Wat is nano-elektronica en hoe werkt het?

Het gebied van elektronica dat zich bezighoudt met de ontwikkeling van technologische en fysieke grondslagen voor de bouw van geïntegreerde elektronische schakelingen met elementgroottes van minder dan 100 nanometer wordt nano-elektronica genoemd. De term "nano-elektronica" weerspiegelt zelf de overgang van de micro-elektronica van moderne halfgeleiders, waarbij de afmetingen van elementen worden gemeten in eenheden van micrometers, naar kleinere elementen - met afmetingen van tientallen nanometers.

Met de overgang naar nanoschaal beginnen kwantumeffecten in de schema's te domineren, waardoor veel nieuwe eigenschappen worden onthuld en, bijgevolg, de vooruitzichten voor hun nuttig gebruik worden gemarkeerd. En als voor micro-elektronica kwantumeffecten vaak parasitair bleven, omdat bijvoorbeeld met de afname van de grootte van de transistor het tunneleffect de werking ervan begint te verstoren, dan wordt nano-elektronica daarentegen gebruikt om dergelijke effecten te gebruiken als basis voor nanohetergestructureerde elektronica.

Ieder van ons maakt elke dag gebruik van elektronica, en veel mensen merken zeker al een aantal duidelijke trends. Het geheugen op computers neemt toe, processors worden productiever, de grootte van apparaten neemt af. Wat is hiervoor de reden?

Allereerst met een verandering in de fysieke afmetingen van de elementen van microschakelingen, waaruit alle elektronische apparaten in wezen zijn gebouwd. Hoewel de fysica van processen vandaag ongeveer hetzelfde blijft, worden de afmetingen van apparaten steeds kleiner. Een groot halfgeleiderapparaat werkt langzamer en verbruikt meer energie en een nanotransistor - en werkt sneller en verbruikt minder energie.

Moderne nanotechnologie op video:

Het is bekend dat alle materiële lichamen zijn samengesteld uit atomen. En waarom bereikt elektronica niet de atomaire schaal? Dit nieuwe gebied van elektronica maakt het mogelijk dergelijke problemen op te lossen op een conventionele siliconenbasis gewoon fundamenteel onmogelijk op te lossen.

Van groot belang is grafeen en soortgelijke monolaagmaterialen (zie artikel - Onverwachte eigenschappen van bekende koolstof). Dergelijke materialen, één atoom dik, hebben opmerkelijke eigenschappen die kunnen worden gecombineerd om verschillende elektronische circuits te creëren.

Bijvoorbeeld, technologieën gerelateerd aan sondemicroscopie maken het mogelijk om verschillende structuren van individuele atomen op het oppervlak van een geleider in ultrahoog vacuüm te construeren door ze eenvoudig te herschikken. Wat is niet de basis voor het maken van monatomische elektronische apparaten?

Manipulaties van materie op moleculair niveau hebben al veel industrieën getroffen, ze hebben de elektronica niet omzeild. Microprocessors en geïntegreerde schakelingen zijn op die manier gebouwd. Toonaangevende landen investeren in de verdere ontwikkeling van dit technologische pad - zodat de overgang naar nanoschaal sneller, breder en verder verbetert.

Overigens zijn al enkele successen behaald. Intel kondigde in 2007 aan dat een processor was gebaseerd op een structureel element met een grootte van 45 nm (geïntroduceerd door VIA Nano) en de volgende stap zou zijn om 5 nm te bereiken. IBM gaat 9 nm bereiken dankzij grafeen.

Koolstof nanobuisjes (grafeen) - Een van de meest veelbelovende nanomaterialen voor elektronica. Ze maken het niet alleen mogelijk de transistoren te verkleinen, maar geven de elektronica ook revolutionaire eigenschappen, zowel mechanisch als optisch. Nanobuisjes vangen geen licht op, zijn mobiel, behouden de elektronische eigenschappen van circuits.

Vooral creatieve optimisten kijken er al naar uit om draagbare computers te maken die als een krant uit een zak kunnen worden getrokken, of in de vorm van een armband aan de hand kunnen worden gedragen en, indien gewenst, kunnen worden uitgebreid als een krant, en de hele computer zal zijn als een opvouwbare hoge-resolutie touchscreen-papierdikte.

Een ander vooruitzicht voor de toepassing van nanotechnologie en het gebruik van nanomaterialen is de ontwikkeling en creatie van harde schijven van de volgende generatie.In 2007 ontvingen Albert Firth en Peter Grunberg de Nobelprijs voor de ontdekking van het kwantummechanische effect van ultrahoge magnetische weerstand (GMR-effect), wanneer dunne metaalfilms van afwisselende geleidende en ferromagnetische lagen hun magnetische weerstand aanzienlijk veranderen met een verandering in de wederzijdse magnetisatierichting.

Door de magnetisatie van de structuur te regelen met behulp van een extern magnetisch veld, is het mogelijk om zo nauwkeurige magnetische veldsensoren te maken en een dergelijke nauwkeurige registratie op de informatiedrager uit te voeren dat de opslagdichtheid ervan het atomaire niveau zal bereiken.

Nano-elektronica en plasmatronics zijn niet omzeild. Collectieve trillingen van vrije elektronen in een metaal hebben een karakteristieke plasmonresonantiegolflengte van ongeveer 400 nm (voor een zilverdeeltje van 50 nm groot). We kunnen aannemen dat de ontwikkeling van nanoplasmonica begon in 2000, toen de vooruitgang bij het verbeteren van de technologie voor het maken van nanodeeltjes versnelde.

Het bleek dat het mogelijk is om een ​​elektromagnetische golf over een keten van metalen nanodeeltjes te verzenden, opwindende plasmonoscillaties. Een dergelijke technologie zal het mogelijk maken om logische schakelingen in computertechnologie te introduceren die veel sneller kunnen werken en meer informatie kunnen doorgeven dan traditionele optische systemen, en de grootte van de systemen zal veel kleiner zijn dan de geaccepteerde optische.

De leiders op het gebied van nano-elektronica en elektronica in het algemeen zijn tegenwoordig Taiwan, Zuid-Korea, Singapore, China, Duitsland, Engeland en Frankrijk.

De modernste elektronica wordt tegenwoordig in de VS vervaardigd en de meest massieve fabrikant van hightech elektronica is Taiwan, dankzij investeringen van Japanse en Amerikaanse bedrijven.

China is een traditionele leider op het gebied van budgetelektronica, maar hier verandert de situatie geleidelijk: goedkope arbeid trekt investeerders aan van hightechbedrijven die van plan zijn hun nanoproductie in China te vestigen.

Rusland heeft ook een goed potentieel. De basis op het gebied van microgolf, stralingsstructuren, fotodetectors, zonnepanelen en vermogenselektronica maakt in principe de oprichting van wetenschapssteden in de nanotechnologie en hun ontwikkeling mogelijk.

Dit potentieel vereist economische omstandigheden en organisatie voor fundamenteel onderzoek en wetenschappelijke ontwikkeling. Al het andere is: de technologische basis, veelbelovend personeel en een gekwalificeerde wetenschappelijke omgeving. Alleen grote investeringen zijn nodig, en dit blijkt vaak de achilleshiel te zijn ...

Een voorbeeld van de toepassing van nanotechnologie:Nanoantennes voor het ontvangen van zonne-energie