Наноэлектроника
| Часть серии статей о |
| Наноэлектроника |
|---|
| Одномолекулярная электроника |
| Твердотельная наноэлектроника |
| Связанные подходы |
| Порталы |
 Портал электроники |
| Часть серии статей о |
| Нанотехнологии |
|---|
| Влияние и применение |
| Наноматериалы |
| Молекулярная самосборка |
| Наноэлектроника |
| Нанометрология |
| Молекулярная нанотехнология |
Наноэлектроника относится к использованию нанотехнологий в электронных компонентах. межатомные взаимодействия и квантово-механические Этот термин охватывает разнообразный набор устройств и материалов с общей характеристикой: они настолько малы, что необходимо тщательно изучать свойства. Некоторые из этих кандидатов включают: гибридную молекулярную/ полупроводниковую электронику, одномерные нанотрубки / нанопроволоки (например, кремниевые нанопроволоки или углеродные нанотрубки ) или передовую молекулярную электронику .
Наноэлектронные устройства имеют критические размеры в диапазоне от 1 до 100 нм . [1] Последние поколения кремниевых МОП-транзисторов (металл-оксид-полупроводниковый полевой транзистор или МОП-транзистор) уже находятся в этом режиме, включая 22-нанометровые КМОП- (комплементарные МОП-транзисторы) узлы и последующие 14-нм , 10-нм и 7-нм FinFET (плавниковые полевые транзисторы) . транзисторный эффект) поколения. Наноэлектронику иногда считают прорывной технологией , поскольку нынешние кандидаты существенно отличаются от традиционных транзисторов .
Фундаментальные понятия
[ редактировать ]В 1965 году Гордон Мур заметил, что кремниевые транзисторы подвергаются непрерывному процессу уменьшения масштаба, и это наблюдение позже было систематизировано как закон Мура . С момента его наблюдения минимальные размеры элементов транзистора уменьшились с 10 микрометров до 10 нм по состоянию на 2019 год. Обратите внимание, что технологический узел напрямую не представляет минимальный размер элемента. Область наноэлектроники стремится обеспечить дальнейшую реализацию этого закона за счет использования новых методов и материалов для создания электронных устройств с размерами элементов наномасштаба .
Механические проблемы
[ редактировать ] |
Объем площадь объекта уменьшается в третьей степени его линейных размеров, но поверхности уменьшается только во второй степени. Этот довольно тонкий и неизбежный принцип имеет серьезные последствия. Например, мощность дрели (или любой другой машины ) пропорциональна объему, а трение дрели подшипников и шестерен пропорционально площади их поверхности. Для дрели нормального размера мощности устройства достаточно, чтобы легко преодолевать любое трение. Однако уменьшение его длины, например, в 1000 раз уменьшает его мощность на 1000. 3 (в миллиард раз) при уменьшении трения всего в 1000 раз. 2 (коэффициент всего лишь в миллион). Пропорционально оно имеет в 1000 раз меньшую мощность на единицу трения, чем оригинальное сверло. Если исходное соотношение трения к мощности составляло, скажем, 1%, это означает, что у меньшего сверла трение будет в 10 раз больше, чем у мощности; дрель бесполезна.
По этой причине, хотя сверхминиатюрные электронные интегральные схемы полностью функциональны, ту же технологию нельзя использовать для создания работающих механических устройств за пределами масштабов, где силы трения начинают превышать доступную мощность. Таким образом, даже несмотря на то, что вы можете видеть микрофотографии изящно выгравированных кремниевых шестеренок, такие устройства в настоящее время представляют собой не более чем диковинку с ограниченным реальным применением, например, в движущихся зеркалах и ставнях. [2] Поверхностное натяжение увеличивается примерно таким же образом, тем самым усиливая склонность очень маленьких объектов слипаться друг с другом. Это может сделать любую «микрофабрику» непрактичной: даже если роботизированные руки и руки можно будет уменьшить, все, что они поднимут, будет невозможно опустить. Как было сказано выше, молекулярная эволюция привела к тому, что реснички , жгутики , мышечные волокна и вращательные двигатели работают в водной среде, и все это на наноуровне. Эти машины используют увеличенные силы трения, обнаруженные на микро- или наноуровне. В отличие от лопасти или пропеллера, движение которых зависит от обычных сил трения (сил трения, перпендикулярных поверхности), реснички развивают движение за счет преувеличенного сопротивления или ламинарных сил (сил трения, параллельных поверхности), присутствующих в микро- и наноразмерах. Чтобы построить значимые «машины» на наноуровне, необходимо учитывать соответствующие силы. Мы имеем дело с разработкой и проектированием внутренне соответствующих машин, а не с простым воспроизведением макроскопических машин.
Поэтому все проблемы масштабирования должны быть тщательно оценены при оценке нанотехнологий для практического применения.
Подходы
[ редактировать ]Нанопроизводство
[ редактировать ]Например, электронные транзисторы, в которых работа транзистора основана на одном электроне. Наноэлектромеханические системы также подпадают под эту категорию.Нанопроизводство можно использовать для создания сверхплотных параллельных массивов нанопроволок в качестве альтернативы индивидуальному синтезу нанопроволок . [3] [4] Особое место в этой области занимают кремниевые нанопроволоки, 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 нанопроволок контролируемой толщины.
Наноматериалы электроника
[ редактировать ]Помимо небольшого размера и возможности размещения большего количества транзисторов в одном чипе, 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 электрона / дырки . характеристику [5]
Также наночастицы можно использовать в качестве квантовых точек .
Молекулярная электроника
[ редактировать ]Одномолекулярные электронные устройства широко исследуются. В этих схемах будет широко использоваться молекулярная самосборка , разрабатывая компоненты устройства для самостоятельного создания более крупной структуры или даже полной системы. Это может быть очень полезно для реконфигурируемых вычислений и даже может полностью заменить нынешнюю технологию FPGA .
Молекулярная электроника [6] Эта разрабатываемая технология дает надежду на создание будущих электронных систем атомного масштаба. Многообещающее применение молекулярной электроники было предложено исследователем IBM Ари Авирамом и химиком-теоретиком Марком Ратнером в их статьях 1974 и 1988 годов «Молекулы для памяти, логики и усиления» (см. Унимолекулярный выпрямитель ). [7] [8]
Многие нанопроволочные структуры изучались как кандидаты для соединения наноэлектронных устройств: нанотрубки из углерода и других материалов, цепочки атомов металлов , кумуленовые или полииновые цепочки атомов углерода, [9] и многие полимеры, такие как политиофены .
Другие подходы
[ редактировать ]Наноионика изучает транспорт ионов, а не электронов в наноразмерных системах.
Нанофотоника изучает поведение света на наноуровне и ставит своей целью разработку устройств, использующих это поведение.
Наноэлектронные устройства
[ редактировать ]Современные высокотехнологичные производственные процессы основаны на традиционных стратегиях сверху вниз, в которых нанотехнологии уже незаметно внедряются. Критическая длина интегральных схем уже находится на наноуровне (50 нм и ниже), что касается длины затвора транзисторов в процессорах или устройствах DRAM .
Компьютеры
[ редактировать ]
Наноэлектроника обещает сделать компьютерные процессоры более мощными, чем это возможно при использовании традиционных технологий производства полупроводников . В настоящее время исследуется ряд подходов, включая новые формы нанолитографии , а также использование наноматериалов, таких как нанопроволоки или небольшие молекулы, вместо традиционных компонентов КМОП . Полевые транзисторы были изготовлены с использованием как полупроводниковых углеродных нанотрубок, так и полупроводниковых углеродных нанотрубок. [10] и с гетероструктурными полупроводниковыми нанопроволоками (SiNW). [11]
Память
[ редактировать ]В прошлом конструкции электронной памяти в основном основывались на транзисторах. Однако исследования электроники на основе перекрестных переключателей предложили альтернативу с использованием реконфигурируемых соединений между вертикальными и горизонтальными проводными массивами для создания памяти сверхвысокой плотности. Двумя лидерами в этой области являются 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. [ нужна ссылка ]
Примером таких новых устройств является спинтроника . Зависимость сопротивления материала (обусловленного спином электронов) от внешнего поля называется магнитосопротивлением . Этот эффект может быть значительно усилен (GMR - Гигантское Магнито-Сопротивление) для наноразмерных объектов, например, когда два ферромагнитных слоя разделены немагнитным слоем толщиной в несколько нанометров (например, Co-Cu-Co). Эффект GMR привел к значительному увеличению плотности хранения данных на жестких дисках и сделал возможным диапазон гигабайт. Так называемое туннельное магнитосопротивление (ТМР) очень похоже на ГМР и основано на спин-зависимом туннелировании электронов через соседние ферромагнитные слои. Эффекты GMR и TMR можно использовать для создания энергонезависимой основной памяти для компьютеров, такой как так называемая магнитная оперативная память или MRAM . [ нужна ссылка ]
Новые оптоэлектронные устройства
[ редактировать ]В современной коммуникационной технологии традиционные аналоговые электрические устройства все чаще заменяются оптическими или оптоэлектронными устройствами из-за их огромной полосы пропускания и емкости соответственно. Два многообещающих примера: фотонные кристаллы и квантовые точки . [ нужна ссылка ] Фотонные кристаллы — это материалы с периодическим изменением показателя преломления с постоянной решетки, равной половине длины волны используемого света. Они предлагают выбираемую ширину запрещенной зоны для распространения определенной длины волны, поэтому они напоминают полупроводник, но для света или фотонов вместо электронов . Квантовые точки — это наноразмерные объекты, которые, среди прочего, можно использовать для создания лазеров. Преимущество лазера на квантовых точках перед традиционным полупроводниковым лазером заключается в том, что длина волны их излучения зависит от диаметра точки. Лазеры на квантовых точках дешевле и обеспечивают более высокое качество луча, чем обычные лазерные диоды.
Дисплеи
[ редактировать ]Производство дисплеев с низким энергопотреблением может быть осуществлено с использованием углеродных нанотрубок (УНТ) и/или кремниевых нанопроволок . Такие наноструктуры электропроводны и благодаря небольшому диаметру в несколько нанометров могут использоваться в качестве полевых эмиттеров с чрезвычайно высокой эффективностью для автоэмиссионных дисплеев (FED). Принцип работы напоминает принцип работы электронно-лучевой трубки , но в гораздо меньшем масштабе длины. [ нужна ссылка ]
Квантовые компьютеры
[ редактировать ]Совершенно новые подходы к вычислениям используют законы квантовой механики для новых квантовых компьютеров, которые позволяют использовать быстрые квантовые алгоритмы. Квантовый компьютер имеет пространство памяти квантовых битов, называемое «Кубит», для нескольких вычислений одновременно. В наноэлектронных устройствах кубит кодируется квантовым состоянием спина одного или нескольких электронов. Спин ограничивается либо полупроводниковой квантовой точкой, либо легирующей примесью. [12]
Радио
[ редактировать ]нанорадиоприемники Были разработаны , структурированные на основе углеродных нанотрубок . [13]
Производство энергии
[ редактировать ]Продолжаются исследования по использованию нанопроводов и других наноструктурированных материалов с надеждой создать более дешевые и более эффективные солнечные элементы , чем это возможно с обычными планарными кремниевыми солнечными элементами. [14] Считается, что изобретение более эффективной солнечной энергии окажет большое влияние на удовлетворение глобальных энергетических потребностей.
Также проводятся исследования по производству энергии для устройств, которые будут работать in vivo , называемых бионаногенераторами. Бионаногенератор — это наноразмерное электрохимическое устройство, подобное топливному элементу или гальваническому элементу , но черпающее энергию из глюкозы в крови живого организма, во многом так же, как организм генерирует энергию из пищи . Для достижения эффекта используется фермент , способный отнимать у глюкозы электроны , освобождая их для использования в электрических устройствах. Теоретически тело среднестатистического человека может генерировать 100 Вт электроэнергии (около 2000 пищевых калорий в день) с помощью био-наногенератора. [15] Однако эта оценка верна только в том случае, если вся пища была преобразована в электричество, а человеческому организму постоянно требуется определенное количество энергии, поэтому возможная выработка энергии, вероятно, будет намного ниже. Электричество, генерируемое таким устройством, может питать встроенные в тело устройства (например, кардиостимуляторы питающихся сахаром ) или нанороботов, . Большая часть исследований, проводимых в области бионаногенераторов, все еще носит экспериментальный характер, и . в их числе находится Лаборатория нанотехнологических исследований Panasonic
Медицинская диагностика
[ редактировать ]Существует большой интерес к созданию наноэлектронных устройств. [16] [17] [18] который мог бы определять концентрации биомолекул в режиме реального 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, надзору и оборонным технологиям. [22] [23] [24]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Бомонт, Стивен П. (сентябрь 1996 г.). «III–V Наноэлектроника». Микроэлектронная инженерия . 32 (1): 283–295. дои : 10.1016/0167-9317(95)00367-3 . ISSN 0167-9317 .
- ^ «Обзор МЭМС» . Проверено 6 июня 2009 г.
- ^ Мелош, Н.; Букай, Абрам; Диана, Фредерик; Жерардо, Брайан; Бадолато, Антонио; Петров, Питер; Хит, Джеймс Р. (2003). «Решетки и схемы нанопроволок сверхвысокой плотности» . Наука 300 (5616): 112–5. Бибкод : 2003Sci...300..112M . дои : 10.1126/science.1081940 . ПМИД 12637672 . S2CID 6434777 .
- ^ Дас, С.; Гейтс, Эй Джей; Абду, штат Ха; Роуз, GS; Пикконатто, Калифорния; Элленбоген, Дж. К. (2007). «Проектирование сверхминиатюрных наноэлектронных схем специального назначения». Транзакции IEEE в схемах и системах I. 54 (11): 11. doi : 10.1109/TCSI.2007.907864 . S2CID 13575385 .
- ^ Гойкоэчеа, Дж.; Самарреньоа, ЧР; Матиаса, ИК; Арреги, Ф.Дж. (2007). «Минимизация фотообесцвечивания самоорганизующихся многослойных материалов для сенсорных приложений». Датчики и исполнительные механизмы B: Химические вещества . 126 (1): 41–47. дои : 10.1016/j.snb.2006.10.037 .
- ^ Петти, MC; Брайс, MR; Блур, Д. (1995). Введение в молекулярную электронику . Лондон: Эдвард Арнольд. ISBN 978-0-19-521156-6 .
- ^ Авирам, А.; Ратнер, Массачусетс (1974). «Молекулярный выпрямитель». Письма по химической физике . 29 (2): 277–283. Бибкод : 1974CPL....29..277A . дои : 10.1016/0009-2614(74)85031-1 .
- ^ Авирам, А. (1988). «Молекулы для памяти, логики и усиления». Журнал Американского химического общества . 110 (17): 5687–5692. дои : 10.1021/ja00225a017 .
- ^ Брайс, Мартин Р. (2021). «Обзор функциональных линейных углеродных цепочек (олигоинов, полиинов, кумуленов) и их применения в качестве молекулярных проводов в молекулярной электронике и оптоэлектронике» . Дж. Матер. хим. С. 9 (33): 10524–10546. дои : 10.1039/d1tc01406d . ISSN 2050-7526 . S2CID 235456429 .
- ^ Постма, Хенк В.Ч.; Типен, Тиджс; Яо, Чжэнь; Грифони, Милена; Деккер, Сис (2001). «Одноэлектронные транзисторы из углеродных нанотрубок при комнатной температуре» . Наука . 293 (5527): 76–79. Бибкод : 2001Sci...293...76P . дои : 10.1126/science.1061797 . ПМИД 11441175 . S2CID 10977413 .
- ^ Юэ, Либер, Чарльз М. (2006) . , Сян, Цзе, Лу , Вэй, Ву –493. Бибкод : 2006Natur.441..489X . doi : nature04796 . PMID 16724062. 10.1038 / S2CID 4408636 .
- ^ 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 . дои : 10.1002/adfm.202011175 . S2CID 231749540 .
- ^ Дженсен, К.; Уэлдон, Дж.; Гарсия, Х.; Зеттл А. (2007). «Нанотрубное радио». Нано Летт . 7 (11): 3508–3511. Бибкод : 2007NanoL...7.3508J . дои : 10.1021/nl0721113 . ПМИД 17973438 .
- ^ Тиан, Божи; Чжэн, Сяолинь; Кемпа, Томас Дж.; Фан, Инь; Ю, Наньфан; Ю, Гуйхуа; Хуан, Цзиньлинь; Либер, Чарльз М. (2007). «Коаксиальные кремниевые нанопровода как солнечные элементы и источники наноэлектронной энергии». Природа . 449 (7164): 885–889. Бибкод : 2007Natur.449..885T . дои : 10.1038/nature06181 . ПМИД 17943126 . S2CID 2688078 .
- ^ «Энергия крови может привести к созданию «человеческих батарей» » . Сидней Морнинг Геральд . 4 августа 2003 года . Проверено 8 октября 2008 г.
- ^ Лаван, Д.А.; Макгуайр, Терри и Лангер, Роберт (2003). «Маломасштабные системы доставки лекарств in vivo». Нат. Биотехнология . 21 (10): 1184–1191. дои : 10.1038/nbt876 . ПМИД 14520404 . S2CID 1490060 .
- ^ Грейс, Д. (2008). «Специальный выпуск: Новые технологии» . Новости производства медицинской продукции . 12 :22–23. Архивировано из оригинала 12 июня 2008 г.
- ^ Сайто, С. (1997). «Углеродные нанотрубки для электронных устройств следующего поколения». Наука . 278 (5335): 77–78. дои : 10.1126/science.278.5335.77 . S2CID 137586409 .
- ^ Кавальканти, А.; Ширинзаде, Б.; Фрейтас-младший, Роберт А. и Хогг, Тэд (2008). «Архитектура нанороботов для идентификации медицинских целей». Нанотехнологии . 19 (1): 015103(15стр.). Бибкод : 2008Nanot..19a5103C . дои : 10.1088/0957-4484/19/01/015103 . S2CID 15557853 .
- ^ 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 .
- ^ Патольский, Ф.; Тимко, БП; Ю, Г.; Фанг, Ю.; Грейтак, АБ; Чжэн, Г.; Либер, CM (2006). «Обнаружение, стимуляция и подавление нейрональных сигналов с помощью массивов транзисторов из нанопроволоки высокой плотности». Наука . 313 (5790): 1100–1104. Бибкод : 2006Sci...313.1100P . дои : 10.1126/science.1128640 . ПМИД 16931757 . S2CID 3178344 .
- ^ Фрист, WH (2005). «Здравоохранение в 21 веке» . Н. англ. Дж. Мед . 352 (3): 267–272. doi : 10.1056/NEJMsa045011 . ПМИД 15659726 .
- ^ Кавальканти, А.; Ширинзаде, Б.; Чжан М. и Кретли Л.К. (2008). «Аппаратная архитектура нанороботов для медицинской защиты» (PDF) . Датчики . 8 (5): 2932–2958. Бибкод : 2008Senso...8.2932C . дои : 10.3390/s8052932 . ПМЦ 3675524 . ПМИД 27879858 .
- ^ Куврёр П. и Вотье К. (2006). «Нанотехнологии: интеллектуальный дизайн для лечения сложных заболеваний» . Фарм. Рез . 23 (7): 1417–1450. дои : 10.1007/s11095-006-0284-8 . ПМИД 16779701 . S2CID 1520698 .
Дальнейшее чтение
[ редактировать ]- Беннетт, Герберт С.; Андрес, Ховард; Пеллегрино, Джоан; Квок, Винни; Фабрициус, Норберт; Чапин, Дж. Томас (март – апрель 2009 г.). «Приоритеты стандартов и измерений для ускорения инноваций в наноэлектротехнологиях: анализ исследования NIST-Energytics-IEC TC 113» (PDF) . Журнал исследований Национального института стандартов и технологий . 114 (2): 99–135. дои : 10.6028/jres.114.008 . ПМЦ 4648624 . ПМИД 27504216 . Архивировано из оригинала (PDF) 5 мая 2010 г.
- Деспотули, Александр; Андреева, Александра (август – октябрь 2009 г.). «Краткий обзор наноэлектроники глубокого субнапряжения и связанных с ней технологий». Международный журнал нанонауки . 8 (4–5): 389–402. Бибкод : 2009IJN....08..389D . дои : 10.1142/S0219581X09006328 .
- Вендрик, HJM (2011). Биты на чипах . Биты на чипах. п. 253. ИСБН 978-1-61627-947-9 . https://openlibrary.org/works/OL15759799W/Bits_on_Chips/
- Онлайн-курс по основам электроники (2008 г.) Суприё Датты
- Уроки наноэлектроники: новый взгляд на транспорт (в 2 частях) (2-е издание), Суприйо Датта (2018)
Внешние ссылки
[ редактировать ]
- Семинар IEEE по кремниевой наноэлектронике
- Виртуальный институт спиновой электроники
- Сайт, посвящённый электронике одностенных углеродных нанотрубок на наноуровне - наноэлектроника
- Сайт, посвященный наноэлектронике и передовым исследованиям СБИС
- Веб-сайт подразделения наноэлектроники Европейской комиссии, DG INFSO
- Наноэлектроника на веб-сайте «Понимание Нано»
- Наноэлектроника - ФизОрг
