proces de 7 nm.
Noi dispozitive optoelectronice
In tehnologia moderna de comunicatii dispozitivele electrice analogice traditionale sunt inlocuite din ce in ce mai mult cu dispozitive optice sau optoelectronice datorita latimii lor de banda si, respectiv, capacitatii. Doua exemple promitatoare sunt cristalele fotonice si punctele cuantice. Cristalele fotonice sunt materiale cu o variatie periodica a indicelui de refractie cu o constanta de retea care este jumatate din lungimea de unda a luminii utilizate.
Acestea ofera un interval de banda selectabil pentru propagarea unei anumite lungimi de unda, astfel seamana cu un semiconductor, dar pentru lumina sau fotoni in loc de electroni. Punctele cuantice sunt obiecte nanoscalate, care pot fi folosite, printre multe alte lucruri, pentru construirea laserelor.
Avantajul unui laser cu punct cuantic fata de laserul semiconductor traditional este ca lungimea de unda emisa depinde de diametrul punctului. Laserele cu puncte cuantice sunt mai ieftine si ofera o calitate a fasciculului mai mare decat diodele laser conventionale.
Display
Productia de afisaje cu consum redus de energie ar putea fi realizata folosind nanotuburi de carbon (CNT) si / sau nanofire de siliciu. Astfel de nanostructuri sunt conductoare electric si datorita diametrului lor mic de cativa nanometri, pot fi utilizate ca emitatoare de camp cu o eficienta extrem de ridicata pentru afisajele cu emisii de camp (FED). Principiul de functionare seamana cu cel al tubului catodic, dar pe o scara de lungime mult mai mica.
Calculatoare cuantice
Abordari cu totul noi de calcul exploateaza legile mecanicii cuantice pentru computerele cuantice noi, care permit utilizarea algoritmilor cuantici rapizi. Computerul cuantic are ca spatiu de memorie cuantica un bit denumit „Qubit” pentru mai multe calcule in acelasi timp. Aceasta facilitate poate imbunatati performanta sistemelor mai vechi.
