Nanoelectronică

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare

Termenul nanoelectronică se referă la utilizarea nanotehnologiei în componente electronice , în special tranzistoare . Deși termenul nanotehnologie este în general definit ca tehnologie care funcționează pe dimensiuni de ordinul a 100 nm , nanoelectronica se referă adesea la dispozitive cu tranzistoare la fel de mici ca interacțiunile inter-atomice și proprietățile mecanice cuantice care trebuie studiate pe larg. Rezultatul este că tranzistoarele actuale nu intră în această categorie, chiar dacă aceste dispozitive sunt fabricate sub 45nm și 32nm .

Nanoelectronica este uneori privită ca o tehnologie distructivă, deoarece candidații actuali sunt semnificativ diferiți de tranzistoarele tradiționale. Unele dintre acestea sunt: ​​electronice semiconductoare / hibride moleculare, nanotuburi unidimensionale / nanofire sau electronice moleculare avansate.

Deși toate aceste promisiuni sunt valabile pentru viitor, ele sunt încă în curs de dezvoltare și cel mai probabil nu vor putea fi utilizate pentru producție în curând.

Concepte fundamentale

Volumul unui obiect scade în raport cu a treia putere a dimensiunilor sale liniare, dar suprafața scade numai în conformitate cu a doua sa putere. Acest principiu subtil și inevitabil are consecințe enorme. De exemplu, puterea unei burghie (sau a oricărei alte mașini) este proporțională cu volumul acesteia, în timp ce fricția rulmenților și a angrenajelor burghiei este proporțională cu suprafața lor. Pentru un burghiu de dimensiuni normale, puterea dispozitivului este suficientă pentru a depăși cu ușurință orice frecare. Cu toate acestea, mărirea dimensiunii sale cu un factor de 1000 își reduce puterea cu 1000 3 (un factor de un miliard) în timp ce frecarea este redusă cu doar 1000 2 (un factor de un milion). În proporție, este de 1000 de ori mai puțin puternic decât burghiul original. Dacă raportul original de frecare-putere a fost, să zicem, 1%, asta înseamnă că burghiele mai mici vor avea de 10 ori mai multă frecare. Burghiul este inutil.

Din acest motiv, în timp ce circuitele integrate miniaturale ale superelectronicii sunt pe deplin funcționale, aceeași tehnologie nu face ca dispozitivele mecanice să funcționeze dincolo de scările în care forțele de frecare încep să depășească puterea disponibilă. Așadar, în timp ce puteți vizualiza fotomicrografii de unelte din siliciu gravate delicat, astfel de dispozitive sunt în prezent puțin mai mult decât curiozități cu aplicații limitate din lumea reală: oglinzi în mișcare și jaluzele. [1] Tensiunea superficială crește în același mod, crescând astfel tendința obiectelor foarte mici de a se lipi între ele. Acest lucru face ca orice fel de „micro-fabrică” să nu fie practică: chiar dacă brațele și mâinile robotizate ar putea fi redimensionate, orice ar colecta ar fi imposibil de descărcat. După cum sa menționat mai sus, evoluția moleculară a ajuns să se realizeze în activitatea cililor , flagelilor , fibrelor musculare și motoarelor rotative în medii apoase, toate la scară nanometrică. Aceste mașini exploatează forțele de frecare mai mare care funcționează pe scara micrometrului sau nanometrului. Spre deosebire de o paletă sau elice (elice), angajații din forțele normale de frecare (suprafața perpendiculară pe forțele de frecare) pentru a ajunge la propulsie, cilii dezvoltă o rezistență excesivă la mișcare (rezistență) sau forțe laminare (forțe de frecare paralele cu suprafața), prezente în dimensiunile micro și nano . Pentru a construi „mașini” semnificative la nivel nanomural, trebuie luate în considerare forțele implicate. Ne confruntăm cu dezvoltarea și proiectarea de mașini cu relevanță intrinsecă, mai degrabă decât cu simpla reproducere a celor macroscopice.

Prin urmare, problemele legate de scară trebuie să fie luate în considerare cu atenție atunci când se tratează nanotehnologia în aplicații practice.

Abordări ale nanoelectronicii

Nanofabricarea

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Nanocircuitismul și Nanolitografia .

De exemplu, tranzistoare cu un singur electron , care implică funcționarea pe baza unui singur electron. Sistemele nanoelectromecanice se încadrează, de asemenea, în această categorie.

Nanofabricarea poate fi utilizată pentru a construi aparate paralele hiperdense de nanofire , ca alternativă la sinteza de nanofire unice. [2] [3]

Electronica nanomaterialelor

În plus, fiind mică și permițând să adune mai mulți tranzistori într-un singur cip, structura uniformă și simetrică a nanotuburilor permite o mobilitate mai mare a electronului (mișcare mai rapidă a electronului în material), o constantă dielectrică mai mare (frecvență mai mare) și o gaură electronică / electronică simetrică caracteristică. [4]

Mai mult, nanoparticulele pot fi utilizate ca puncte cuantice .

Electronică moleculară

Pictogramă lupă mgx2.svg Același subiect în detaliu: Electronică moleculară .

Dispozitivele moleculare unice sunt o altă posibilitate. Aceste scheme ar face uz extensiv de auto-asamblare moleculară , proiectând componentele dispozitivului pentru a construi o structură mai mare sau chiar un sistem complet pe cont propriu. Acest lucru poate fi foarte util pentru computerul reconfigurabil (reconfigurable computing) și poate chiar înlocui complet tehnologia actuală FPGA .

Electronica moleculară [5] este o nouă tehnologie care este încă la început, dar oferă cu siguranță speranță și în viitor pentru sistemele electronice la scară atomică. Una dintre cele mai promițătoare aplicații ale electronicii moleculare a fost propusă de cercetătorul IBM Ari Aviram și chimistul teoretic Mark Ratner în studiile lor din 1974 și 1988, Molecule for Memory, Logic and Amplification , (vezi redresorul unimolecular ). [6] [7]

Acesta este unul dintre multele moduri posibile în care o diodă / tranzistor la nivel molecular ar putea fi sintetizate prin chimia organică. A fost propus un model de sistem cu o structură de carbon "spiro" care asigură o diodă moleculară de aproximativ un nanometru și jumătate prin care ar putea fi conectat prin fire moleculare de politiofen . Calculele teoretice au arătat soliditatea proiectului în principiu și încă nu există nicio speranță că un astfel de sistem poate fi pus în funcțiune.

Alte abordări

Nanoionica studiază transportul ionilor în loc de electroni în sistemele la scară nanomatică .

Nanofotonica studiază comportamentul luminii în domeniul nanoescalelor , cu scopul de a dezvolta dispozitive care să profite de acest comportament.

Dispozitive nanoelectronice

Radio

Nanoradios au fost dezvoltate și structurate în jurul nanotuburilor de carbon . [8]

Calculator

Rezultatul simulării formării canalului de inversiune (densitatea electronilor) și realizarea tensiunii de prag (IV) într-un nanofir MOSFET. Rețineți că tensiunea de prag pentru acest dispozitiv este de aproximativ 0,45V.

Nanoelectronica are promisiunea de a face procesoarele de calculator mult mai puternice decât sunt posibile cu tehnicile convenționale de fabricație a semiconductoarelor . O serie de abordări sunt în curs de cercetare, inclusiv noi forme de nanolitografie , precum și utilizarea nanomaterialelor, cum ar fi nanofire sau molecule mici, în locul componentelor tradiționale CMOS . Tranzistoarele cu efect de câmp au fost realizate folosind atât nanotuburi de carbon semiconductoare [9], cât și nanofire semiconductoare heterostructurate. [10]

Alternativa la tranzistoarele acționate în mod tradițional sunt tranzistoarele cu un singur electron (SET) care sunt capabile să controleze trecerea unui singur electron de la sursă la drenaj. Dispozitivul se bazează pe efectul de blocare Coulomb .

Producere de energie

Cercetările sunt în curs de utilizare a nanofirurilor și a altor materiale nanostructurate cu speranța de a crea celule solare care să fie mai ieftine și mai eficiente decât celulele solare convenționale din siliciu plan. [11] Se crede că invenția celei mai eficiente energii solare ar putea satisface nevoile globale de energie.

Există, de asemenea, cercetări privind generarea de energie pentru dispozitive care ar funcționa in vivo , numite generatoare bio-nano.

Un generator bio-nano este un dispozitiv electrochimic la scară nanomatică , similar cu o celulă de combustibil sau o celulă galvanică , dar care extrage energie din glucoza dizolvată în sângele unui corp viu, la fel ca modul în care corpul generează energie din alimente . Pentru a obține efectul, se folosește o enzimă care este capabilă să îndepărteze electronii din glucoză, eliberându-i pentru utilizare în dispozitivele electrice. Corpul unei persoane obișnuite ar putea genera teoretic 100 de wați de energie electrică (aproximativ 2000 de calorii de alimente pe zi) folosind un generator bio-nano. [12] Cu toate acestea, această estimare este adevărată numai dacă toate alimentele sunt transformate în energie electrică; corpul uman are nevoie de energie constantă, deci puterea care poate fi generată este mult mai mică. Electricitatea generată de un astfel de dispozitiv ar putea furniza energie dispozitivelor plasate în corpul uman (cum ar fi stimulatoarele cardiace ) sau nanorobotilor alimentați cu zahăr. O mare parte din cercetările făcute pe generatoare de bio-nano sunt încă experimentale, cu „Laboratorul de cercetare a nanotehnologiei Panasonic ” în prim plan.

Diagnosticul în medicină

Există un mare interes în construcția de dispozitive nanoelectronice [13] [14] [15] capabile să detecteze concentrațiile de biomolecule în timp real pentru a fi utilizate în diagnosticul medical, [16] prin urmare acestea intră în categoria nanomedicinei . [17] O linie paralelă de cercetare își propune să creeze dispozitive nanoelectronice care ar putea interacționa cu celule individuale, astfel utilizabile în cercetarea biologică de bază. [18] Aceste dispozitive se numesc nanosenzori . O astfel de miniaturizare în domeniul nanoelectronicii către detectarea in vivo a proteomicii ar permite noi abordări pentru monitorizarea sănătății, supravegherea și tehnologia de apărare. [19] [20] [21]

În domeniile clinic și farmacologic, nanotehnologiile se ocupă de aplicații care exploatează sisteme cu dimensiuni de ordinul mărimii nanometrelor în scopuri terapeutice sau diagnostice. Cercetările din domeniul nanomedicinei oferă numeroase perspective izbitoare, până la ipoteza viitoarei creații de nano-mașini care pot fi utilizate pentru repararea celulelor. În așteptarea acestor descoperiri revoluționare, discutăm împreună cele mai promițătoare tehnologii testate în prezent: nano-vectori pentru livrarea medicamentelor, laborator-pe-un-cip și alte tipuri de MEMS, sisteme microelectro-mecanice, utilizabile în scopuri de diagnostic [22]

Notă

  1. ^ (EN) Prezentare generală MEMS , pe mems.sandia.gov. Adus la 6 iunie 2009 .
  2. ^ (RO) Nu Melosh, Boukai, Akram; Diana, Frederic; Gerardot, Brian; Badolato, Antonio; Petroff, Pierre & Heath, James R., Rețele și circuite nanofilare de înaltă densitate , în Știință , vol. 300, 2003, p. 112, DOI : 10.1126 / science.1081940 .
  3. ^ (EN) S. Das, Gates, AJ; Abdu, HA; Trandafir, GS; Picconatto, CA & Ellenbogen, JC, Proiecte pentru circuite nanoelectronice cu scop special, foarte mici , în IEEE Trans. pe circuite și sisteme I , vol. 54, 2007, p. 11, DOI : 10.1109 / TCSI.2007.907864 .
  4. ^ (EN) J. Goicoechea, Zamarreñoa, CR; Matiasa, IR & Arregui, FJ, Minimizarea fotoblanșării multistratelor auto-asamblate pentru aplicații de senzori , în Senzori și actuatori B: chimică , vol. 126, nr. 1, 2007, pp. 41–47, DOI : 10.1016 / j.snb.2006.10.037 .
  5. ^ (EN) MC Petty, Bryce, MR & Bloor, D., An Introduction to Molecular Electronics, Londra, Edward Arnold, 1995, ISBN 0-19-521156-1 .
  6. ^ (EN) Aviram A., Ratner, MA, Molecular Rectifier , în Chemical Physics Letters, vol. 29, 1974, p. 277, DOI : 10.1016 / 0009-2614 (74) 85031-1 .
  7. ^ (EN) A. Aviram, Molecules for memory, logic, and amplification , în Journal of the American Chemical Society, vol. 110, nr. 17, 1988, pp. 5687-5692, DOI : 10.1021 / ja00225a017 .
  8. ^ (EN) Jensen, K., Jensen, K.; Weldon, J.; Garcia, H. & Zettl A., Nanotube Radio , în Nano Lett. , Vol. 7, nr. 11, 2007, pp. 3508–3511, DOI : 10.1021 / nl0721113 , PMID 17973438 .
  9. ^ (EN) Henk W. Ch. Postma, Teepen, Tijs; Yao, Zhen; Grifoni, Milena & Dekker, Cees, tranzistori cu un singur electron din nanotuburi de carbon la temperatura camerei , în Știință , vol. 293, nr. 5527, 2001, pp. 76–79, DOI : 10.1126 / science.1061797 .
  10. ^ (EN) Jie Xiang, Lu, Wei; Hu, Yongjie; Wu, Yue; Yan; Hao & Lieber, Charles M., Heterostructuri Ge / Si nanowire ca tranzistori cu efect de câmp de înaltă performanță , în Nature , vol. 441, 2006, pp. 489–493, DOI : 10.1038 / nature04796 .
  11. ^ (EN) Bozhi Tian, ​​Zheng, Xiaolin; Kempa, Thomas J.; Fang, Ying; Yu, Nanfang; Yu, Guihua; Huang, Jinlin și Lieber, Charles M., Nanofile de siliciu coaxiale ca celule solare și surse de energie nanoelectronice , în Nature , vol. 449, 2007, pp. 885–889, DOI : 10.1038 / nature06181 .
  12. ^ (RO) Sursa din sânge ar putea duce la „baterii umane” , în Sydney Morning Herald , 4 august 2003. Adus la 8 octombrie 2008 .
  13. ^ (EN) Lavan, DA; McGuire, Terry & Langer, Robert, Sisteme la scară mică pentru livrarea in vivo a medicamentelor , în Nat Biotechnol. , vol. 21, n. 10, 2003, pp. 1184–1191, DOI : 10.1038 / nbt876 , PMID 14520404 .
  14. ^ (EN) Grace, D., Caracteristică specială: Tehnologii emergente în știrile de fabricare a produselor medicale. , vol. 12, 2008, pp. 22–23 (arhivat din original la 12 iunie 2008) .
  15. ^ (EN) S. Saito, Carbon Nanotubes for Next-Generation Electronics Devices , in Science , vol. 278, 1997, pp. 77–78, DOI : 10.1126 / science.278.5335.77 .
  16. ^ (EN) Cavalcanti, A.; Shirinzadeh, B.; Freitas Jr, Robert A. & Hogg, Tad,Nanorobot architecture for medical target identification , în Nanotehnologie , vol. 19, nr. 1, 2008, pp. 015103 (15pp), DOI : 10.1088 / 0957-4484 / 19/01/015103 .
  17. ^ (EN) Mark Ming-Cheng Cheng, Cuda, John; Bunimovich, Yuri L; Gaspari, Marco; Heath, James R; Hill, Haley D; Mirkin, Chad A; Nijdam, A Jasper; Terracciano, Rosa; Thundat, Thomas și Ferrari, Mauro, Nanotehnologii pentru detectarea biomoleculară și diagnosticarea medicală , în Current Opinion in Chemical Biology , vol. 10, 2006, pp. 11-19, DOI : 10.1016 / j.cbpa.2006.01.006 .
  18. ^ (EN) F. Patolsky, Timko, BP; Yu, G.; Fang, Y.; Greytak, AB; Zheng, G. & Lieber, CM, Detectarea, stimularea și inhibarea semnalelor neuronale cu matrice de tranzistori cu densitate mare de nanofire , în Știința , vol. 313, 2006, pp. 1100-1104, DOI : 10.1126 / science.1128640 .
  19. ^ (EN) Frist, WH, Health care in the 21st century , în N. Engl. J. Med. , Vol. 352, nr. 3, 2005, pp. 267-272, DOI : 10.1056 / NEJMsa045011 , PMID 15659726 .
  20. ^ (EN) Cavalcanti, A.; Shirinzadeh, B.; Zhang, M. & Kretly, LC, Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense ( PDF ), în Senzori , vol. 8, nr. 5, 2008, pp. 2932–2958, DOI : 10.3390 / s8052932 .
  21. ^ (EN) Couvreur, P. & Vauthier, C., Nanotehnologie: design inteligent pentru tratarea bolilor complexe , în Pharm. Rez. , Vol. 23, n. 7, 2006, pp. 1417–1450, DOI : 10.1007 / s11095-006-0284-8 , PMID 16779701 .
  22. ^ Aldo Domenico Ficara - Nanotehnologii și medicină: de la livrarea medicamentelor la MEMS , pe docplayer.it .

Lecturi suplimentare

(RO) Herbert S. Bennett, Andres, Howard; Pellegrino, Joan; Kwok, Winnie; Fabricius, Norbert; Chapin, J. Thomas, Priorities for Standards and Measurements to Accelerate Innovations in Nano-Electrotechnologies: Analysis of the NIST-Energetics-IEC TC 113 Survey ( PDF ), în Journal of Research of the National Institutes of Standards and Technology , vol. 114, nr. 2, martie-aprilie 2009, pp. 99–135. Adus la 23 martie 2010 (arhivat din original la 5 mai 2010) .

( EN ) Alexander Despotuli, Andreeva, Alexandra, O scurtă recenzie despre nanoelectronica în subtensiune profundă și tehnologiile conexe ( PDF ), în International Journal of Nanoscience , vol. 8, nr. 4-5, World Scientific Publishing Co., august-octombrie 2009, pp. 389–402, DOI : 10.1142 / S0219581X09006328 . Adus la 23 martie 2010 .

linkuri externe

Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Nanoelettronica&oldid=122361067 ”