Co je nanoelektronika a jak to funguje

Oblast elektroniky zabývající se vývojem technologických a fyzických základů pro konstrukci integrovaných elektronických obvodů s velikostí prvků méně než 100 nanometrů se nazývá nanoelektronika. Termín „nanoelektronika“ sám o sobě odráží přechod od mikroelektroniky moderních polovodičů, kde jsou velikosti prvků měřeny v jednotkách mikrometrů, na menší prvky - s velikostí desítek nanometrů.

S přechodem na nanoměry začnou v schématech dominovat kvantové efekty, které odhalují mnoho nových vlastností, a podle toho označují vyhlídky na jejich užitečné využití. A pokud pro mikroelektroniku kvantové efekty často zůstaly parazitární, protože například při zmenšování velikosti tranzistoru začíná efekt tunelu zasahovat do jeho činnosti, pak je nanoelektronika naopak vyzvána, aby použila takové efekty jako základ pro nanoheterostrukturovanou elektroniku.

Každý z nás používá elektroniku každý den a mnoho lidí si jistě už všimlo určitých definitivních trendů. Paměť v počítačích roste, procesory se stávají produktivnějšími a zmenšuje se velikost zařízení. Jaký je důvod?

Především se změnou fyzických rozměrů prvků mikroobvodů, ze kterých jsou v podstatě všechna elektronická zařízení postavena. Ačkoli fyzika procesů zůstává dnes přibližně stejná, velikost zařízení se zmenšuje a zmenšuje. Velké polovodičové zařízení pracuje pomaleji a spotřebovává více energie a nanotransistor - a pracuje rychleji a spotřebovává méně energie.

Je známo, že všechna hmotná těla jsou složena z atomů. A proč elektronika nedosáhne atomové stupnice? Tato nová oblast elektroniky umožní řešit takové problémy, které na konvenční silikonové bázi prostě zásadně nemožné to vyřešit.

Velký zájem je o grafen a podobné monovrstvové materiály (viz článek - Neočekávané vlastnosti známého uhlíku) Takové materiály, tlusté jedním atomem, mají pozoruhodné vlastnosti, které lze kombinovat a vytvářet různé elektronické obvody.

Například technologie související se sondovou mikroskopií umožňují konstrukci různých struktur jednotlivých atomů na povrchu vodiče v ultra vysokém vakuu jejich pouhým přeskupením. Co není základem pro vytváření monatomických elektronických zařízení?

Manipulace s hmotou na molekulární úrovni již ovlivnily mnoho průmyslových odvětví, neobešly elektroniku. Mikroprocesory a integrované obvody jsou postaveny tímto způsobem. Přední země investují do dalšího rozvoje této technologické cesty - aby přechod k nanoměřítku probíhal rychleji, širěji a dále se zlepšoval.

Mimochodem, již bylo dosaženo některých úspěchů. Intel v roce 2007 oznámil, že byl vyvinut procesor založený na strukturálním prvku o velikosti 45 nm (představen VIA Nano) a dalším krokem by mělo být dosažení 5 nm. IBM bude díky grafenu dosáhnout 9 nm.

Uhlíkové nanotrubice (grafen) - Jeden z nejslibnějších nanomateriálů pro elektroniku. Umožňují nejen zmenšit velikost tranzistorů, ale také dát elektronice skutečně revoluční vlastnosti, mechanické i optické. Nanotrubice nezachytávají světlo, jsou mobilní, zachovávají elektronické vlastnosti obvodů.

Obzvláště kreativní optimisté se již těší na vytváření přenosných počítačů, které lze vytáhnout z kapsy jako noviny nebo nosit ve formě náramku na ruce, a v případě potřeby lze nasadit jako noviny a celý počítač bude jako skládací papír s dotykovou obrazovkou s vysokým rozlišením.

Další vyhlídkou na použití nanotechnologií a využití nanomateriálů je vývoj a tvorba pevných disků nové generace.V roce 2007 obdrželi Albert Fert a Peter Grünberg Nobelovu cenu za objev kvantového mechanického účinku ultravysokého magnetického odporu (GMR efekt), kdy tenké vrstvy kovu ze střídavých vodivých a feromagnetických vrstev výrazně změnily svůj magnetický odpor změnou ve vzájemném směru magnetizace.

Řízením magnetizace struktury pomocí vnějšího magnetického pole je možné vytvořit tak přesné senzory magnetického pole a provést tak přesný záznam na informačním nosiči, že jeho paměťová hustota dosáhne atomové úrovně.

Nanoelektronika a plazmatronika se neobešly. Kolektivní vibrace volných elektronů uvnitř kovu mají charakteristickou vlnovou délku plazmonové rezonance asi 400 nm (pro stříbrnou částici o velikosti 50 nm). Můžeme předpokládat, že vývoj nanoplasmonů začal v roce 2000, kdy se urychlil pokrok ve zlepšování technologie vytváření nanočástic.

Ukázalo se, že je možné přenášet elektromagnetickou vlnu podél řetězce kovových nanočástic, což vzrušuje plazmonové oscilace. Taková technologie umožní zavedení logických obvodů do počítačové technologie, která může pracovat mnohem rychleji a předávat více informací než tradiční optické systémy, a velikost systémů bude mnohem menší než akceptované optické systémy.

Vůdci v oblasti nanoelektroniky a elektroniky obecně jsou dnes Tchaj-wan, Jižní Korea, Singapur, Čína, Německo, Anglie a Francie.

Nejmodernější elektronika se dnes vyrábí v USA a nejmasivnějším výrobcem high-tech elektroniky je Tchaj-wan, díky investicím japonských a amerických společností.

Čína je tradičním lídrem v oblasti rozpočtové elektroniky, ale tady se situace postupně mění: levná pracovní síla přitahuje investory z high-tech společností, které plánují založit svou nanoprodukci v Číně.

Rusko má také dobrý potenciál. Základna v oblasti mikrovln, radiačních struktur, fotodetektorů, solárních panelů a výkonové elektroniky v zásadě umožňuje vytváření nanotechnologických vědeckých měst a jejich rozvoj.

Tento potenciál vyžaduje ekonomické podmínky a organizaci pro základní výzkum a vědecký vývoj. Všechno ostatní je: technologická základna, nadějný personál a kvalifikované vědecké prostředí. Jsou zapotřebí pouze velké investice, a to se často stává Achillovou patou ...

Příklad použití nanotechnologií:Nanoantennas pro příjem sluneční energie