نانو الکترونیک چیست؟ – توضیح به زبان ساده

در سال‌های اخیر و با ظهور نانو تکنولوژی تحول شگرفی در علم الکترونیک رخ داده است. به کاربرد علم نانو در ساخت وسایل الکترونیکی، نانو الکترونیک گفته می‌شود. برای ساخت وسایل نانو الکترونیک، ابتدا باید بدانیم نانوتکنولوژی چیست. مواد در ساختار نانو ویژگی‌های بسیار متفاوتی را از خود نشان می‌دهند. برای آشنایی با این ویژگی‌ها باید از تکنیک‌های مختلفی استفاده کنیم. بنابراین، برای ساخت نانوساختاری با ویژگی مشخص ابتدا باید روش سنتز مناسب را انتخاب کنیم، سپس باید ویژگی‌های الکترونیکی و اپتیکی نانوساختار سنتز شده را با استفاده از تکنیک‌های مختلف بررسی کنیم. در این مطلب، در ادامه یاد می‌گیریم که نانوالکتریک چیست و چه ویژگی‌هایی دارد.

نانو الکترونیک چیست ؟

به کاربرد علم نانو در ساخت وسایل الکترونیکی، نانو الکترونیک می‌گوییم. اندازه اجزای الکترونیکی استفاده شده در نانو الکترونیک، در محدود نانومتر است. توجه به این نکته مهم است که هرچه اندازه قطعات الکترونیکی کوچک‌تر باشد، ساخت آن‌ها سخت‌تر خواهد بود. برای آشنایی بهتر و درک عمیق‌تر نانو الکترونیک، ابتدا در مورد نانوتکنولوژی صحبت می‌کنیم. سپس، کاربرد نانوتکنولوژی در صنعت الکترونیک و مهم‌ترین کاربردهای آن را توضیح می‌دهیم.

فیلم آموزش نانوالکترونیک ۱ – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

برای آن‌که بدانیم نانو الکترونیک چیست، باید ابتدا با مباحث زیر آشنا شویم:

• نانوتکنولوژی
• سیستم‌های «مزوسکوپی» (Mesoscopic)
• دسته‌بندی ساختارهای نانو
• روش‌های مختلف برای سنتز و ساخت ساختارهای نانو
• روش‌های مختلف برای مشخصه‌یابی و شناخت ساختارهای نانو
• سیستم‌های دوبعدی الکترونیکی مانند MOSFET و چاه‌های پتانسیل کوانتومی
• انتقال بار در ساختارهای نانو
• وسایل مختلف نانو الکترونیک

در ادامه، در مورد هر یک از مباحث فوق برای درک بهتر مفهوم نانو الکترونیک، صحبت می‌کنیم.

نانوتکنولوژی چیست؟

جهان به سمت کوچک شدن پیش می‌رود. روزانه در اطراف خود اجسام زیادی را مشاهده می‌کنیم. آیا جهان محدود به آنچه می‌بینیم می‌شود؟ خیر. جهانی که آن را می‌بینیم، جهان ماکروسکوپی نام دارد. اما، جهان دیگری نیز وجود دارد که نمی‌توان آن را دید، جهان میکروسکوپی. دنیای میکروسکوپی دنیایی عجیب و بسیار زیبا است. در این بخش در مورد دنیای میکروسکوپی در مقیاس نانو صحبت می‌کنیم. هر نانومتر برابر $$10 ^ {- 9 }$$ متر است. جهان در این مقیاس بسیار کوچک، پیچیده و زیبا می‌شود. به هر تکنولوژی در مقیاس نانو که کاربردی در دنیای واقعی داشته باشد، نانوتکنولوژی می‌گوییم.

فیلم آموزش مبانی نانوفیزیک + مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

در این شاخه از علم تلاش می‌کنیم مواد و اجسام مختلف را در مقیاس نانو بسازیم. برای آن‌که بدانیم اندازه اجسام در مقیاس نانو تا چه اندازه کوچک است، از مثالی آشنا استفاده می‌کنیم. اندازه نوک خودکار برابر چند میلیون نانومتر است. ضخامت ورقی از دفتر برابر ۷۵۰۰۰ نانومتر یا ضخامت موی انسان در حدود ۵۰۰۰۰ نانومتر است. اگر یک نانومتر برابر اندازه توپ فوتبال باشد، اندازه ویروس کرونا برابر مردی بالغ، اندازه دونات برابر شهر نیوزلند و اندازه مرغ برابر اندازه زمین خواهد بود.

یک نانومتر بسیار کوچک و برابر مقیاس اتمی است. چرا اندازه در مقیاس نانو بسیار مهم است یا چرا به دنبال کوچک کردن اجسام تا مقیاس نانو هستیم. با رفتن به مقیاس نانو با دنیای جدید و شگفت‌انگیزی آشنا می‌شویم. با رفتن به دنیای نانو با پدیده‌هایی در فیزیک روبرو می‌شویم که در هیچ مقیاس دیگری مشاهده نمی‌شوند. با استفاده از تکنولوژی و علم نانو می‌توانیم جهان پیرامون خود را شکل دهیم. هر چیزی در جهان از اتم‌ها ساخته شده است.

آرایش اتم‌ها در اجسام مختلف، ویژگی‌های مهم آن‌ها را تعیین می‌کند. با استفاده از نانوتکنولوژی می‌توانیم آرایش اتم‌ها و در نتیجه، ویژگی‌های اجسام مختلف را به گونه‌ای که خود می‌خواهیم، تغییر دهیم. ویژگی‌های اجسام با کوچک‌ شدن اندازه آن‌ها تغییر می‌کند. در مقیاس نانو، رفتار ذرات براساس پدیده‌ای به نام اثرات کوانتومی رخ می‌دهد. به بیان دیگر، در مقیاس نانو، اثرات کوانتومی، رفتار و ویژگی‌های ذرات را توضیح می‌دهند.

ویژگی ذرات، مانند هدایت الکتریکی، نفوذپذیری مغناطیسی و واکنش‌پذیری شیمیایی، در مقیاس نانو به اندازه آن‌ها وابسته است. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که نتیجه این تغییر خواص مواد در مقیاس نانو را کجا می‌توان دید. تغییر خواص مواد در مقیاس نانو را تقریبا در همه جا می‌توان دید. به عنوان مثال، روزانه از مواد شیمیایی بسیاری، مانند پاک‌کننده‌های مختلف، استفاده می‌کنیم. در ساخت بسیاری از این مواد پاک‌کننده از علم نانو استفاده شده است.

نانو ذره چیست؟

به ذره‌ای از ماده با قطری بین یک تا ۱۰۰ نانومتر، نانو ذره گفته می‌شود. برای آن‌که درک بهتری از مقیاس نانو داشته باشیم، مقیاس‌های ماکرو، میکرو و نانو را با یکدیگر مقایسه می‌کنیم. ابتدا در مورد مقیاس ماکروسکوپی صحبت می‌کنیم. قد انسان در مقیاس ماکروسکوپی می‌گنجد یا پرتقالی با قطر متوسط ۸ سانتی‌متر در دنیای ماکروسکوپی گنجانده می‌شود. در مورد مقیاس میکروسکوپی چه می‌دانید؟ موی انسان با قطری در حدود ۸۰ هزار نانومتر در مقیاس میکروسکوپی قرار می‌گیرد. چشم انسان می‌تواند اجسام تا اندازه ۱۰۰۰۰ نانومتر را ببیند و برای دیدن اجسام کوچک‌تر از آن باید از میکروسکوپ استفاده کند. مقیاس نانو در مقایسه با مقیاس‌های میکروسکوپی و ماکروسکوپی بسیار کوچک‌تر است. به عنوان مثال، قطر DNA در حدود ۲ نانومتر یا اندازه اتم هیدروژن برابر یک آنگستروم یا ۰/۱ نانومتر است.

فیلم آموزش مبانی و مقدمات ذرات نانو و روش های رایج سنتز در فرادرس

کلیک کنید

برای درک بهتر این موضوع مثال دیگری می‌زنیم. اگر کسی از شما بپرسد نانو چیست می‌توانید بگویید، نانو برابر یک تومان در یک میلیارد تومان است. بنابراین، یک تومان در یک میلیارد تومان برابر یک نانو است. با مقایسه یک تومان در برابر یک میلیارد تومان می‌توانیم میزان کوچکی یک نانو را درک کنیم. نانو مواد، موادی با اندازه‌های بسیار کوچک و در محدود نانومتر هستند. این مواد به دلیل اندازه‌های بسیار کوچک، پدیده‌های فیزیکی جدیدی به نام اثرات کوانتومی از خود نشان می‌دهند. سوال مهمی که ممکن است مطرح شود آن است که چرا به فناوری نانو نیاز داریم. هنگامی‌که اندازه ماده‌ای کاهش می‌یابد، سطح مقطع آن افزایش خواهد یافت. نانوذرات در مقایسه با مواد با ساختار توده‌ای (مواد با اندازه میکروسکوپی یا ماکروسکوپی) سریع‌تر و سبک‌تر هستند. همچنین، نانوذرات می‌توانند به راحتی در فضاهای کوچک قرار بگیرند.

به عنوان مثال، بیماری را در نظر بگیرید که داروهای ضد سرطان مصرف می‌کند. برخی از این داروها به دلیل اندازه بزرگ نمی‌توانند وارد سلول‌های بدن انسان شوند. اما داروهایی با اندازه نانو به راحتی می‌توانند وارد محل رشد تومور و از آنجا وارد سلول‌های کوچک شوند. مزیت دیگر نانوذرات نسبت به مواد مواد ماکروسکوپی، ارزان‌تر بودن آن‌ها است. از این‌رو، از نظر انرژی موثرتر و مفیدتر هستند. همچنین، مواد با کاهش اندازه تا مقیاس نانو، خواص فیزیکی و شیمیایی منحصربه‌فردی از خود نشان می‌دهند. همان‌طور که بیان شد با کاهش اندازه مواد، سطح مقطع آن‌ها افزایش می‌یابد. به بیان دیگر، نسبت سطح به حجم مواد با کاهش اندازه آن‌ها، افزایش خواهد یافت. نسبت سطح به حجم چیست؟

مکعبی را در نظر بگیرید که اندازه هر ضلع آن برابر دو میلی‌متر است. این مکعب را می‌توانیم به هشت مکعب کوچک و مساوی به ضلع یک میلی‌متر تقسیم کنیم. حجم مکعب بزرگ‌تر را حساب می‌کنیم.

حجم هر مکعب برابر حاصل‌ضرب ارتفاع در طول در عرض است.

$$V_{bigger \ cube } = 2 \times 2 \times 2 = 8 \ mm^ 3$$

برای به‌دست آوردن سطح مقطع این مکعب، ابتدا باید مساحت هر سطح را به‌دست آوریم. سپس، مساحت به‌دست آمده را در تعداد سطوح مکعب ضرب می‌کنیم. مساحت هر سطح مکعب برابر $$4 \ mm^2$$ و تعداد سطوح آن برابر ۶ است. در نتیجه، سطح مقطع مکعب بزرگ برابر ۲۴ میلی‌متر مربع خواهد بود. در ادامه، سطح مقطع کل ۸ مکعب کوچک‌تر را به‌دست می‌‌‌آوریم. برای انجام این کار، سطح مقطع یکی از مکعب‌های کوچک را محاسبه و عدد به‌دست آمده را در تعداد آن‌ها ضرب می‌کنیم. مساحت سطح هر مکعب کوچک برابر یک میلی‌متر مربع و سطح مقطع کل مکعب‌های کوچک برابر ۴۸ میلی‌متر مربع است. برای محاسبه حجم کل مکعب‌های کوچک، حجم یکی از مکعب‌ها را به‌دست می‌آوریم و عدد به‌دست آمده را در تعداد کل مکعب‌ها، یعنی ۸ ضرب می‌کنیم.

حجم هر مکعب برابر یک میلی‌متر مکعب و حجم کل مکعب‌های برابر ۸ میلی‌متر مکعب است. در پایان، نسبت سطح به حجم در مکعب بزرگ و مکعب‌های کوچک‌تر را به‌دست می‌آوریم. نسبت سطح به حجم برای مکعب بزرگ‌تر برابر است با:

$$\frac { Surface } { Volume} = \frac { 24 } { 8 } = 3$$

نسبت سطح به حجم برای مکعب‌های کوچک‌تر برابر است با:

$$\frac { Surface } { Volume} = \frac { 48 } { 8 } = 6$$

با افزایش مقدار سطح و حجم، ماده بیشتری در تماس با محیط اطراف قرار می‌گیرد. هنگامی‌که مکعب ۲ میلی‌متری را به ۸ مکعب کوچکِ یک میلی‌متری تقسیم می‌کنیم، سطوح پنهان آشکار می‌شوند. بنابراین، برهم‌کنش آن با محیط اطراف بیشتر و موثرتر می‌شود. به بیان دیگر، واکنش‌پذیری ماده با کاهش اندازه آن، افزایش می‌یابد. در ادامه، در مورد ویژگی‌های مهم نانو مواد صحبت می‌کنیم.

ویژگی‌های نانو مواد چیست؟

مواد در مقیاس نانو، ویژگی‌های متفاوتی از خود نشان می‌دهند، زیرا:

1. نانوذرات، نسبت سطح به حجم بزرگ‌تری دارند. نانوذرات از نظر شیمیایی فعال‌تر هستند و ویژگی‌های الکتریکی منحصربه‌فردی از خود نشان می‌دهند.
2. در مقیاس نانو، اثرات کوانتومی بر رفتار ماده تاثیر می‌گذارد.

چرا نانو مواد خواص متفاوتی نسبت به مواد در مقیاس ماکروسکوپی و میکروسکوپی دارند؟ در مقیاس ماکروسکوپی ترازهای ظرفیت و رسانش در فاصله بسیار نزدیکی نسبت به یکدیگر قرار گرفته‌اند. در این حالت، تعدادی از الکترون‌ها بدون مقید بودن به اتم در سراسر ماده حرکت می‌کنند. با کاهش اندازه ماده و رفتن به مقیاس نانو، ترازهای ظرفیت و رسانش از یکدیگر جدا می‌شوند. از این‌رو، الکترون‌های آزاد در ترازهای انرژی کوانتومی به دام می‌افتند. ویژگی‌های مواد با تغییر اندازه‌ آنها، تغییر می‌کند. به عنوان مثال، تکه‌ای طلا بردارید. طلا در مقیاس ماکروسکوپی، فلزی زردرنگ و خنثی است و از ان برای ساخت جواهرات مختلف استفاده می‌شود.

خواص فلز طلا در مقیاس نانو به طور کامل تغییر می‌کند. به عنوان مثال، ذره طلا با اندازه بین ۳۰ تا ۵۰۰ نانومتر، ذره‌ای فلزی با رنگ متغیر از زرشکی تا آبی است. با کاهش اندازه نانو ذره طلا به ۳ تا ۳۰ نانومتر، رنگ آن به قرمز تغییر خواهد کرد. نانو ذره طلا هنوز از خود خواص فلزی نشان می‌دهد.

اگر اندازه نانو ذره طلا به ۲ نانومتر یا کمتر از آن کاهش یابد، رنگ آن نارنجی می‌شود و خواص فلزی خود را از دست خواهد داد. اگر اندازه ذره طلا تا مقیاس اتمی، در حدود ۰/۱ نانومتر، کاهش یابد، دیگر رنگی نخواهد داشت. در نتیجه، ماده طلا در اندازه‌ها و شکل‌های مختلف، رنگ‌های متفاوتی دارد و خواص فلزی مختلفی از خود نشان می‌دهد. در مقیاس نانو، ویژگی‌های مختلف ماده مانند خواص فیزیکی، شیمیایی، مکانیکی و الکتریکی تغییر می‌کنند. به طور حتم و به هنگام مطالعه نانو مواد، با دو کلمه فناوری نانو و علم نانو برخورد کرده‌اید. آیا تفاوت آن‌ها را می‌دانید؟

به مطالعه، ساخت و مهندسی ماده، ذرات و ساختارهای مختلف در مقیاس نانو، علم نانو گفته می‌شود. اما فناوری نانو یا نانوتکنولوژی در مورد کاربرد علم نانو در ساخت محصولات مختلف، صحبت می‌کند. به عنوان مثال، با علم نانو می‌توانیم محصولی به نام «کوانتوم دات یا نقطه‌های کوانتومی» (Quantum dot) بسازیم. به استفاده از این کوانتوم دات‌ها در ساخت تلویزیون‌های LED، نانوتکنولوژی می‌گوییم.

پیشرفت های انجام شده در نانو الکترونیک و اپتوالکترونیک

تا قبل از ظهور علم نانو و شاخه نانو الکترونیک، مدارهای الکترونیکی در مقیاس میکروسکوپی ساخته شده بودند. با ظهور علم نانو، تحول شگرفی در صنعت الکترونیک رخ داد. با استفاده از علم نانو:

• ظرفیت حافظه در مدارهای مجتمع افزایش یافت.
• سرعت انتقال داده‌ها افزایش یافت.

در سال ۱۹۳۷ میلادی، «گردن مور» (Gordon Moore) موسس شرکت «اینتل» (Intel) اعلام کرد که تعداد ترانزیستورها روی هر ریزتراشه هر دوسال یک بار، دو برابر می‌شود. به این پیش‌بینی، قانون مور گفته می‌شود. بر طبق نمودار نشان داده شده در تصویر زیر، بین سال‌های ۱۹۷۰ تا ۲۰۲۰ میلادی، اندازه مشخصه کاهش یافته است.

امروزه، بیشتر مدارهای مجتمع ترانزیستورهایی با طول کانالی موثر در محدوده ۴۰ نانومتر یا کمتر از آن دارند. به فاصله موثر بین «درین» (drain) و «سورس» (source)‌ که کانال در این فاصله در نهایت تشکیل می‌شود، طول کانال می‌گوییم. کوچک شدن اندازه مزایای زیادی دارد: