نانو الکترونیک

در سال ۱۹۵۶ گوردون مور بنیان‌گذار اینتل تحلیلی ارایه كرد كه بر طبق آن هر ۱۸ ماه تعداد ترانزیستورهای بكار رفته در ریزپردازهای اینتل دو برابر می شود كه نصف شدن ابعاد گیت ترانزیستورها با شرط ثابت بودن اندازه تراشه سیلیكونی در آن می‌تواند نتیجه این قوانین باشد. این قاعده به قانون مور موسوم شد. این نصف شدن در واقع پیام‌آور ابعاد اقتصادی بود یعنی هر چه گیت كوچكتر می‌شد ترانزیستور می‌توانست سریعتر سوئیچ كند و درنتیجه انرژی كمتری مصرف می‌شد و تعداد بیشتری ترانزیستور در یك تراشه سیلیكون جای می‌گرفت. افزایش تعداد ترانزیستورها و بازدهی آنها، هزینه را كاهش می‌دهد بنابراین مقرون به صرفه‌تر این بود كه هر ترانزیستور تا حد امكان كوچكتر شود، این كوچك‌سازی بالاخره در نقطه‌ای متوقف می‌شد بنابراین برای ادامه رشد صنعت الكترونیك باید به فكر فناوریهای جایگزین بود، فناوری كه مشكلات گذشته را حل كرده و توجیه اقتصادی داشته باشد و اینبار نانو تكنولوژی بود كه توانست به كمك الكترونیك بیاید و فناوری الكترونیك مولكولی یا همان نانو‌الكترونیك بنا نهاده شد.
نانو تكنولوژی یك رشته وابسته به ابزار است ابزارهایی كه به مرور در حال بهتر شدن است نانو تكنولوژی و شاخه‌های كاربردی آن مانند نانوالكترونیك درواقع تولید كارآمد دستگاهها و سیستم‌ها با كنترل ماده در مقیاس طولی نانو است و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است كه در این مقیاس توسعه یافته است.
صنعت الكترونیك امروزی مبتنی بر سیلیكون است سن این صنعت به حدود ۵۰ سال می‌رسد و اكنون به مرحله‌ای رسیده است كه از لحاظ تكنولوژیكی، صنعتی و تجاری به بلوغ رسیده است. در مقابل این فناوری، الكترونیك مولكولی قرار ارد كه در مراحل كاملاً ابتدایی است و قرار است این فناوری به عنوان آینده و نسل بعدی صنعت الكترونیك سیلیكونی مطرح شود. الكترونیك مولكولی دانشی است كه مبتنی بر فناوری نانو بوده و كاربردهای وسیعی در صنعت الكترونیك دارد. با توجه به كاربردهای وسیع الكترونیك در محصولات تجاری بازار می‌توان با سرمایه‌گذاری و تامل بیشتر در فناوری نانو الكترونیك در آینده‌ای نه چندان دور شاهد سود‌دهی كلان محصولاتی بود كه جایگزین فناوری الكترونیك سیلیكونی شده‌اند. میل، اشتیاق و علاقه مصرف‌كنندگان و نیاز بازار به محصولات جدید با قابلیتهای بالا سازندگان و صنعتگران را بر آن می‌دارد كه با سرمایه‌گذاری در این فناوری شاهد رشد و شكوفایی اقتصادی هر چه بیشتر باشند، ولیكن با توجه به اهمیت نانوتكنولوژی و نیز نانو الكترونیك كه به عنوان یك شاخه كاربردی از نانو تكنولوژی مطرح است لزوم سرمایه‌گذاری كلان در درازمدت و ریسك‌پذیری و تشكیل مراكز R&D توسط دولتمردان پیش از پیش احساس می‌شود.
برای پیشبرد فناوری نانو الكترونیك و نتیجه رساندن آن سه مرحله راهبردی پیشنهاد می‌شود كه با پیاده‌سازی این سه‌مرحله می‌توان نانو الكترونیك را جایگزین فناوری الكترونیك سیلیكونی كرد ونسل جدیدی از محصولات الكترونیكی را وارد بازار ساخت.
● مرحله اول:
مولكولی در نظر گرفته می‌شود باید كاربردهایی ساده ارزان و غیر پیچیده‌ای باشند تا اطمینان نسبی به الكترونیك مولكولی ایجاد شده و سرمایه‌گذاری‌ها به سمت آن هدایت شود و از طرفی كارایی این فناوری ثابت شود. به بیان ساده وشفاف و مقایسه نسل جدید محصولات كه بر پایه این فناوری جایگزین شده‌اند، توجیه كاربرد این محصولات و ایجاد اطمینان در مصرف‌كنندگان می‌تواند به عنوان بهترین حامی اقتصادی در این مرحله باشد.
● مرحله دوم:
تولیدات اولیه الكترونیك مولكولی (نانو الكترونیك) باید مكملی برای فناوری سیلیكون باشند اینگونه نباشد كه انقلابی رااز همان آغاز و ابتدا شروع كرده و این ادوات و فناوریهای جدید تافته جدا بافته باشد و هیچ ربطی به فناوری سیلیكونی نداشته باشد زیرا فناوری سیلیكونی یك صنعت جا افتاده است. پس اگر نانوالكترونیك را بتوان مكملی برای فناوری سیلیكونی بكار برد شاهد پیشرفت قابل ملاحظه‌ای در این فناوری نوپا بوده و جایگزین مناسبی برای نسل آینده محصولات الكترونیكی در نظر گرفته شده است.
● مرحله سوم:
مرحله سوم مبحث كاملاً جدیدی است كه اصلاً در دسترس فناوری سیلیكون نبوده و نانوالكترونیك می‌تواند بعد از طی مراحل اول و دوم به آن بپردازد، یك مثال ساده وروشن این موضوع، نمایشگرها هستند، نمایشگرهای متداول كاملاً سخت و غیرقابل انعطاف هستند ولی با استفاده از الكترونیك مولكولی ومولكول‌هایی كه در صفحه نمایش استفاده داشته باشد بنابر این كابرد‌هایی وجود دارد كه از دسترس فناوری سیلیكون، آن هم بخاطر جامد و كریستالی بودن ذاتی‌اش دور بوده و برای الكترونیك مولكولی قابل دستیابی است. وقتی كه نانو الكترونیك جا افتاد و وارد بازار محصولات الكترونیك شد آنگاه می‌توان نسل جدیدی از محصولات را به دست آورد كه شامل پردازندهایی ۱۰۰۰ مرتبه سریعتر از نوع امروزی باشند. اگر این مرحله با موفقیت طی شود حدوداً یك دهه طول خواهد كشید تا نسل جدید محصولات الكترونیكی مبتنی بر الكترونیك مولكولی یا الكترونیك در ابعاد نانومتر (نانو الكترونیك) ظهور یابد.
● بررسی امكانات موجود:
برای ساخت ابزارهای مولكولی باید دید از چه چیزهایی می‌توان استفاده كرد،‌وسایلی كه در اختیار است و تاكنون مدنظر بوده است به شرح ذیل هستند:
ـ نانو لوله‌ها
ـ حلقه‌های بنزنی
ـ پلیمرها
ـ DNA
● نانو لوله‌ها:
اگر یك صفحه تخت گرافیكی مدنظر باشد و به شكلی بتوان آن را به صورت نواری در نظر گرفت و لوله كرد یك نانو لوله مفروض به دست می‌آید كه ساختار آن همان ساختار گرافیت بوده و یك هگزاگونال است. این ماده در سال ۱۹۹۱ در ژاپن كشف شده و به علت خصوصیات جالب آن مورد توجه قرار گرفت. یك خاصیت جالب این مواد آن است كه بر حسب اینكه در چه جهتی خم شود دارای خاصیت نیمه‌هادی و یا فلزی می‌شود. قطر یك نانو لوله كمتر از ۲ نانومتر است و از این نانو لوله می‌توان به عنوان یك سیم كوانتومی یا یك سیم غیرفعال استفاده كرد به عنوان مثال این لوله می‌تواند به عنوان یك سیم انتقال هنگام اعمال اختلاف پتانسیل از یك الكترود به الكترود دیگر عمل كند كه این موضوع مثالی از اتصالات غیرفعال می‌تواند باشد.
نانو لوله دارای خاصیت فلزی است این خاصیت رسانش نه فقط در طول بلكه در عرض نانو لوله نیز وجود دارد برای حالت سیمهای مولكولی غیرفعال، بهتر است كه نانو لوله دارای خاصیت رسانش باشد، اگر باشد، نانو لوله دارای گاف انرژی خواهد بود كه شبیه نیمه هادی خواهد شد. اگر نانو لوله كربنی روی سطحی قرار داده شود و نوك STM (مولكول نانو لوله‌های كربنی) رابه سطح آن نزدیك شود، چنانچه ولتاژی را بین بستری كه نانو لوله روی آن قرار دارد و نوك STM اعمال شود جریانی عبور خواهد كرد، بر حسب مقدار جریانی كه عبور می‌كند، می‌توان تشخیص داد كه گاف انرژی چقدر است.
● حلقه بنزنی:
حلقه‌های بنزنی به خاطر چگالی حالت بالا كه بر روی حلقه‌های خود دارند جانشینی برای سیمهای كوانتومی در نظر گرفته می‌شود.
● پلیمرها:
از نمونه‌هایی كه به عنوالن سیمهای مولكولی فعال یا غیرفعال می‌توان نام برد پلی‌تیوفن (PT) یا پلی‌انیلین است كه داخل یك سیكلود كسترین۱ (CD) قرار گرفته باشد این دو ماده در اصل پلیمرهایی هستند كه به عنوان قسمتهای هادی سیم بكار می‌روند این پلیمرها شبیه حلقه‌ بنزنی است كه به همدیگر چسبیده‌اند و دو سر آن به دو الكترود طلا وصل شده است. اتصالات سیمهای مولكلولی به الكترودهایش توسط اتم‌های گوگرد برقرار می‌شود سطحی كه این پلیمر بر روی آن قرار می‌گیرد ممكن است قسمتی از جریان را بكشد یعنی اینكه یك جریان اتلافی داشته باشد برای اینكه مانع از این جریان اتلافی شد باید این سیم را داخل یك حفاظ مولكولی قرار داد این حفاظ نیز شبیه نانو لوله كربنی است اما دارای قطر بسیار بزرگتر و ساختار پیچیده‌تری است لذا این لوله مولكولی مانع عبور جریان اتلافی از دیواره‌های سیم و انتقال آن به سطح تماس می‌شود.● DND:
DNA نمونه‌ای از سیم‌های فعال است. ساختمان DNA كاملاً شناخته شده است و به طور خودكار این ساختمان ایجاد می‌شود، برای تولید آن مانند پلیمرها مشكلی وجود ندارد فقط باید خواص آن مورد بررسی قرار گیرد تا متوجه چگونگی تغییرات آن شد برای این منظور به ذكر مثالی پرداخته می‌شود:
به منظور استفاده از DNA برای محاسبه جریان بر حسب ولتاژ، یك فاصله ۸ نانومتری بین دو الكترود پلاتین مفروض می‌شود، پس با اعمال یك ولتاژ می‌توان جریان را محاسبه كرد.
نكته‌ای كه از شكل بالا برداشت می‌شود این است كه نمودار جریان بر حسب ولتاژ نموداری نامتقارن است، یعنی اینكه جریان برای ولتاژی مثلاً بین ۱- و ۲ ولت اجازه عبور ندارد در حالی كه برای ۲- و ۱- جریان می‌تواند عبور كند و این یعنی اینكه DNA می‌تواند عمل یكسوسازی را انجام دهد. در مورد هدایت از داخل DNA سه نظریه مد نظر است، یكی اینكه DNA یك نیمه هادی با گاف خیلی بزرگ است. دیگر اینكه DNA یك نیمه هادی با گاف كوچك ونیز اینكه DNA دارای خاصیت فلزی است.
موضوع در اصل این است كه DNA ماده بسیار پیچیده‌ای است كه شرایط محیطی به شكل بسیار زیادی می‌تواند بر روی خواص آن تاثیر بگذارد یكی از این شرایط محیطی موثر حضور آب است، DNA‌یی كه در محیط خشك باشد با DNAیی كه در محیط مرطوب باشد بسیار متفاوت است. لذا با توجه به شرایط محلی حاكم بر DNA نمی‌توان یك نتیجه قطعی در مورد اینكه DNA فلز است یا نیمه فلز بیان كرد اما آنچه كه مسلم است این است كه DNA یك نیمه هادی با گاف بزرگ است.
در حالت عادی یونهایی وجود دارد كه با دستكاری آنها می‌توان خواص هدایتی DNA را تغییر داد یعنی می‌توان امید داشت كه با افزودن یونهایی بتوان حتی آن را به فلز تبدیل كرد یك نكته جالب دیگر این است كه می‌توان از DNA به عنوان قالب استفاده كرد و در مكانهای مشخصی روی DNA یكسری فلزات را قرار داد تا یك 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 حاكم بر سیستم نیز امكان‌پذیر است. هدایت DNA در دو مسیر مشخص صورت می‌گیرد. وقتی DNA را به عنوان هدایت‌كننده جریان در نظر گرفته شده یك بار می‌تواند در جهت موازی محورش جریان را عبور دهد و یك بار نیز می‌تواند عمود بر محورش جریان را عبور دهد، حال برای هدایت در جهت عمود بر محور می‌توان اینگونه فرض كرد كه وقتی نوك STM (مولكول نانو لوله‌های كربنی) در بالای DNA قرار می‌گیرد جریان به شكل عمود از جفت‌های بازی كه وجود دارد وارد نوك STM می‌شود این كار می‌تواند هم به عنوان آزمایشی برای دیدن تصویر DNA و هم برای اندازه‌گیری عبور جریان جفت‌های بازی به كار رود ومی‌توان بدین شكل رسانش AT و CG (جفت‌های بازهایی كه در مارپیچ DNA وجود دارند) را محاسبه كرد.
DNA می‌تواند یك ابزار در تولید محصولات نانو‌الكترونیك كاربرد‌های فراوانی داشته باشد، با توجه به اینكه DNA به طور طبیعی در طبیعت و سلولهای موجودات زنده وجود دارد می‌توان از آن در تولید دیگر محصولات نانوتكنولوژی همانند نانوموتورها سود جست. كنترل و پایداری DNA نیز با توجه به خواص ذاتی و محلی آن امكان‌پذیر بوده و جای تامل و بحث دارد.
● نتیجه‌گیری:
۱ـ آنچه كه مسلم است، الكترونیك مولكولی دارای آینده‌ای درخشان است و با آهنگ بسیار سریعی در حال رشد و تكامل است. از این رو توجه خاصی را می‌طلبد.
۲ـ نتایج عملی رشد و توسعه شاخه‌های نانوتكنولوژی مانند نانوالكترونیك سبب ساخت تجهیزاتی خواهد شد كه در مقایسه با گذشته اختلاف فاحش داشته و نسل كاملاً جدیدی با قابلیت‌های منحصر به فرد خواهد بود.
۳- نانو لوله‌ها و DNA به عنوان دو ابزار كارآمد در تولید محصولات نانوالكترونیك از اهمیت خاصی برخوردارند، ولیكن 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 ثبت‌شده، در نانو تكنولوژی می‌توان نتیجه گرفت كه این شاخصها می‌توانند اطلاعاتی مفید در مورد تكامل این فناوری را نشان دهند و برای طرح برنامه‌ها و استراتژیها مناسب باشند.
۵- نانوتكنولوژی و شاخه‌های كاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونیك به عنوان پدیده‌هایی نوظهور هنوز قبل از تجاری سازی محصولاتشان، احتیاج به پیشرفت در هر دو زمینه علمی و تكنولوژیكی را دارد. با توجه به اینكه هم‌اكنون برخی از محصولات این فناوری در بازار وجود دارد پیش‌بینی اینكه كدامیك از محصولات آینده بهتری دارند (از نظر رقابتی) نیاز به بررسی بیشتر شاخصهای این فناروی در بخشهای صنعت و زیرمجموعه‌های این فناوری دارد.
۶- با توجه به اهمیت فناری نانو و كاربردهای روزافزون آن در دنیا باید تحقیقات دانشگاهی و دولتی تواماً صورت گیرد و به علت اینكه اهداف تحقیقاتی این فناوری پایه‌ای و درازمدت است بخش صنعت توان سرمایه‌گذاری بر روی تحقیقات درازمدت و مخاطره‌آمیز را نداشته، از این رو حمایت دولتمردان به عنوان پشتوانه‌ای 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 شاخه‌های كاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونیك فراتر از تمامی چیزهایی است كه مقررات سنتی دانشگاهی، آزمایشگاهی ملی و یا حتی تمام صنعت می‌تواند فراهم كند و به خاطر همین مشكلات است كه یك حركت و اندیشه ملی پایه‌ریزی و با حمایت دولتی در زمینه این فناوری حیاتی به نظر می‌رسد.
با توجه به پتانسیل‌های موجود ایران در زمینه مهندسی الكترونیك، لزوم یك مركز R&D دولتی كه به حمایت محصولات تولیدی الكترونیكی صنایع پرداخته و بتواند در آینده بازار تجاری محصولات نانو‌الكترونیك را به دست بگیرد به شدت حس می‌شود و اگر تدبیری اندیشیده نشود متاسفانه باید گفت كه همانند گذشته باید مصرف‌كننده خوبی بوده و شاهد سودهای كلان تجاری دیگر كشورها و سرمایه‌گذاران بود.

علیرضا سلمانیان شفا

منبع : ماهنامه صنعت برق