stringtranslate.com

Наноэлектроника

Наноэлектроника относится к использованию нанотехнологий в электронных компонентах. Термин охватывает разнообразный набор устройств и материалов, общей характеристикой которых является то, что они настолько малы, что межатомные взаимодействия и квантово-механические свойства требуют тщательного изучения. Некоторые из этих кандидатов включают: гибридную молекулярную/ полупроводниковую электронику, одномерные нанотрубки / нанопровода (например, кремниевые нанопровода или углеродные нанотрубки ) или передовую молекулярную электронику .

Наноэлектронные устройства имеют критические размеры с диапазоном размеров от 1 нм до 100 нм. [1] Последние поколения технологии кремниевых MOSFET (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор или МОП-транзистор) уже находятся в этом режиме, включая 22-нанометровые узлы КМОП (комплементарные МОП) и последующие поколения 14 нм , 10 нм и 7 нм FinFET (плавниковый полевой транзистор). Наноэлектронику иногда считают прорывной технологией, поскольку нынешние кандидаты существенно отличаются от традиционных транзисторов .

Фундаментальные концепции

В 1965 году Гордон Мур заметил, что кремниевые транзисторы подвергаются непрерывному процессу уменьшения масштаба, наблюдение, которое позже было кодифицировано как закон Мура . С момента его наблюдения минимальные размеры элементов транзистора уменьшились с 10 микрометров до диапазона 10 нм по состоянию на 2019 год. Обратите внимание, что технологический узел не представляет напрямую минимальный размер элемента. Область наноэлектроники стремится обеспечить непрерывную реализацию этого закона путем использования новых методов и материалов для создания электронных устройств с размерами элементов в наномасштабе .

Механические проблемы

Объем объекта уменьшается как третья степень его линейных размеров, но площадь поверхности уменьшается только как вторая степень. Этот довольно тонкий и неизбежный принцип имеет существенные разветвления. Например, мощность дрели (или любой другой машины) пропорциональна объему, в то время как трение подшипников и шестерен дрели пропорционально их площади поверхности. Для дрели обычного размера мощности устройства достаточно, чтобы легко преодолеть любое трение. Однако, например, уменьшение ее длины в 1000 раз уменьшает ее мощность в 1000 3 (в миллиард раз), при этом трение уменьшается всего в 1000 2 (в миллион раз). Пропорционально она имеет в 1000 раз меньше мощности на единицу трения, чем исходная дрель. Если исходное отношение трения к мощности было, скажем, 1%, это означает, что у меньшей дрели трение будет в 10 раз больше, чем мощность; дрель бесполезна.

По этой причине, хотя сверхминиатюрные электронные интегральные схемы полностью функциональны, та же технология не может быть использована для создания работающих механических устройств за пределами масштабов, где силы трения начинают превышать доступную мощность. Поэтому, хотя вы можете видеть микрофотографии деликатно вытравленных кремниевых шестеренок, такие устройства в настоящее время представляют собой не более чем диковинки с ограниченными реальными применениями, например, в движущихся зеркалах и затворах. [2] Поверхностное натяжение увеличивается примерно таким же образом, тем самым увеличивая тенденцию очень маленьких объектов к слипанию. Это может сделать любую «микрофабрику» непрактичной: даже если бы роботизированные руки и кисти можно было уменьшить, все, что они подхватят, будет, как правило, невозможно положить. Сказанное выше, молекулярная эволюция привела к работе ресничек , жгутиков , мышечных волокон и роторных двигателей в водной среде, все в наномасштабе. Эти машины используют увеличенные силы трения, обнаруженные в микро- или наномасштабе. В отличие от весла или пропеллера, которые зависят от нормальных сил трения (сил трения, перпендикулярных поверхности) для достижения тяги, реснички развивают движение из преувеличенного сопротивления или ламинарных сил (сил трения, параллельных поверхности), присутствующих в микро- и наноразмерах. Чтобы построить осмысленные «машины» в наномасштабе, необходимо учитывать соответствующие силы. Мы сталкиваемся с разработкой и проектированием внутренне соответствующих машин, а не с простыми репродукциями макроскопических.

Поэтому при оценке нанотехнологий для практического применения необходимо тщательно оценить все вопросы масштабирования.

Подходы

Нанопроизводство

Например, электронные транзисторы, которые включают транзисторную работу на основе одного электрона. Наноэлектромеханические системы также попадают в эту категорию. Нанопроизводство может быть использовано для создания сверхплотных параллельных массивов нанопроводов , как альтернатива синтезу нанопроводов по отдельности. [3] [4] Особое значение в этой области имеют кремниевые нанопровода , которые все чаще изучаются для различных применений в наноэлектронике, преобразовании и хранении энергии. Такие SiNW могут быть изготовлены путем термического окисления в больших количествах для получения нанопроводов с контролируемой толщиной.

Наноматериалы электроника

Помимо того, что они малы и позволяют упаковать больше транзисторов в один чип, однородная и симметричная структура нанопроводов и/или нанотрубок обеспечивает более высокую подвижность электронов (более быстрое движение электронов в материале), более высокую диэлектрическую проницаемость (более высокую частоту) и симметричную характеристику электронов / дырок . [5]

Также наночастицы можно использовать в качестве квантовых точек .

Молекулярная электроника

Электронные устройства с одной молекулой широко исследуются. Эти схемы будут интенсивно использовать молекулярную самосборку , проектируя компоненты устройства для самостоятельного построения более крупной структуры или даже полной системы. Это может быть очень полезно для реконфигурируемых вычислений и может даже полностью заменить существующую технологию FPGA .

Молекулярная электроника [6] — это разрабатываемая технология, которая вселяет надежду на будущие электронные системы атомного масштаба. Многообещающее применение молекулярной электроники было предложено исследователем IBM Ари Авирамом и химиком-теоретиком Марком Ратнером в их работах 1974 и 1988 годов «Молекулы для памяти, логики и усиления» (см. мономолекулярный выпрямитель ). [7] [8]

Многие структуры нанопроводов были изучены в качестве кандидатов для соединения наноэлектронных устройств: нанотрубки из углерода и других материалов, цепочки атомов металлов , цепочки атомов углерода кумулена или полиина [9] и многие полимеры, такие как политиофены .

Другие подходы

Наноионика изучает перенос ионов, а не электронов в наномасштабных системах.

Нанофотоника изучает поведение света в наномасштабе и ставит своей целью разработку устройств, использующих это поведение.

Наноэлектронные устройства

Современные высокотехнологичные производственные процессы основаны на традиционных стратегиях сверху вниз, где нанотехнологии уже были внедрены молча. Критическая шкала длины интегральных схем уже находится на наноуровне (50  нм и ниже) относительно длины затвора транзисторов в ЦП или устройствах DRAM .

Компьютеры

Результат моделирования для формирования инверсионного канала (электронной плотности) и достижения порогового напряжения (IV) в нанопроволочном МОП-транзисторе. Обратите внимание, что пороговое напряжение для этого устройства составляет около 0,45 В.

Наноэлектроника обещает сделать компьютерные процессоры более мощными, чем это возможно при использовании традиционных методов изготовления полупроводников . В настоящее время исследуется ряд подходов, включая новые формы нанолитографии , а также использование наноматериалов, таких как нанопровода или малые молекулы вместо традиционных компонентов CMOS . Полевые транзисторы были изготовлены с использованием как полупроводниковых углеродных нанотрубок [10] , так и гетероструктурированных полупроводниковых нанопроводов (SiNW). [11]

Память для хранения данных

Электронные конструкции памяти в прошлом в значительной степени полагались на формирование транзисторов. Однако исследования в области электроники на основе перекрестных переключателей предложили альтернативу, использующую реконфигурируемые соединения между вертикальными и горизонтальными массивами проводов для создания сверхплотной памяти. Два лидера в этой области — Nantero , которая разработала перекрестную память на основе углеродных нанотрубок под названием Nano-RAM , и Hewlett-Packard , которая предложила использовать мемристорный материал в качестве будущей замены флэш-памяти. [ необходима цитата ]

Примером таких новых устройств является спинтроника . Зависимость сопротивления материала (из-за спина электронов) от внешнего поля называется магнитосопротивлением . Этот эффект может быть значительно усилен (GMR - Giant Magneto-Resistance) для наноразмерных объектов, например, когда два ферромагнитных слоя разделены немагнитным слоем толщиной в несколько нанометров (например, Co-Cu-Co). Эффект GMR привел к сильному увеличению плотности хранения данных на жестких дисках и сделал возможным гигабайтный диапазон. Так называемое туннельное магнитосопротивление (TMR) очень похоже на GMR и основано на спин-зависимом туннелировании электронов через соседние ферромагнитные слои. Оба эффекта GMR и TMR могут быть использованы для создания энергонезависимой основной памяти для компьютеров, такой как так называемая магнитная память с произвольным доступом или MRAM . [ необходима цитата ]

Новые оптоэлектронные устройства

В современных коммуникационных технологиях традиционные аналоговые электрические устройства все чаще заменяются оптическими или оптоэлектронными устройствами из-за их огромной пропускной способности и емкости соответственно. Два многообещающих примера — фотонные кристаллы и квантовые точки . [ требуется ссылка ] Фотонные кристаллы — это материалы с периодическим изменением показателя преломления с постоянной решетки, которая составляет половину длины волны используемого света. Они предлагают выбираемую запрещенную зону для распространения определенной длины волны, таким образом, они напоминают полупроводник, но для света или фотонов вместо электронов . Квантовые точки — это наномасштабные объекты, которые можно использовать, среди прочего, для создания лазеров. Преимущество лазера на квантовых точках перед традиционным полупроводниковым лазером заключается в том, что их излучаемая длина волны зависит от диаметра точки. Лазеры на квантовых точках дешевле и обеспечивают более высокое качество луча, чем обычные лазерные диоды.

Дисплеи

Производство дисплеев с низким потреблением энергии может быть достигнуто с использованием углеродных нанотрубок (CNT) и/или кремниевых нанопроводов . Такие наноструктуры являются электропроводящими и из-за их малого диаметра в несколько нанометров, они могут быть использованы в качестве полевых эмиттеров с чрезвычайно высокой эффективностью для полевых эмиссионных дисплеев (FED). Принцип работы напоминает принцип работы электронно-лучевой трубки , но в гораздо меньшем масштабе длины. [ необходима цитата ]

Квантовые компьютеры

Совершенно новые подходы к вычислениям используют законы квантовой механики для новых квантовых компьютеров, которые позволяют использовать быстрые квантовые алгоритмы. Квантовый компьютер имеет квантовое битовое пространство памяти, называемое «Кубит», для нескольких вычислений одновременно. В наноэлектронных устройствах кубит кодируется квантовым состоянием одного или нескольких спинов электронов. Спин ограничивается либо полупроводниковой квантовой точкой, либо легирующей примесью. [12]

Радиоприемники

Нанорадио были разработаны на основе углеродных нанотрубок . [13]

Производство энергии

Продолжаются исследования по использованию нанопроводов и других наноструктурированных материалов с надеждой на создание более дешевых и эффективных солнечных элементов , чем это возможно с обычными плоскими кремниевыми солнечными элементами. [14] Считается, что изобретение более эффективной солнечной энергии окажет большое влияние на удовлетворение глобальных энергетических потребностей.

Существуют также исследования в области производства энергии для устройств, которые будут работать in vivo , называемых бионаногенераторами. Бионаногенератор — это наноразмерное электрохимическое устройство, подобное топливному элементу или гальваническому элементу , но получающее энергию из глюкозы в крови в живом организме, во многом так же, как организм вырабатывает энергию из пищи . Для достижения эффекта используется фермент , который способен отрывать от глюкозы ее электроны , освобождая их для использования в электрических устройствах. Тело среднего человека теоретически может генерировать 100 Вт электроэнергии (около 2000 пищевых калорий в день) с помощью бионаногенератора. [15] Однако эта оценка верна только в том случае, если вся пища преобразуется в электричество, а человеческому организму постоянно требуется некоторая энергия, поэтому возможная вырабатываемая мощность, вероятно, намного ниже. Электричество , вырабатываемое таким устройством, может питать устройства, встроенные в тело (например, кардиостимуляторы ), или нанороботов, питающихся сахаром . Большая часть исследований бионаногенераторов по-прежнему носит экспериментальный характер, и Лаборатория нанотехнологических исследований Panasonic находится в авангарде.

Медицинская диагностика

Существует большой интерес к созданию наноэлектронных устройств [16] [17] [18] , которые могли бы определять концентрацию биомолекул в реальном времени для использования в качестве медицинской диагностики, [19] таким образом попадая в категорию наномедицины . [20] Параллельное направление исследований направлено на создание наноэлектронных устройств, которые могли бы взаимодействовать с отдельными клетками для использования в фундаментальных биологических исследованиях. [21] Эти устройства называются наносенсорами . Такая миниатюризация наноэлектроники в направлении протеомного зондирования in vivo должна открыть новые подходы к мониторингу здоровья, наблюдению и оборонным технологиям. [22] [23] [24]

Ссылки

  1. ^ Бомонт, Стивен П. (сентябрь 1996 г.). «III–V Наноэлектроника». Микроэлектронная инженерия . 32 (1): 283–295. doi :10.1016/0167-9317(95)00367-3. ISSN  0167-9317.
  2. ^ "Обзор MEMS" . Получено 2009-06-06 .
  3. ^ Мелош, Н.; Букай, Абрам; Диана, Фредерик; Жерардо, Брайан; Бадолато, Антонио; Петров, Пьер; Хит, Джеймс Р. (2003). «Решетки и схемы нанопроволок сверхвысокой плотности». Наука . 300 (5616): 112–5. Бибкод : 2003Sci...300..112M. дои : 10.1126/science.1081940 . PMID  12637672. S2CID  6434777.
  4. ^ Das, S.; Gates, AJ; Abdu, HA; Rose, GS; Picconatto, CA; Ellenbogen, JC (2007). «Проекты для сверхмаленьких наноэлектронных схем специального назначения». IEEE Transactions on Circuits and Systems I. 54 ( 11): 11. doi :10.1109/TCSI.2007.907864. S2CID  13575385.
  5. ^ Goicoechea, J.; Zamarreñoa, CR; Matiasa, IR; Arregui, FJ (2007). «Минимизация фотообесцвечивания самоорганизующихся многослойных систем для сенсорных приложений». Датчики и приводы B: Химические . 126 (1): 41–47. doi :10.1016/j.snb.2006.10.037.
  6. ^ Петти, М. К.; Брайс, М. Р.; Блур, Д. (1995). Введение в молекулярную электронику . Лондон: Эдвард Арнольд. ISBN 978-0-19-521156-6.
  7. ^ Авирам, А.; Ратнер, МА (1974). «Молекулярный выпрямитель». Chemical Physics Letters . 29 (2): 277–283. Bibcode : 1974CPL....29..277A. doi : 10.1016/0009-2614(74)85031-1.
  8. ^ Авирам, А. (1988). «Молекулы для памяти, логики и амплификации». Журнал Американского химического общества . 110 (17): 5687–5692. doi :10.1021/ja00225a017.
  9. ^ Брайс, Мартин Р. (2021). «Обзор функциональных линейных углеродных цепей (олигоинов, полиинов, кумуленов) и их применение в качестве молекулярных проводов в молекулярной электронике и оптоэлектронике». J. Mater. Chem. C. 9 ( 33): 10524–10546. doi : 10.1039/d1tc01406d . ISSN  2050-7526. S2CID  235456429.
  10. ^ Postma, Henk W. Ch.; Teepen, Tijs; Yao, Zhen; Grifoni, Milena; Dekker, Cees (2001). «Одноэлектронные транзисторы на основе углеродных нанотрубок при комнатной температуре». Science . 293 (5527): 76–79. Bibcode :2001Sci...293...76P. doi :10.1126/science.1061797. PMID  11441175. S2CID  10977413.
  11. ^ Сян, Цзе; Лу, Вэй; Ху, Юнцзе; Ву, Юэ; Ян Хао; Либер, Чарльз М. (2006). «Гетероструктуры нанопроволоки Ge / Si как высокоэффективные полевые транзисторы». Природа . 441 (7092): 489–493. Бибкод : 2006Natur.441..489X. дои : 10.1038/nature04796. PMID  16724062. S2CID  4408636.
  12. ^ Ахилли, Симона; Ле, Нгуен Х.; Фратези, Гвидо; Манини, Никола; Онида, Джованни; Турчетти, Марко; Феррари, Джорджио; Шинада, Такахиро; Тании, Такаши; Прати, Энрико (февраль 2021 г.). «Позиционно-контролируемая функционализация вакансий в кремнии одноионно имплантированными атомами германия». Передовые функциональные материалы . 31 (21): 2011175.arXiv : 2102.01390v2 . doi : 10.1002/adfm.202011175. S2CID  231749540.
  13. ^ Дженсен, К.; Уэлдон, Дж.; Гарсия, Х.; Зеттл А. (2007). «Радио на нанотрубках». Nano Lett . 7 (11): 3508–3511. Bibcode : 2007NanoL...7.3508J. doi : 10.1021/nl0721113. PMID  17973438.
  14. ^ Tian, ​​Bozhi; Zheng, Xiaolin; Kempa, Thomas J.; Fang, Ying; Yu, Nanfang; Yu, Guihua; Huang, Jinlin; Lieber, Charles M. (2007). «Коаксиальные кремниевые нанопровода как солнечные элементы и наноэлектронные источники питания». Nature . 449 (7164): 885–889. Bibcode :2007Natur.449..885T. doi :10.1038/nature06181. PMID  17943126. S2CID  2688078.
  15. ^ «Энергия из крови может привести к появлению «человеческих батарей». Sydney Morning Herald . 4 августа 2003 г. Получено 08.10.2008 г.
  16. ^ ЛаВан, ДА; МакГвайр, Терри и Лангер, Роберт (2003). «Маломасштабные системы для доставки лекарств in vivo». Nat. Biotechnol . 21 (10): 1184–1191. doi :10.1038/nbt876. PMID  14520404. S2CID  1490060.
  17. ^ Грейс, Д. (2008). "Специальный репортаж: Новые технологии". Новости производства медицинских изделий . 12 : 22–23. Архивировано из оригинала 2008-06-12.
  18. ^ Сайто, С. (1997). «Углеродные нанотрубки для электронных устройств следующего поколения». Science . 278 (5335): 77–78. doi :10.1126/science.278.5335.77. S2CID  137586409.
  19. ^ Кавальканти, А.; Ширинзаде, Б.; Фрейтас-младший, Роберт А. и Хогг, Тэд (2008). «Архитектура нанороботов для медицинской идентификации целей». Нанотехнологии . 19 (1): 015103(15 стр.). Bibcode : 2008Nanot..19a5103C. doi : 10.1088/0957-4484/19/01/015103. S2CID  15557853.
  20. ^ Ченг, Марк Мин-Ченг; Куда, Джованни; Бунимович Юрий Л; Гаспари, Марко; Хит, Джеймс Р.; Хилл, Хейли Д.; Миркин, Чад А; Нийдам, Джаспер; Терраччано, Роза; Тундат, Томас; Феррари, Мауро (2006). «Нанотехнологии биомолекулярного обнаружения и медицинской диагностики». Современное мнение в области химической биологии . 10 (1): 11–19. дои : 10.1016/j.cbpa.2006.01.006. ПМИД  16418011.
  21. ^ Патольский, Ф.; Тимко, Б. П.; Юй, Г.; Фанг, И.; Грейтак, А. Б.; Чжэн, Г.; Либер, К. М. (2006). «Обнаружение, стимуляция и ингибирование нейронных сигналов с помощью массивов транзисторов на основе нанопроволок высокой плотности». Science . 313 (5790): 1100–1104. Bibcode :2006Sci...313.1100P. doi :10.1126/science.1128640. PMID  16931757. S2CID  3178344.
  22. ^ Frist, WH (2005). «Здравоохранение в 21 веке». N. Engl. J. Med . 352 (3): 267–272. doi : 10.1056/NEJMsa045011 . PMID  15659726.
  23. ^ Кавальканти, А.; Ширинзаде, Б.; Чжан, М. и Кретли, Л. К. (2008). «Архитектура оборудования нанороботов для медицинской обороны» (PDF) . Датчики . 8 (5): 2932–2958. Bibcode : 2008Senso...8.2932C. doi : 10.3390/s8052932 . PMC 3675524. PMID  27879858 . 
  24. ^ Couvreur, P. & Vauthier, C. (2006). «Нанотехнология: интеллектуальный дизайн для лечения сложных заболеваний». Pharm. Res . 23 (7): 1417–1450. doi : 10.1007/s11095-006-0284-8 . PMID  16779701. S2CID  1520698.

Дальнейшее чтение

Внешние ссылки

На Викискладе есть медиафайлы по теме «Наноэлектроника» .