كاربرد نانو تكنولوژي در كامپيوتر و الكترونيك؛ انقلابي در فناوري نانو

[parisa niakan]

هدف از نگارش اين نوشتار، مرور يكي از روش هاي بكارگيري فناوري نانو است. براي مثال اين فناوري نسبتاً نو، در كامپيوتر و قطعات الكترونيكي كاربرد بسياري دارد. از مثالي كه ريچارد فايمن در سخنراني خود استفاده كرد، شروع مي كنيم. در واقع با اين مثال ميخواهيم ابعاد و اندازه هاي نانويي را با اندازه هاي خيلي كوچكي كه تكنولوژي آنها هم اكنون در دسترس است، مقايسه بكنيم. او كه جايزۀ نوبل فيزيك را دريافت كرده بود، در كنفرانس سال 1960 تحت عنوان «فضاي زيادي وجود دارد» به بحث در مورد توانايي ها و امكان ساخت مواد نانو مقياس پرداخت. او به گونه اي خيال پردازانه، خطوطي حكاكي شده با به كارگيري باريكۀ الكتروني و با عرضي به اندازۀ چند اتم را فرض كرد كه در واقع وجود ليتوگرافي توسط باريكۀ الكتروني را پيش بيني مي كرد. در واقع فاينمن با اين سوال شروع كرد: "چرا نمي توانيم بيست و نه پوشينۀ دايره المعارف بريتانيكا را به سر يك سوزن بنويسيم؟" و ادامه داد "قطر ته سوزن 1/16 اينچ است. اگر آن را بيست و پنج هزار بار بزرگ كنيم سطح آن با كل سطح صفحات دايره المعارف برابر مي شود. پس كافي است همه نوشته ها را بيست و پنج هزار بار كوچك كنيم." اگر چه انديشه هاي فاينمن بازتاب چنداني توسط دانشمندان آن زمان نداشت؛ هم اكنون بسياري از فرضيات او به واقعيت پيوسته اند.
ريچارد فاينمن به پاس كمك هاي شايانش به الكتروديناميك كوانتومي (موضوعي بسيار دور از فناوري نانو) جايزۀ نوبل فيزيك را دريافت كرده بود. همگام با او، رويا پردازان ديگري نيز مشغول به فعاليت بودند. راف لندور فيزيكداني نظري بود كه در سال 1957 براي IBM كار مي كرد. وي ايده هايي در پيرامون نانو الكترونيك داشت و به ارزش اثرات مكانيك كوانتومي در اين زمينه پي برده بود.


1. الكترونيك و فناوري اطلاعات

انقلاب اطلاعات، جهان پيرامون ما را به شيوۀ گسترده اي تحت تاثير قرار داده است و هوده هاي آن از اثرات انقلاب صنعتي نيز پيشي گرفته است. كليد توسعه و پيشرفت در فناوري اطلاعات، دستيابي به رايانه هايي با توان بيشتر، حجم كوچك تر و قيمت ارزان تر است. در ادامه به كاربردهاي بيشتري از اين فناوري در الكترونيك و كامپيوتر مي پردازيم.

2.1 ذخيره سازي و حافظه ها
با استفاده از اين فناوري مي توان ظرفيت ذخيره سازي اطلاعات را در حد هزار برابر يا بيشتر افزايش داد. ذخيره سازي اطلاعات مبحثي بسيار مهم و ضروري است كه مي تواند به روش هاي مختلفي انجام شود. هم اكنون ظرفيت ديسك هاي مغناطيسي رايانه ها با استفاده از قانون مور افزايش يافته است و بازاري در حدود چهل ميليارد دلار را در اختيار دارد.

2.1 ساخت ماشين هاي شبيه سازنده
نانو كامپيوتر و نانو اسمبلر، دو مفهوم جديدي هستند كه در "علم نانو" مطرح مي شوند. ساخت نانو اسمبلر در واقع يك هدف نهايي و مهم در نانو تكنولوژي است. نانو اسمبلر در واقع امكان تهيۀ ماشين يا مكانيك ساختاري شبيه خودش را به وجود مي آورد. زماني كه يك نانو اسمبلر كامل در دسترس باشد تقريباً همه چيز ممكن مي شود و اين مهمترين و بزرگترين خواسته دانشمندان نانو تكنولوژي است. كدام ساده تر است؛ تهيه كپي از ماشين، يا تهيۀ ماشيني كه خودش را كپي كند؟ در مقياس ماكرو مولكولي ساختن يك كپي خيلي ساده تر از ساختن ماشيني است كه بتواند خودش را كپي كند اما در تراز مولكولي اين مساله واژگونه است؛ يعني ساختن ماشيني كه بتواند خود را كپي كند كار را براي ما بارها ساده تر از ساختن ماشين ديگر مي كند و اين مهم ترين كاربرد نانو اسمبلر مي باشد. به اين ترتيب ساختن اتوماتيك محصولات بدون نيروي كار سنتي، همانند عمل كپي در ماشين هاي زيراكس، آسان مي شود.

3.1 نيمه هادي ها؛ اساس صنعت الكترونيك كنوني
مطابق قانون مور، نعداد ترانزيستور ها در يك مدار الكترونيكي، در هر 12 تا 24 ماه دو برابر مي شود. به اين معني كه مدارها با گذر زمان فشرده و پيچيده تر خواهند شد. اگر چه اين قانون در دهه هاي گذشته راست بود، اما فناوري ليتوگرافي با محدوديت براي كوچك تر كردن عناصر است؛ به طوري كه پيش بيني مي شود صنعت نيمه هادي در 10 سال آينده به مرز كوچك سازي برسد. به اين ترتيب نياز است كه فناوري جديدي وارد عمل شود تا كوچك سازي مدارها را انجام دهد. از دهۀ 1920 دانشمندان دريافتند كه ويژگي هاي مواد مانند استحكام و قابليت هدايت الكتريكي با ساختار اتمي و مولكولي آنها تعيين مي شود. بعد ها دانش فوق منجر به ساخت مواد نيمه هادي شد كه پايۀ صنعت الكترونيك كنوني است. در صنعت كامپيوتر، قابليت نانو ماشين ها براي كوچك كردن ترانزيستورها رو تراشه هاي سيليكوني مي تواند انقلابي در اين زمينه بوجود آورد. به اين ترتيب نياز است كه فناوري نو و تازه اي بكارگرفته شود تا كوچك سازي مدارها را انجام دهد.

4.3.1 ابر خازن هاي الكتروشيميايي
ابر خازنها داراي ظرفيت بالايي مي باشند و به صورت بالقوه قابل استفاده در قطعه هاي الكترونيكي هستند. اين ابر خازن ها داراي دو الكترود هستند كه به وسيلۀ يك مادۀ عايق كه در قطعه هاي الكترو شيميايي داراي رسانايي يوني مي باشد، از هم جدا مي شوند. ظرفيت يك ابر خازن شيميايي نسبت واژگونه با بار روي الكترود، و شمارگر بار در الكتروليت دارد. از ابر خازن هاي نانو لوله، براي ذخيرۀ انرژي استفاده مي شود. به طور كلي گفته مي شود كه توجه بيشتر در اين مورد، با ذخيرۀ بار فرق مي كند.



2. الكترونيك مولكولي

2.1 نانو تيوب هاي كربني در نانو الكترونيك
نانو تيوب هاي كربني داراي كاربردهاي بسيار در زمينۀ نانو الكترونيك و همچنين نانو كامپيوترها دارند. از كاربردهاي بي شمار نانو لوله ها مي توان به كارگيري به عنوان عايق، رسانا و نيمه رسانا و يا نيمه هادي استفاده كرد.

2.1.2 خواص رسانايي الكتريكي در نانو تيوب ها
نانو لوله ها بسته به بردار كايرالشان رسانندگي متفاوتي از خود نشان مي دهند. البته رسانايي آنها به قطر نانو لوله ها نيز بستگي دارد؛ به اين صورت كه نانو لوله هايي با قطر كوچك، رسانا يا نيمه رسانا هستند. نانو لوله هاي تك ديواره با بردارهاي كايرال متفاوت، ويژگي هاي متفاوت با يكديگر دارند. از جمله فعاليت اُپتيكي، استحكام مكانيكي و هدايت الكتريكي آن ها با هم فرق دارد. از انواع نانو لوله ها از نگر رسانايي، نانو تيوب هاي زيگزاگ، آرميچر و نا متقارن هستند. همه ي ساختارهاي ممكن نانو لوله تك ديواره با بردارهاي كايرال با انتقال يافتن دو محدوده اي كه در شكل نشان داده شده است مي تواند شكل گيرد، كه n و m صحيح اند و در نانو لوله هاي زيگزاگ، θ<30 يا m≤n مي باشد. جهت محور نانو لوله عمود بر بردار كايرال است. Ch در نانو لوله هاي كربني از na1+ma2 به دست مي آيد كه a1 و a2 بردارهاي شبكه و كوچكترين قطرهاي شش ضلعي نانو لوله ها هستند و m و n اعدادي صحيح اند. بردار كايرال با بردار Ch = na1+ma2 و زاويۀ كايرال با محور زيگزاگ تعريف مي شود.

2.4.1 انواع نانو لوله ها از نگر رسانايي
اگر زاويۀ 0=θ يا n,0 ، نانو لوله از نوع زيگزاگ خواهد بود. در صورتي كه (n-m)/3 شماري صحيح باشد نانو لوله از نوع فلزي است. در غير اين صورت از نوع نيمه هادي است.
در صورتي كه 30=θ يا n≤m باشد، نانو لوله از نوع آرميچر خواهد بود. نانو لوله هاي آرميچر همه از نوع فلزي هستند.
در غير از اين دو حالت فوق، نانو لوله از نوع متقارن يا كايرال است كه داراي خواص رسانايي بسيار كمي مي باشد. n≠m , n≠0

2.2 الكترونيك مولكولي با نانو لوله ها
مثال هايي از كاربرد بالقوۀ نانو لوله ها به عنوان قطعه هاي گسيلندۀ ميداني را مي توان نمايش دهنده هاي صفحات تخت، لوله هاي تخليۀ گاز در شبكه هاي مخابراتي، تفنگ هاي الكتروني براي ميكروسكوپ الكتروني، سوزن هاي ميكروسكوپ اتمي روبشي و تقويت كننده هاي ميكرو موج نام برد.

3.2سيستم هاي نانو الكترو مكانيكي (NEMS)
سيستم هاي ميكروالكترومكانيكي (MEMS) عمدتاً مانند ويفرهاي سيليكوني به روش فتوليتوگرافي ساخته مي شوند. اين سيستم ها در ابزارهايي مانند سنسورها، پمپ ها و روتورها استفاده مي شوند. در حال حاضر، MEMS يك صنعت 11 ميليارد دلاري است. در اين زمينه حركت از مقياس ميكرو به سمت نانو، امكانات و قابليت هاي جديدي را براي سيستم هاي الكترومكانيكي ايجاد مي كند. با وجود اين، فقدان انگيزه هاي كافي اقتصادي براي كوچك كردن ماشين ها تا مقياس نانو، باعث شده است كه تكامل سيستم هاي نانو الكترومكانيكي از روند آرامي برخوردار باشد.
يكي از اهداف نانو فناوري پيشرفت در زمينۀ الكترونيك و علوم كامپيوتر، براي ساخت حافظه ها و تراشه ها با قابليت بيشتر، و هزينۀ كمتر است. همان طور كه در بالا توضيح داده شد، دستيابي به اهداف در اين زمينه نقص هاي بسياري در ماشين ها را برطرف خواهد كرد. به خصوص حافظه ها و اسمبلرها، كه انقلاب عظيمي در صنعت الكترونيك، در حوزۀ فناوري نانو خواهد بود.