صنعت الكترونیك آینده تحت تاثیر فناوری نانو

تولید قطعات الكترونیك در سطح مولكولی نیازمند مواد جدید و روشهای تولید جدید است تكنیكهای متداول در تولید قطعات مایكرو, به دلیل افزایش پیچیدگی و هزینه اینگونه روشها, دارای محدودیتهایی هستند محدودیتهای فیزیكی ابزارهای پایه سیلیكونی مانع از ادامه نوآوری در صنعت IT , الكترونیك و ارتباطات می شود افزایش قیمت در این مواد و فرایندهای پرهزینه و حساس تولید, به صنعت الكترونیك برای یافتن راه حل مناسبی فشار می آورد صنعت الكترونیك نیازمند نوآوری بر اساس خواص نوری و الكترونیكی جدید می باشد تا از قوانین فیزیك پیوسته به قوانین فیزیك كوانتوم راه یابد

در این مقاله به بررسی مبانی و كاربردهای علم نانو در الكترونیك می‌پردازیم. تولید قطعات الكترونیك در سطح مولكولی نیازمند مواد جدید و روشهای تولید جدید است. تكنیكهای متداول در تولید قطعات مایكرو، به دلیل افزایش پیچیدگی و هزینه اینگونه روشها، دارای محدودیتهایی هستند. محدودیتهای فیزیكی ابزارهای پایه سیلیكونی مانع از ادامه نوآوری در صنعت IT ، الكترونیك و ارتباطات می‌شود. افزایش قیمت در این مواد و فرایندهای پرهزینه و حساس تولید، به صنعت الكترونیك برای یافتن راه‌حل مناسبی فشار می‌آورد. صنعت الكترونیك نیازمند نوآوری بر اساس خواص نوری و الكترونیكی جدید می‌باشد تا از قوانین فیزیك پیوسته به قوانین فیزیك كوانتوم راه یابد. برای غلبه بر این محدودیتها، انواع ساختارهای كامپیوتری به عنوان جایگزین پیشنهاد شده است كه شامل كامپیوترهایی بر مبنای زنجیره‌‌های DNA ، مدارهای نوری و پدیده‌‌های مكانیك كوانتوم می‌باشد. ابزارهای الكترونیك كوانتوم ، مدار منطقی تك الكترونی، دستگاههای تابشی اپتوالكترونیك یا حسگرهای جدید در آینده ایجاد می‌شوند. انتظار می‌رود كه رشته الكترونیك به فرصتهای مناسبی برای استفاده از مواد نانوساختار، دست یابد زیرا فرایند در حال پیشرفت كوچك‌سازی، در صنعت انتظارات زیادی ایجاد كرده است. درخواست برای دستگاههای پردازش اطلاعات قدرتمند و قوی با سرعت پردازش و انتقال سریعتر، تراكم ذخیره اطلاعات بالاتر و صفحات نمایش هوشمند، افزایش یافته است. طی ده سال آینده، پتانسیل سوددهی نانوتكنولوژی در صنعت الكترونیك حدود سیصد میلیارد دلار در سال و برای فروش مدارهای مجتمع IC در جهان نیز سیصد میلیارد دلار تخمین زده شده است.

یكی از زمینه‌‌های بسیار امیدبخش، استفاده از مولكولها به عنوان ابزارهای الكترونیكی فعال است.نانوالكترونیك تنها تولید تراشه‌هایی در ابعاد نانو نمی‌باشد بلكه الكترونیك مولكولی را نیز در بر می‌گیرد. الكترونیك مولكولی به دنبال جایگزینی تكنولوژی الكترونیك امروزی با سیستمی حاوی چند مولكول است كه بتوانند به عنوان كلید، اتصالات و دیگر ابزارهای منطقی عمل كنند. مولكولها، خود را به دستگاههایی كه محدودیتهای محلولهای پایه سیلیكونی را ندارند، نزدیك می‌كنند و با استفاده از تكنیكهای حساس به محیط، اتصالهایی هادی و مستحكم ایجاد می‌كنند. الكترونیك مولكولی با رشته‌‌های بسیاری ارتباط داشته و دامنه گسترده‌ای دارد، از توسعه دیسكهای نوری بر پایه فیلمهایی از "مولكولهای زیستی دوپایا"۱ گرفته تا طراحی كامپیوترهایی بر مبنای سوئیچها و سیمهای مولكولی.محاسبات مولكولی می‌توانند تا پایان این دهه، جایگزین محاسبات پایه سیلیكونی شوند. شیمیدانان دانشگاه كالیفرنیا، یك سال بعد از ساخت كلیدی مولكولی كه فقط یك بار روشن می‌شد، موفق شده‌اند كلید مولكولی بسازند كه می‌تواند هزاران بار خاموش و روشن شود. توسعه حافظه دستیابی تصادفی (RAM) مولكولی هنوز دارای موانعی است مانند دوام محاسبات مولكولی، اما اخیراً قدمهای مثبتی در زمینه برداشته شده است. محققان UCLA با همكاری پژوهشگران موسسه HP بر روی تولید كامپیوترهای مولكولی كه بتوانند بیاموزند {یعنی هر چه از این كامپیوترها بیشتر استفاده شود بهتر خود را اصلاح ‌كنند}، مطالعه می‌كنند. سوئیچ‌‌های مولكولی برای توسعه این گونه كامپیوترها ضروری هستند. آخرین سوئیچ مولكولی كه كشف شده است، كاتنان۲ نام دارد كه شامل دو حلقه زنجیر شده می‌باشد و هر حلقه شامل اتمهایی است كه بصورت یك دایره بهم متصل شده‌اند. برای این سیستم، عمل تغییر جهت (سوئیچینگ) مبنای مولكولی دارد و می‌تواند با گرفتن یا از دست دادن یك الكترون انجام شود. این مولكولها، با حركتی همدوس۳ (منسجم) می‌توانند همدیگر را تشخیص دهند و بطور ردیف قرار بگیرند. كاتنان‌ها، اصلاح شده مولكولهای روتاكسان هستند. روتاكسانها۴ غیرهمدوس‌تر و بصورت محلول می‌باشند. ذرات كوانتوم۵: ذرات كوانتوم ذراتی بلوری هستند از مواد نیمه‌هادی كه كوچكتر از طول موج نور مرئی بوده و در شرایط عادی دیده نمی‌شوند. تركیب و اندازه كوچك آنها باعث می‌شود كه این ذرات خواص نوری خارق‌العاده‌ای از خود نشان دهند و با تغییر در اندازه یا تركیب به راحتی اصلاح شده و كارایی آنها افزایش می‌یابد.ذرات كوانتوم نور را جذب می‌كنند و سپس به‌سرعت آن را بازمی‌تابانند، اما با طول موجی متفاوت. چون ذرات كوانتوم تابش فلورسانس دارند و مدتی نورانی می‌مانند، به همین دلیل در علامت‌گذاری سلولها بكار می‌روند. علاوه بر آن، آنها توانایی عملكرد در محیط آبی را هم دارند و بنابراین می‌توانند در تصویربرداری‌‌های زیستی بكار روند.ذرات نیمه‌هادی كه محققان در تصویربرداری زیستی مورد استفاده قرار می‌دهند، عموماً از هسته "كادمیوم سلناید" با پوشش سولفید روی تشكیل شده‌اند. این ذرات می‌توانند در تشخیص زودهنگام بیماریها موثر واقع شوند. به این ترتیب كه به پروتئینها می‌چسبند و درخشش آنها باعث تشخیص پروتئین یا DNA خاص عامل بروز بیماری می‌شود. میزان پروتئین موجود در هر سلول با شدت نور تابیده شده مقایسه می‌شود. تغییر غلظت پروتئین، نشانه بروز سرطان خواهد بود. علی‌رغم آنكه مواد آلی و غیر آلی دیگری نیز خواص فلورسانس را دارند، اما به دلیل درخشندگی، عدم سفید شدن نور با طیف‌‌های تابشی متقارن و پهن، و داشتن چندین رنگ قابل تجزیه كه می‌توانند با استفاده از یك طول موج تحریك بطور همزمان تحریك شوند، ذرات كوانتوم بهترین انتخاب هستند.ذرات كوانتوم براساس ابعاد و اندازه خود، رنگ‌‌های متفاوتی تابش می‌كنند. ذرات كوچكتر، طول موجهای كوتاهتری مثل آبی منتشر می‌كنند؛ در حالی كه ذرات بزرگتر طول موجهای بلندتری مانند قرمز بازمی‌تابانند. ذرات كوانتوم خواص الكتریكی منحصر بفردی دارند. اندازه و شكل این ساختارها و در نتیجه تعداد الكترون‌‌های موجود، دقیقاً قابل كنترل است. ذرات كوانتوم می‌توانند شامل یك الكترون یا هزاران الكترون باشند. به عبارت دیگر، ذرات كوانتوم، اتمهای مصنوعی هستند با سطوح انرژی تنظیم‌پذیر، كه در ابزارهای الكترونیكی پرسرعت با مدارات منطقی تك الكترونی، سیستم‌‌های محاسباتی كوانتوم و یا سیستم‌‌های لیزری ارزان با قابلیت تنظیم رنگ در قسمت خروجی، به كار می‌روند. با توجه به موارد ذكر شده، ذرات كوانتوم و سیستم‌‌های چند لایه مغناطیسی، فرصتهای جدیدی را در صنعت الكترونیك و تكنولوژیهای ذخیره اطلاعات ایجاد كرده‌اند. حجم مبادلات تجاری سیستم‌‌های ذخیره اطلاعات در دیسكهای ثابت (كه در آن بخش، خواننده GMR عامل تعیین كننده و دیسك سخت كوچكترین واحد قابل فروش است) ۲۵ میلیارد پوند تخمین زده می‌شود. این نوآوریهای جدید، تاثیر بسزایی بر كوچك كردن سوپركامپیوترها و همچنین كاهش مصرف انرژی در فناوریهای ارتباطی نوری و الكترونیكی خواهند داشت. تاكنون تحقیقات بیشماری پیرامون مشاهده و دستكاری ذرات كوانتوم و پاسخ این نانوساختارهای نیمه‌هادی به فوتونها، انجام و روشهای ابداعی بسیاری در این زمینه مطرح شده است. این نوآوری‌ها، كاربردهای فراوانی در نسل جدید سلولهای خورشیدی خواهد داشت كه ۳۵ درصد بیشتر از سلولهای خورشیدی فعلی، الكتریسیته تولید خواهند كرد.پیشرفتهای دیگر نانوتكنولوژی كه قابل استفاده در الكترونیك هستند شامل موارد زیر می‌شوند: نانو تیوبهای كربنی كه هم در تراشه‌ها و هم در صفحات نمایش بكار می‌روند، و نانوموادی كه در فیلمهایی استفاده می‌شوند كه صفحات نمایش را كوچكتر و انعطاف‌پذیرتر می‌كنند و دیسكهای سخت را بهبود می‌بخشند.درست است كه نانوالكترونیك، امكان توسعه تراشه‌های الكترونیكی را بر مبنای نیمه‌هادیهای سیلیكونی فراهم آورده است، اما تاثیر نانوالكترونیك فراتر از نسل جدید تراشه‌ها خواهد بود.این تكنولوژی، كلید افزایش ظرفیت قابل ملاحظه در دیسكهای سخت، تولید اشكال جدید حافظه غیر فرار، كوچكتر كردن و انعطاف‌پذیرتر كردن صفحات نمایش، قویتر كردن منابع انرژی و باتریها، توسعه محاسبات كوانتومی، كارآمدتر كردن شبكه‌‌های ارتباطی و غیره خواهد بود. می‌دانیم كه تكنولوژی انفورماتیك (به معنی اطلاع‌رسانی) شامل سخت‌افزار، طراحی و مدلسازی مربوط به قطعات الكترونیكی در ابعاد بزرگ و فناوری اطلاعات و ارتباطات (ICT) است اما كوچك‌سازی، كلید توسعه سیستم‌‌های سریعتر، سبكتر و ارزانتر در انفورماتیك خواهد بود. قانون مور كه بیان می‌كند توان محاسباتی تراشه‌ها هر ۱۸ ماه یكبار دوبرابر می‌شود، توانایی ما را برای تولید نیمه‌هادیها و در نتیجه تولید سیستم‌هایی قدرتمندتر بر مبنای آنها نشان می‌دهد.علی‌رغم آنكه گفته می‌شود دیگر دوره قانون مور سر آمده است، اما فناوری میكروالكترونیك این شدت را حفظ كرده است. توسعه پرشتاب قطعات الكترونیكی سیلیكونی نه تنها تكنولوژی ساخت و تولید بلكه علوم بنیادی را نیز متحول خواهد كرد و نانوتكنولوژی در این زمینه نقش مهمی خواهد داشت. تعدادی از كاربردهای نانوتكنولوژی در انفورماتیك عبارتند از: كریستالها و مدارهای مجتمع IC فوتونیك، پردازش كوانتوم اطلاعات (QIP)، ابزارهای الكترونیكی با ساختار كوانتومی، ذرات كوانتوم و بیونانوساختارها. پردازش كوانتوم اطلاعات، از رشته‌های فیزیك كوانتوم، علوم كامپیوتر و مهندسی و تئوری اطلاعات تشكیل شده و هدف آن، استفاده از فیزیك كوانتوم در بهبود دریافت، ارسال و پردازش اطلاعات است. به دلیل آنكه اثرات كوانتوم در ابعاد طولی و زمانی كوتاه ظاهر می‌شود، نانوتكنولوژی در چنین بهره‌برداری‌هایی نقش اساسی خواهد داشت.در مورد دستگاه‌‌های الكترونیكی با ساختار كوانتومی نیز باید گفت این دستگاه‌ها، با محبوس كردن الكترونها در محدوده‌ای كمتر از ۲۰ نانومتر، كارایی خود را افزایش می‌دهند. یكی از مقاصد اصلی فناوری نانو تولید چنین دستگاه‌هایی در ابعاد سه بعدی است. بعضی از این دستگاه‌ها بطور موفقیت‌آمیزی به بهره‌برداری رسیده‌اند مثل: لیزرهای چاه كوانتوم در ارتباط از راه دور، ترانزیستورهایی با تحرك بالای الكترون (HEMT) برای كاربردهای میكروموج‌ها با صدای كم و بهره‌وری بالا، همچنین لیزرهای VCSEL برای مبادله داده‌ها، حسگرها و رمزگذاری و غیره. كاربردهای دیگر نیز در مرحله تجاری شدن قرار دارند. صنعت اپتوالكترونیك: ارزش تقریبی این صنعت در سراسر جهان حدود ۶۰ میلیارد پوند است و پیش‌بینی می‌شود تا سال ۲۰۱۰ چهار برابر شود. صنعت اُپتیك دنیا در آینده با سه مشكل روبرو خواهد شد: اولاً، سیستم‌‌های مخابراتی فیبر نوری نیازمند افزایش یكپارچگی دستگاههای فوتونیك هستند؛ در نتیجه اندازه تجهیزات سوئیچینگ باید تا مقیاس زیر طول موج كاهش یابد. ابزارهای مرسوم از قبیل لیزرهای ذرات كوانتوم و كریستال‌‌های فوتونیك، نمی‌توانند این احتیاجات را برآورده نمایند، زیرا تفرق نور، سایز حداقل آنها را محدود می‌كند. ثانیاً، پیشرفت تكنولوژی‌ DRAM نیازمند بهبود روش فوتولیتوگرافی (عكسبرداری به روش چاپ سنگی) می‌باشد. پهنای خط مورد نیاز، بسیار از حد تفرق نور مرئی فاصله دارد. ثالثاً، تخمین زده شده است كه سیستم‌‌های حافظه نوری به دانسیته بالای ذخیره به اندازه ۱ Tb/in۲ احتیاج دارند، اما این مقدار فراتر از حد تفرق نور است.با توجه به این نكات، می‌توان نتیجه گرفت كه نانوتكنولوژی نوری جدید، حد تفرق (پراش) مورد نیاز برای حمایت از علم و فناوری نوری آینده را افزایش خواهد داد.عناصر نوری پراشنده ۶ ، قطعات فوتونیك و مبدل‌های اپتوالكترونیك كه نقش مهمی در مبادلات نوری اطلاعات ایفا می‌كنند، می‌توانند توسط نانوساختارها توسعه یابند. با پیشرفت فناوری نانوساختارهای اپتوالكترونیك، راه استفاده از اپتیك (نورشناسی) پراشنده بطوری كه كنترل‌پذیر هم باشد، هموار شد. برای این منظور، عناصری با ساختارهای سطحی خاص مورد نیاز هستند و باید بتوانند بعنوان فیلترهای انعكاسی یا مخابراتی خاص با قابلیت كنترل‌پذیری، عمل كنند. قطعات اپتوالكترونیك نانوساختار (لیزرهای ذرات كوانتوم یا چاه‌‌های كوانتوم۷ و كریستالهای فوتونیك۸)، در آینده بازار بزرگی را به خود اختصاص خواهند داد و برای مبادلات نوری اطلاعات و قطعات الكترونیك (مثل تلویزیون لیزری) ظرفیتهای زیادی ایجاد خواهند كرد؛یكی از كاربردهای این گونه قطعات، استفاده در زمینه‌‌های فناوری تولید حسگرها (حسگرهای مادون قرمز۹ و ...) یا ارتباطات نوری ماهواره‌ای می‌باشد.

---