آشنایی با نانو الکترونیک

برای پیشبرد فناوری نانو الکترونیک و نتیجه رساندن آن سه مرحله راهبردی پیشنهاد می‌شود که با پیاده‌سازی این سه‌مرحله می‌توان نانو الکترونیک را جایگزین فناوری الکترونیک سیلیکونی کرد ونسل جدیدی از محصولات الکترونیکی را وارد بازار ساخت.
در سال ۱۹۵۶ گوردون مور بنیان‌گذار 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 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 کوچکتر می‌شد ترانزیستور می‌توانست سریعتر سوئیچ کند و درنتیجه انرژی کمتری مصرف می‌شد و تعداد بیشتری ترانزیستور در یک تراشه سیلیکون جای می‌گرفت. افزایش تعداد ترانزیستورها و بازدهی آنها، هزینه را کاهش می‌دهد بنابراین مقرون به صرفه‌تر این بود که هر ترانزیستور تا حد امکان کوچکتر شود، این کوچک‌سازی بالاخره در نقطه‌ای متوقف می‌شد 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 نانو‌الکترونیک بنا نهاده شد.
نانو تکنولوژی یک رشته وابسته به ابزار است ابزارهایی که به مرور در حال بهتر شدن است نانو تکنولوژی و شاخه‌های کاربردی آن مانند نانوالکترونیک درواقع تولید کارآمد دستگاهها و سیستم‌ها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانو است و بهره‌برداری از خواص و پدیده‌های نوظهوری است که در این مقیاس توسعه یافته است.
صنعت الکترونیک امروزی مبتنی بر سیلیکون است سن این صنعت به حدود ۵۰ سال می‌رسد و اکنون به مرحله‌ای 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 می‌توان با سرمایه‌گذاری و تامل بیشتر در فناوری نانو الکترونیک در آینده‌ای نه چندان دور شاهد سود‌دهی کلان محصولاتی بود که جایگزین فناوری الکترونیک سیلیکونی شده‌اند. میل، اشتیاق و علاقه مصرف‌کنندگان و نیاز بازار به محصولات جدید با قابلیتهای بالا سازندگان و صنعتگران را بر آن می‌دارد که با سرمایه‌گذاری 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 سرمایه‌گذاری کلان در درازمدت و ریسک‌پذیری و تشکیل مراکز R&D توسط دولتمردان پیش از پیش احساس می‌شود.
برای پیشبرد فناوری نانو الکترونیک و نتیجه رساندن آن سه مرحله راهبردی پیشنهاد می‌شود که با پیاده‌سازی این سه‌مرحله می‌توان نانو الکترونیک را جایگزین فناوری الکترونیک سیلیکونی کرد ونسل جدیدی از محصولات الکترونیکی را وارد بازار ساخت.
▪ مرحله اول:
مولکولی در نظر گرفته می‌شود باید کاربردهایی ساده ارزان و غیر پیچیده‌ای باشند تا اطمینان نسبی به الکترونیک مولکولی ایجاد شده و سرمایه‌گذاری‌ها 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 شده‌اند، توجیه کاربرد این محصولات و ایجاد اطمینان در مصرف‌کنندگان می‌تواند 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 ملاحظه‌ای 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 می‌تواند 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 ومولکول‌هایی که در صفحه نمایش استفاده داشته باشد بنابر این کابرد‌هایی وجود دارد که از دسترس فناوری سیلیکون، آن هم بخاطر جامد و کریستالی بودن ذاتی‌اش دور بوده و برای الکترونیک مولکولی قابل دستیابی است. وقتی که نانو الکترونیک جا افتاد و وارد بازار محصولات الکترونیک شد آنگاه می‌توان 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 می‌توان استفاده کرد،‌وسایلی که در اختیار است و تاکنون مدنظر بوده است به شرح ذیل هستند:
▪ نانو لوله‌ها
▪ حلقه‌های بنزنی
▪ پلیمرها
▪ DNA
ـ نانو لوله‌ها:
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 می‌آید 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 نیمه‌هادی و یا فلزی می‌شود. قطر یک نانو لوله کمتر از ۲ نانومتر است و از این نانو لوله می‌توان به عنوان یک سیم کوانتومی یا یک سیم غیرفعال استفاده کرد به عنوان مثال این لوله می‌تواند به عنوان یک سیم انتقال هنگام اعمال اختلاف پتانسیل از یک الکترود به الکترود دیگر عمل کند که این موضوع مثالی از اتصالات غیرفعال می‌تواند 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 لوله‌های 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 می‌کند، می‌توان تشخیص داد که گاف انرژی چقدر است.
ـ حلقه بنزنی:
حلقه‌های بنزنی به خاطر چگالی حالت بالا که بر روی حلقه‌های خود دارند جانشینی برای سیمهای کوانتومی در نظر گرفته می‌شود.
ـ پلیمرها:
از نمونه‌هایی که به عنوالن سیمهای مولکولی فعال یا غیرفعال می‌توان نام برد پلی‌تیوفن (PT) یا پلی‌انیلین است که داخل یک سیکلود کسترین۱ (CD) قرار گرفته باشد این دو ماده در اصل پلیمرهایی هستند که به عنوان قسمتهای هادی سیم بکار می‌روند این پلیمرها شبیه حلقه‌ بنزنی است که به همدیگر چسبیده‌اند و دو سر آن به دو الکترود طلا وصل شده است. اتصالات سیمهای مولکلولی به الکترودهایش توسط اتم‌های گوگرد برقرار می‌شود سطحی که این پلیمر بر روی آن قرار می‌گیرد 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 پیچیده‌تری است لذا این لوله مولکولی مانع عبور جریان اتلافی از دیواره‌های سیم و انتقال آن به سطح تماس می‌شود.
ـ DND:
DNA نمونه‌ای از سیم‌های فعال است. ساختمان DNA کاملاً شناخته شده است و به طور خودکار این ساختمان ایجاد می‌شود، 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 می‌شود:
به منظور استفاده از DNA برای محاسبه جریان بر حسب ولتاژ، یک فاصله ۸ نانومتری بین دو الکترود پلاتین مفروض می‌شود، پس با اعمال یک ولتاژ می‌توان جریان را محاسبه کرد.
نکته‌ای که از شکل بالا برداشت می‌شود 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 می‌تواند عبور کند و این یعنی اینکه DNA می‌تواند 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 پیچیده‌ای است که شرایط محیطی به شکل بسیار زیادی می‌تواند بر روی خواص آن تاثیر بگذارد یکی از این شرایط محیطی موثر حضور آب است، DNA‌یی که در محیط خشک باشد با DNAیی که در محیط مرطوب باشد بسیار متفاوت است. لذا با توجه به شرایط محلی حاکم بر DNA نمی‌توان 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 می‌توان خواص هدایتی DNA را تغییر داد یعنی می‌توان امید داشت که با افزودن یونهایی بتوان حتی آن را به فلز تبدیل کرد یک نکته جالب دیگر این است که می‌توان 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 امکان‌پذیر است. هدایت DNA در دو مسیر مشخص صورت می‌گیرد. وقتی DNA را به عنوان هدایت‌کننده جریان در نظر گرفته شده یک بار می‌تواند در جهت موازی محورش جریان را عبور دهد و یک بار نیز می‌تواند عمود بر محورش جریان را عبور دهد، حال برای هدایت در جهت عمود بر محور می‌توان اینگونه فرض کرد که وقتی نوک STM (مولکول نانو لوله‌های کربنی) در بالای DNA قرار می‌گیرد جریان به شکل عمود از جفت‌های بازی که وجود دارد وارد نوک STM می‌شود این کار می‌تواند هم به عنوان آزمایشی برای دیدن تصویر DNA و هم برای اندازه‌گیری عبور جریان جفت‌های بازی به کار رود ومی‌توان بدین شکل رسانش AT و CG (جفت‌های بازهایی که در مارپیچ DNA وجود دارند) را محاسبه کرد.
DNA می‌تواند یک ابزار در تولید محصولات نانو‌الکترونیک کاربرد‌های فراوانی داشته باشد، با توجه به اینکه DNA به طور طبیعی در طبیعت و سلولهای موجودات زنده وجود دارد می‌توان از آن در تولید دیگر محصولات نانوتکنولوژی همانند نانوموتورها سود جست. کنترل و پایداری DNA نیز با توجه به خواص ذاتی و محلی آن امکان‌پذیر بوده و جای تامل و بحث دارد.
● نتیجه‌گیری:
۱) آنچه که مسلم است، الکترونیک مولکولی دارای آینده‌ای درخشان است و با آهنگ بسیار سریعی در حال رشد و تکامل است. از این رو توجه خاصی را می‌طلبد.
۲) نتایج عملی رشد و توسعه شاخه‌های نانوتکنولوژی مانند نانوالکترونیک سبب ساخت تجهیزاتی خواهد شد که در مقایسه با گذشته اختلاف فاحش داشته و نسل کاملاً جدیدی با قابلیت‌های منحصر به فرد خواهد بود.
۳) نانو لوله‌ها 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 ثبت‌شده، در نانو تکنولوژی می‌توان نتیجه گرفت که این شاخصها می‌توانند اطلاعاتی مفید در مورد تکامل این فناوری را نشان دهند و برای طرح برنامه‌ها و استراتژیها مناسب باشند.
۵) نانوتکنولوژی و شاخه‌های کاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالکترونیک به عنوان پدیده‌هایی نوظهور هنوز قبل از تجاری سازی محصولاتشان، احتیاج به پیشرفت در هر دو زمینه علمی و تکنولوژیکی را دارد. با توجه به اینکه هم‌اکنون برخی از محصولات این فناوری در بازار وجود دارد پیش‌بینی اینکه کدامیک 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 کاربردهای روزافزون آن در دنیا باید تحقیقات دانشگاهی و دولتی تواماً صورت گیرد و به علت اینکه 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 کاربردی آن در علوم مختلف مانند نانوالکترونیک فراتر از تمامی چیزهایی است که مقررات سنتی دانشگاهی، آزمایشگاهی ملی و یا حتی تمام صنعت می‌تواند فراهم کند و به خاطر همین مشکلات است که یک حرکت 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 الکترونیک، لزوم یک مرکز R&D دولتی که به حمایت محصولات تولیدی الکترونیکی صنایع پرداخته و بتواند در آینده بازار تجاری محصولات نانو‌الکترونیک را به دست بگیرد به شدت حس می‌شود و اگر تدبیری اندیشیده نشود متاسفانه باید گفت که همانند گذشته باید مصرف‌کننده خوبی بوده و شاهد سودهای کلان تجاری دیگر کشورها و سرمایه‌گذاران بود.

منبع: ماهنامه صنعت برق

منبع : خبرگزاری فارس