Čo je nanoelektronika a ako to funguje

Oblasť elektroniky zaoberajúca sa vývojom technologických a fyzikálnych základov pre konštrukciu integrovaných elektronických obvodov s veľkosťou prvkov menej ako 100 nanometrov sa nazýva nanoelektronika. Samotný pojem „nanoelektronika“ odráža prechod z mikroelektroniky moderných polovodičov, kde sa veľkosť prvkov meria v jednotkách mikrometrov, na menšie prvky - s veľkosťami desiatok nanometrov.

S prechodom na nanomateriály začnú v schémach dominovať kvantové efekty, ktoré odhaľujú mnohé nové vlastnosti a podľa toho označujú vyhliadky na ich užitočné využitie. A ak pre mikroelektroniku kvantové efekty často zostali parazitárne, pretože napríklad pri zmenšovaní veľkosti tranzistora tunelový efekt začne zasahovať do jeho činnosti, potom je nanoelektronika naopak vyzvaná, aby využívala také efekty ako základ pre nanoheteroštruktúrovanú elektroniku.

Každý z nás používa elektroniku každý deň a určite si už veľa ľudí všimne určité definitívne trendy. Pamäť v počítačoch sa zvyšuje, procesory sa stávajú produktívnejšími, veľkosť zariadení sa zmenšuje. Aký je dôvod tohto?

Po prvé, so zmenou fyzikálnych rozmerov prvkov mikroobvodov, z ktorých sú v podstate postavené všetky elektronické zariadenia. Aj keď fyzika procesov zostáva dnes približne rovnaká, veľkosť zariadení sa zmenšuje a zmenšuje. Veľké polovodičové zariadenie pracuje pomalšie a spotrebúva viac energie a nanotransistor - pracuje rýchlejšie a spotrebúva menej energie.

Moderná nanotechnológia na videu:

Je známe, že všetky hmotné telá sú zložené z atómov. A prečo elektronika nedosiahne atómovú stupnicu? Táto nová oblasť elektroniky umožní riešiť také problémy, ktoré na konvenčnej kremíkovej báze jednoducho zásadne nemožné to vyriešiť.

Veľký záujem je o grafén a podobné monovrstvové materiály (pozri článok - Neočakávané vlastnosti známeho uhlíka). Takéto materiály s hrúbkou jedného atómu majú pozoruhodné vlastnosti, ktoré je možné kombinovať za vzniku rôznych elektronických obvodov.

Napríklad technológie týkajúce sa sondovej mikroskopie umožňujú konštrukciu rôznych štruktúr jednotlivých atómov na povrchu vodiča vo vysokom vákuu jednoduchým preusporiadaním. Čo nie je základom pre vytváranie monatomických elektronických zariadení?

Manipulácie s hmotou na molekulárnej úrovni už ovplyvnili mnohé priemyselné odvetvia, neobišli elektroniku. Mikroprocesory a integrované obvody sú postavené týmto spôsobom. Popredné krajiny investujú do ďalšieho rozvoja tejto technologickej cesty - aby prechod na nanomateriál prebiehal rýchlejšie, širšie a ďalej sa zlepšoval.

Mimochodom, už sa dosiahli niektoré úspechy. Spoločnosť Intel v roku 2007 oznámila, že bol vyvinutý procesor založený na štrukturálnom prvku s veľkosťou 45 nm (predstavený spoločnosťou VIA Nano) a ďalším krokom by malo byť dosiahnutie 5 nm. IBM sa chystá dosiahnuť 9 nm vďaka grafénu.

Uhlíkové nanorúrky (grafén) - Jeden z najsľubnejších nanomateriálov pre elektroniku. Umožňujú nielen zmenšiť veľkosť tranzistorov, ale tiež dať elektronike skutočne revolučné vlastnosti, mechanické aj optické. Nanotrubice nezachytávajú svetlo, sú mobilné, zachovávajú si elektronické vlastnosti obvodov.

Najmä kreatívni optimisti sa už tešia na vytváranie prenosných počítačov, ktoré je možné vytiahnuť z vrecka ako noviny alebo nosiť vo forme náramku na jednej ruke, a ak je to potrebné, možno ich rozšíriť ako noviny, a celý počítač bude ako skladací papier s dotykovou obrazovkou s vysokým rozlíšením.

Ďalšou perspektívou aplikácie nanotechnológií a využívania nanomateriálov je vývoj a tvorba pevných diskov budúcej generácie.V roku 2007 dostali Albert Firth a Peter Grunberg Nobelovu cenu za objav kvantového mechanického účinku ultrafialového magnetického odporu (GMR efekt), keď tenké vrstvy kovu zo striedajúcich sa vodivých a feromagnetických vrstiev významne zmenili svoj magnetický odpor so zmenou v recipročnom smere magnetizácie.

Ovládaním magnetizácie štruktúry pomocou vonkajšieho magnetického poľa je možné vytvoriť také presné senzory magnetického poľa a vykonať také presné zaznamenanie na informačnom nosiči, že jeho hustota ukladania dosiahne atómovú úroveň.

Nanoelektronika a plazmatronika sa neobišli. Kolektívne vibrácie voľných elektrónov vo vnútri kovu majú charakteristickú plazmónovú rezonančnú vlnovú dĺžku asi 400 nm (pre častice striebra s veľkosťou 50 nm). Dá sa predpokladať, že vývoj nanoplazmoník začal v roku 2000, keď sa zrýchlil pokrok v zlepšovaní technológie tvorby nanočastíc.

Ukázalo sa, že je možné prenášať elektromagnetickú vlnu pozdĺž reťazca kovových nanočastíc, čo vyvoláva oscilácie plazmónu. Takáto technológia umožní zavedenie logických obvodov do počítačovej technológie, ktorá dokáže pracovať oveľa rýchlejšie a odovzdávať viac informácií ako tradičné optické systémy, a veľkosť systémov bude oveľa menšia ako akceptované optické systémy.

Lídri v oblasti nanoelektroniky a elektroniky všeobecne sú dnes Taiwan, Južná Kórea, Singapur, Čína, Nemecko, Anglicko a Francúzsko.

Najmodernejšia elektronika sa dnes vyrába v USA a najmasívnejším výrobcom špičkovej elektroniky je Taiwan vďaka investíciám japonských a amerických spoločností.

Čína je tradičným lídrom v oblasti rozpočtovej elektroniky, ale tu sa situácia postupne mení: lacná pracovná sila priťahuje investorov z high-tech spoločností, ktoré plánujú založiť svoju nanoprodukciu v Číne.

Rusko má tiež dobrý potenciál. Základňa v oblasti mikrovĺn, radiačných štruktúr, fotodetektorov, solárnych panelov a výkonovej elektroniky v zásade umožňuje vytváranie nanotechnologických vedeckých miest a ich rozvoj.

Tento potenciál si vyžaduje ekonomické podmienky a organizáciu pre základný výskum a vedecký rozvoj. Všetko ostatné je: technologická základňa, sľubný personál a kvalifikované vedecké prostredie. Potrebné sú iba veľké investície, čo sa často stáva Achillovou pätou ...

Jeden príklad použitia nanotechnológií:Nanoantény pre príjem slnečnej energie