15-05-2019, 06:46 PM
کاربرد نانو تکنولوژی در کامپیوتر و الکترونیک؛ انقلابی در فناوری نانو
هدف از نگارش این نوشتار، مرور یکی از روش های بکارگیری فناوری نانو است. برای مثال این فناوری نسبتاً نو، در کامپیوتر و قطعات الکترونیکی کاربرد بسیاری دارد. از مثالی که ریچارد فایمن در سخنرانی خود استفاده کرد، شروع می کنیم. در واقع با این مثال میخواهیم ابعاد و اندازه های نانویی را با اندازه های خیلی کوچکی که تکنولوژی آنها هم اکنون در دسترس است، مقایسه بکنیم. او که جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت کرده بود، در کنفرانس سال 1960 تحت عنوان «فضای زیادی وجود دارد» به بحث در مورد توانایی ها و امکان ساخت مواد نانو مقیاس پرداخت. او به گونه ای خیال پردازانه، خطوطی حکاکی شده با به کارگیری باریکۀ الکترونی و با عرضی به اندازۀ چند اتم را فرض کرد که در واقع وجود لیتوگرافی توسط باریکۀ الکترونی را پیش بینی می کرد. در واقع فاینمن با این سوال شروع کرد: "چرا نمی توانیم بیست و نه پوشینۀ دایره المعارف بریتانیکا را به سر یک سوزن بنویسیم؟" و ادامه داد "قطر ته سوزن 1/16 اینچ است. اگر آن را بیست و پنج هزار بار بزرگ کنیم سطح آن با کل سطح صفحات دایره المعارف برابر می شود. پس کافی است همه نوشته ها را بیست و پنج هزار بار کوچک کنیم." اگر چه اندیشه های فاینمن بازتاب چندانی توسط دانشمندان آن زمان نداشت؛ هم اکنون بسیاری از فرضیات او به واقعیت پیوسته اند.
ریچارد فاینمن به پاس کمک های شایانش به الکترودینامیک کوانتومی (موضوعی بسیار دور از فناوری نانو) جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت کرده بود. همگام با او، رویا پردازان دیگری نیز مشغول به فعالیت بودند. راف لندور فیزیکدانی نظری بود که در سال 1957 برای IBM کار می کرد. وی ایده هایی در پیرامون نانو الکترونیک داشت و به ارزش اثرات مکانیک کوانتومی در این زمینه پی برده بود.
1. الکترونیک و فناوری اطلاعات
انقلاب اطلاعات، جهان پیرامون ما را به شیوۀ گسترده ای تحت تاثیر قرار داده است و هوده های آن از اثرات انقلاب صنعتی نیز پیشی گرفته است. کلید توسعه و پیشرفت در فناوری اطلاعات، دستیابی به رایانه هایی با توان بیشتر، حجم کوچک تر و قیمت ارزان تر است. در ادامه به کاربردهای بیشتری از این فناوری در الکترونیک و کامپیوتر می پردازیم.
2.1 ذخیره سازی و حافظه ها
با استفاده از این فناوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد هزار برابر یا بیشتر افزایش داد. ذخیره سازی اطلاعات مبحثی بسیار مهم و ضروری است که می تواند به روش های مختلفی انجام شود. هم اکنون ظرفیت دیسک های مغناطیسی رایانه ها با استفاده از قانون مور افزایش یافته است و بازاری در حدود چهل میلیارد دلار را در اختیار دارد.
2.1 ساخت ماشین های شبیه سازنده
نانو کامپیوتر و نانو اسمبلر، دو مفهوم جدیدی هستند که در "علم نانو" مطرح می شوند. ساخت نانو اسمبلر در واقع یک هدف نهایی و مهم در نانو تکنولوژی است. نانو اسمبلر در واقع امکان تهیۀ ماشین یا مکانیک ساختاری شبیه خودش را به وجود می آورد. زمانی که یک نانو اسمبلر کامل در دسترس باشد تقریباً همه چیز ممکن می شود و این مهمترین و بزرگترین خواسته دانشمندان نانو تکنولوژی است. کدام ساده تر است؛ تهیه کپی از ماشین، یا تهیۀ ماشینی که خودش را کپی کند؟ در مقیاس ماکرو مولکولی ساختن یک کپی خیلی ساده تر از ساختن ماشینی است که بتواند خودش را کپی کند اما در تراز مولکولی این مساله واژگونه است؛ یعنی ساختن ماشینی که بتواند خود را کپی کند کار را برای ما بارها ساده تر از ساختن ماشین دیگر می کند و این مهم ترین کاربرد نانو اسمبلر می باشد. به این ترتیب ساختن اتوماتیک محصولات بدون نیروی کار سنتی، همانند عمل کپی در ماشین های زیراکس، آسان می شود.
3.1 نیمه هادی ها؛ اساس صنعت الکترونیک کنونی
مطابق قانون مور، نعداد ترانزیستور ها در یک مدار الکترونیکی، در هر 12 تا 24 ماه دو برابر می شود. به این معنی که مدارها با گذر زمان فشرده و پیچیده تر خواهند شد. اگر چه این قانون در دهه های گذشته راست بود، اما فناوری لیتوگرافی با محدودیت برای کوچک تر کردن عناصر است؛ به طوری که پیش بینی می شود صنعت نیمه هادی در 10 سال آینده به مرز کوچک سازی برسد. به این ترتیب نیاز است که فناوری جدیدی وارد عمل شود تا کوچک سازی مدارها را انجام دهد. از دهۀ 1920 دانشمندان دریافتند که ویژگی های مواد مانند استحکام و قابلیت هدایت الکتریکی با ساختار اتمی و مولکولی آنها تعیین می شود. بعد ها دانش فوق منجر به ساخت مواد نیمه هادی شد که پایۀ صنعت الکترونیک کنونی است. در صنعت کامپیوتر، قابلیت نانو ماشین ها برای کوچک کردن ترانزیستورها رو تراشه های سیلیکونی می تواند انقلابی در این زمینه بوجود آورد. به این ترتیب نیاز است که فناوری نو و تازه ای بکارگرفته شود تا کوچک سازی مدارها را انجام دهد.
4.3.1 ابر خازن های الکتروشیمیایی
ابر خازنها دارای ظرفیت بالایی می باشند و به صورت بالقوه قابل استفاده در قطعه های الکترونیکی هستند. این ابر خازن ها دارای دو الکترود هستند که به وسیلۀ یک مادۀ عایق که در قطعه های الکترو شیمیایی دارای رسانایی یونی می باشد، از هم جدا می شوند. ظرفیت یک ابر خازن شیمیایی نسبت واژگونه با بار روی الکترود، و شمارگر بار در الکترولیت دارد. از ابر خازن های نانو لوله، برای ذخیرۀ انرژی استفاده می شود. به طور کلی گفته می شود که توجه بیشتر در این مورد، با ذخیرۀ بار فرق می کند.
2. الکترونیک مولکولی
2.1 نانو تیوب های کربنی در نانو الکترونیک
نانو تیوب های کربنی دارای کاربردهای بسیار در زمینۀ نانو الکترونیک و همچنین نانو کامپیوترها دارند. از کاربردهای بی شمار نانو لوله ها می توان به کارگیری به عنوان عایق، رسانا و نیمه رسانا و یا نیمه هادی استفاده کرد.
2.1.2 خواص رسانایی الکتریکی در نانو تیوب ها
نانو لوله ها بسته به بردار کایرالشان رسانندگی متفاوتی از خود نشان می دهند. البته رسانایی آنها به قطر نانو لوله ها نیز بستگی دارد؛ به این صورت که نانو لوله هایی با قطر کوچک، رسانا یا نیمه رسانا هستند. نانو لوله های تک دیواره با بردارهای کایرال متفاوت، ویژگی های متفاوت با یکدیگر دارند. از جمله فعالیت اُپتیکی، استحکام مکانیکی و هدایت الکتریکی آن ها با هم فرق دارد. از انواع نانو لوله ها از نگر رسانایی، نانو تیوب های زیگزاگ، آرمیچر و نا متقارن هستند. همه ی ساختارهای ممکن نانو لوله تک دیواره با بردارهای کایرال با انتقال یافتن دو محدوده ای که در شکل نشان داده شده است می تواند شکل گیرد، که n و m صحیح اند و در نانو لوله های زیگزاگ، θ<30 یا m≤n می باشد. جهت محور نانو لوله عمود بر بردار کایرال است. Ch در نانو لوله های کربنی ازna1+ma2 به دست می آید که a1 و a2 بردارهای شبکه و کوچکترین قطرهای شش ضلعی نانو لوله ها هستند و m و nاعدادی صحیح اند. بردار کایرال با بردار Ch = na1+ma2 و زاویۀ کایرال با محور زیگزاگ تعریف می شود.
2.4.1 انواع نانو لوله ها از نگر رسانایی
اگر زاویۀ 0=θ یا n,0 ، نانو لوله از نوع زیگزاگ خواهد بود. در صورتی که (n-m)/3 شماری صحیح باشد نانو لوله از نوع فلزی است. در غیر این صورت از نوع نیمه هادی است.
در صورتی که 30=θ یا n≤m باشد، نانو لوله از نوع آرمیچر خواهد بود. نانو لوله های آرمیچر همه از نوع فلزی هستند.
در غیر از این دو حالت فوق، نانو لوله از نوع متقارن یا کایرال است که دارای خواص رسانایی بسیار کمی می باشد. n≠m , n≠0
2.2 الکترونیک مولکولی با نانو لوله ها
مثال هایی از کاربرد بالقوۀ نانو لوله ها به عنوان قطعه های گسیلندۀ میدانی را می توان نمایش دهنده های صفحات تخت، لوله های تخلیۀ گاز در شبکه های مخابراتی، تفنگ های الکترونی برای میکروسکوپ الکترونی، سوزن های میکروسکوپ اتمی روبشی و تقویت کننده های میکرو موج نام برد.
3.2سیستم های نانو الکترو مکانیکی (NEMS)
سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) عمدتاً مانند ویفرهای سیلیکونی به روش فتولیتوگرافی ساخته می شوند. این سیستم ها در ابزارهایی مانند سنسورها، پمپ ها و روتورها استفاده می شوند. در حال حاضر، MEMS یک صنعت 11 میلیارد دلاری است. در این زمینه حرکت از مقیاس میکرو به سمت نانو، امکانات و قابلیت های جدیدی را برای سیستم های الکترومکانیکی ایجاد می کند. با وجود این، فقدان انگیزه های کافی اقتصادی برای کوچک کردن ماشین ها تا مقیاس نانو، باعث شده است که تکامل سیستم های نانو الکترومکانیکی از روند آرامی برخوردار باشد.
یکی از اهداف نانو فناوری پیشرفت در زمینۀ الکترونیک و علوم کامپیوتر، برای ساخت حافظه ها و تراشه ها با قابلیت بیشتر، و هزینۀ کمتر است. همان طور که در بالا توضیح داده شد، دستیابی به اهداف در این زمینه نقص های بسیاری در ماشین ها را برطرف خواهد کرد. به خصوص حافظه ها و اسمبلرها، که انقلاب عظیمی در صنعت الکترونیک، در حوزۀ فناوری نانو خواهد بود.
هدف از نگارش این نوشتار، مرور یکی از روش های بکارگیری فناوری نانو است. برای مثال این فناوری نسبتاً نو، در کامپیوتر و قطعات الکترونیکی کاربرد زیادی دارد خصوصاً ساخت رباتها و ابرکامپیوترها ...
هدف از نگارش این نوشتار، مرور یکی از روش های بکارگیری فناوری نانو است. برای مثال این فناوری نسبتاً نو، در کامپیوتر و قطعات الکترونیکی کاربرد بسیاری دارد. از مثالی که ریچارد فایمن در سخنرانی خود استفاده کرد، شروع می کنیم. در واقع با این مثال میخواهیم ابعاد و اندازه های نانویی را با اندازه های خیلی کوچکی که تکنولوژی آنها هم اکنون در دسترس است، مقایسه بکنیم. او که جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت کرده بود، در کنفرانس سال 1960 تحت عنوان «فضای زیادی وجود دارد» به بحث در مورد توانایی ها و امکان ساخت مواد نانو مقیاس پرداخت. او به گونه ای خیال پردازانه، خطوطی حکاکی شده با به کارگیری باریکۀ الکترونی و با عرضی به اندازۀ چند اتم را فرض کرد که در واقع وجود لیتوگرافی توسط باریکۀ الکترونی را پیش بینی می کرد. در واقع فاینمن با این سوال شروع کرد: "چرا نمی توانیم بیست و نه پوشینۀ دایره المعارف بریتانیکا را به سر یک سوزن بنویسیم؟" و ادامه داد "قطر ته سوزن 1/16 اینچ است. اگر آن را بیست و پنج هزار بار بزرگ کنیم سطح آن با کل سطح صفحات دایره المعارف برابر می شود. پس کافی است همه نوشته ها را بیست و پنج هزار بار کوچک کنیم." اگر چه اندیشه های فاینمن بازتاب چندانی توسط دانشمندان آن زمان نداشت؛ هم اکنون بسیاری از فرضیات او به واقعیت پیوسته اند.
ریچارد فاینمن به پاس کمک های شایانش به الکترودینامیک کوانتومی (موضوعی بسیار دور از فناوری نانو) جایزۀ نوبل فیزیک را دریافت کرده بود. همگام با او، رویا پردازان دیگری نیز مشغول به فعالیت بودند. راف لندور فیزیکدانی نظری بود که در سال 1957 برای IBM کار می کرد. وی ایده هایی در پیرامون نانو الکترونیک داشت و به ارزش اثرات مکانیک کوانتومی در این زمینه پی برده بود.
1. الکترونیک و فناوری اطلاعات
انقلاب اطلاعات، جهان پیرامون ما را به شیوۀ گسترده ای تحت تاثیر قرار داده است و هوده های آن از اثرات انقلاب صنعتی نیز پیشی گرفته است. کلید توسعه و پیشرفت در فناوری اطلاعات، دستیابی به رایانه هایی با توان بیشتر، حجم کوچک تر و قیمت ارزان تر است. در ادامه به کاربردهای بیشتری از این فناوری در الکترونیک و کامپیوتر می پردازیم.
2.1 ذخیره سازی و حافظه ها
با استفاده از این فناوری می توان ظرفیت ذخیره سازی اطلاعات را در حد هزار برابر یا بیشتر افزایش داد. ذخیره سازی اطلاعات مبحثی بسیار مهم و ضروری است که می تواند به روش های مختلفی انجام شود. هم اکنون ظرفیت دیسک های مغناطیسی رایانه ها با استفاده از قانون مور افزایش یافته است و بازاری در حدود چهل میلیارد دلار را در اختیار دارد.
2.1 ساخت ماشین های شبیه سازنده
نانو کامپیوتر و نانو اسمبلر، دو مفهوم جدیدی هستند که در "علم نانو" مطرح می شوند. ساخت نانو اسمبلر در واقع یک هدف نهایی و مهم در نانو تکنولوژی است. نانو اسمبلر در واقع امکان تهیۀ ماشین یا مکانیک ساختاری شبیه خودش را به وجود می آورد. زمانی که یک نانو اسمبلر کامل در دسترس باشد تقریباً همه چیز ممکن می شود و این مهمترین و بزرگترین خواسته دانشمندان نانو تکنولوژی است. کدام ساده تر است؛ تهیه کپی از ماشین، یا تهیۀ ماشینی که خودش را کپی کند؟ در مقیاس ماکرو مولکولی ساختن یک کپی خیلی ساده تر از ساختن ماشینی است که بتواند خودش را کپی کند اما در تراز مولکولی این مساله واژگونه است؛ یعنی ساختن ماشینی که بتواند خود را کپی کند کار را برای ما بارها ساده تر از ساختن ماشین دیگر می کند و این مهم ترین کاربرد نانو اسمبلر می باشد. به این ترتیب ساختن اتوماتیک محصولات بدون نیروی کار سنتی، همانند عمل کپی در ماشین های زیراکس، آسان می شود.
3.1 نیمه هادی ها؛ اساس صنعت الکترونیک کنونی
مطابق قانون مور، نعداد ترانزیستور ها در یک مدار الکترونیکی، در هر 12 تا 24 ماه دو برابر می شود. به این معنی که مدارها با گذر زمان فشرده و پیچیده تر خواهند شد. اگر چه این قانون در دهه های گذشته راست بود، اما فناوری لیتوگرافی با محدودیت برای کوچک تر کردن عناصر است؛ به طوری که پیش بینی می شود صنعت نیمه هادی در 10 سال آینده به مرز کوچک سازی برسد. به این ترتیب نیاز است که فناوری جدیدی وارد عمل شود تا کوچک سازی مدارها را انجام دهد. از دهۀ 1920 دانشمندان دریافتند که ویژگی های مواد مانند استحکام و قابلیت هدایت الکتریکی با ساختار اتمی و مولکولی آنها تعیین می شود. بعد ها دانش فوق منجر به ساخت مواد نیمه هادی شد که پایۀ صنعت الکترونیک کنونی است. در صنعت کامپیوتر، قابلیت نانو ماشین ها برای کوچک کردن ترانزیستورها رو تراشه های سیلیکونی می تواند انقلابی در این زمینه بوجود آورد. به این ترتیب نیاز است که فناوری نو و تازه ای بکارگرفته شود تا کوچک سازی مدارها را انجام دهد.
4.3.1 ابر خازن های الکتروشیمیایی
ابر خازنها دارای ظرفیت بالایی می باشند و به صورت بالقوه قابل استفاده در قطعه های الکترونیکی هستند. این ابر خازن ها دارای دو الکترود هستند که به وسیلۀ یک مادۀ عایق که در قطعه های الکترو شیمیایی دارای رسانایی یونی می باشد، از هم جدا می شوند. ظرفیت یک ابر خازن شیمیایی نسبت واژگونه با بار روی الکترود، و شمارگر بار در الکترولیت دارد. از ابر خازن های نانو لوله، برای ذخیرۀ انرژی استفاده می شود. به طور کلی گفته می شود که توجه بیشتر در این مورد، با ذخیرۀ بار فرق می کند.
2. الکترونیک مولکولی
2.1 نانو تیوب های کربنی در نانو الکترونیک
نانو تیوب های کربنی دارای کاربردهای بسیار در زمینۀ نانو الکترونیک و همچنین نانو کامپیوترها دارند. از کاربردهای بی شمار نانو لوله ها می توان به کارگیری به عنوان عایق، رسانا و نیمه رسانا و یا نیمه هادی استفاده کرد.
2.1.2 خواص رسانایی الکتریکی در نانو تیوب ها
نانو لوله ها بسته به بردار کایرالشان رسانندگی متفاوتی از خود نشان می دهند. البته رسانایی آنها به قطر نانو لوله ها نیز بستگی دارد؛ به این صورت که نانو لوله هایی با قطر کوچک، رسانا یا نیمه رسانا هستند. نانو لوله های تک دیواره با بردارهای کایرال متفاوت، ویژگی های متفاوت با یکدیگر دارند. از جمله فعالیت اُپتیکی، استحکام مکانیکی و هدایت الکتریکی آن ها با هم فرق دارد. از انواع نانو لوله ها از نگر رسانایی، نانو تیوب های زیگزاگ، آرمیچر و نا متقارن هستند. همه ی ساختارهای ممکن نانو لوله تک دیواره با بردارهای کایرال با انتقال یافتن دو محدوده ای که در شکل نشان داده شده است می تواند شکل گیرد، که n و m صحیح اند و در نانو لوله های زیگزاگ، θ<30 یا m≤n می باشد. جهت محور نانو لوله عمود بر بردار کایرال است. Ch در نانو لوله های کربنی ازna1+ma2 به دست می آید که a1 و a2 بردارهای شبکه و کوچکترین قطرهای شش ضلعی نانو لوله ها هستند و m و nاعدادی صحیح اند. بردار کایرال با بردار Ch = na1+ma2 و زاویۀ کایرال با محور زیگزاگ تعریف می شود.
2.4.1 انواع نانو لوله ها از نگر رسانایی
اگر زاویۀ 0=θ یا n,0 ، نانو لوله از نوع زیگزاگ خواهد بود. در صورتی که (n-m)/3 شماری صحیح باشد نانو لوله از نوع فلزی است. در غیر این صورت از نوع نیمه هادی است.
در صورتی که 30=θ یا n≤m باشد، نانو لوله از نوع آرمیچر خواهد بود. نانو لوله های آرمیچر همه از نوع فلزی هستند.
در غیر از این دو حالت فوق، نانو لوله از نوع متقارن یا کایرال است که دارای خواص رسانایی بسیار کمی می باشد. n≠m , n≠0
2.2 الکترونیک مولکولی با نانو لوله ها
مثال هایی از کاربرد بالقوۀ نانو لوله ها به عنوان قطعه های گسیلندۀ میدانی را می توان نمایش دهنده های صفحات تخت، لوله های تخلیۀ گاز در شبکه های مخابراتی، تفنگ های الکترونی برای میکروسکوپ الکترونی، سوزن های میکروسکوپ اتمی روبشی و تقویت کننده های میکرو موج نام برد.
3.2سیستم های نانو الکترو مکانیکی (NEMS)
سیستم های میکروالکترومکانیکی (MEMS) عمدتاً مانند ویفرهای سیلیکونی به روش فتولیتوگرافی ساخته می شوند. این سیستم ها در ابزارهایی مانند سنسورها، پمپ ها و روتورها استفاده می شوند. در حال حاضر، MEMS یک صنعت 11 میلیارد دلاری است. در این زمینه حرکت از مقیاس میکرو به سمت نانو، امکانات و قابلیت های جدیدی را برای سیستم های الکترومکانیکی ایجاد می کند. با وجود این، فقدان انگیزه های کافی اقتصادی برای کوچک کردن ماشین ها تا مقیاس نانو، باعث شده است که تکامل سیستم های نانو الکترومکانیکی از روند آرامی برخوردار باشد.
یکی از اهداف نانو فناوری پیشرفت در زمینۀ الکترونیک و علوم کامپیوتر، برای ساخت حافظه ها و تراشه ها با قابلیت بیشتر، و هزینۀ کمتر است. همان طور که در بالا توضیح داده شد، دستیابی به اهداف در این زمینه نقص های بسیاری در ماشین ها را برطرف خواهد کرد. به خصوص حافظه ها و اسمبلرها، که انقلاب عظیمی در صنعت الکترونیک، در حوزۀ فناوری نانو خواهد بود.
