نانو الكترونيك

در سال 1956 گوردون مور بنيان‌گذار اينتل تحليلي ارايه كرد كه بر طبق آن هر 18 ماه تعداد ترانزيستورهاي بكار رفته در ريزپردازهاي اينتل دو برابر مي شود كه نصف شدن ابعاد گيت ترانزيستورها با شرط ثابت بودن اندازه تراشه سيليكوني در آن مي‌تواند نتيجه اين قوانين باشد.
اين قاعده به قانون مور موسوم شد. اين نصف شدن در واقع پيام‌آور ابعاد اقتصادي بود يعني هر چه گيت كوچكتر مي‌شد ترانزيستور مي‌توانست سريعتر سوئيچ كند و درنتيجه انرژي كمتري مصرف مي‌شد و تعداد بيشتري ترانزيستور در يك تراشه سيليكون جاي مي‌گرفت. افزايش تعداد ترانزيستورها و بازدهي آنها، هزينه را كاهش مي‌دهد بنابراين مقرون به صرفه‌تر اين بود كه هر ترانزيستور تا حد امكان كوچكتر شود، اين كوچك‌سازي بالاخره در نقطه‌اي متوقف مي‌شد بنابراين براي ادامه رشد صنعت الكترونيك بايد به فكر فناوريهاي جايگزين بود، فناوري كه مشكلات گذشته را حل كرده و توجيه اقتصادي داشته باشد و اينبار نانو تكنولوژي بود كه توانست به كمك الكترونيك بيايد و فناوري الكترونيك مولكولي يا همان نانو‌الكترونيك بنا نهاده شد.

نانو تكنولوژي يك رشته وابسته به ابزار است ابزارهايي كه به مرور در حال بهتر شدن است نانو تكنولوژي و شاخه‌هاي كاربردي آن مانند نانوالكترونيك درواقع توليد كارآمد دستگاهها و سيستم‌ها با كنترل ماده در مقياس طولي نانو است و بهره‌برداري از خواص و پديده‌هاي نوظهوري است كه در اين مقياس توسعه يافته است.
صنعت الكترونيك امروزي مبتني بر سيليكون است سن اين صنعت به حدود 50 سال مي‌رسد و اكنون به مرحله‌اي رسيده است كه از لحاظ تكنولوژيكي، صنعتي و تجاري به بلوغ رسيده است. در مقابل اين فناوري، الكترونيك مولكولي قرار ارد كه در مراحل كاملاً ابتدايي است و قرار است اين فناوري به عنوان آينده و نسل بعدي صنعت الكترونيك سيليكوني مطرح شود. الكترونيك مولكولي دانشي است كه مبتني بر فناوري نانو بوده و كاربردهاي وسيعي در صنعت الكترونيك دارد. با توجه به كاربردهاي وسيع الكترونيك در محصولات تجاري بازار مي‌توان با سرمايه‌گذاري و تامل بيشتر در فناوري نانو الكترونيك در آينده‌اي نه چندان دور شاهد سود‌دهي كلان محصولاتي بود كه جايگزين فناوري الكترونيك سيليكوني شده‌اند. ميل، اشتياق و علاقه مصرف‌كنندگان و نياز بازار به محصولات جديد با قابليتهاي بالا سازندگان و صنعتگران را بر آن مي‌دارد كه با سرمايه‌گذاري در اين فناوري شاهد رشد و شكوفايي اقتصادي هر چه بيشتر باشند، وليكن با توجه به اهميت نانوتكنولوژي و نيز نانو الكترونيك كه به عنوان يك شاخه كاربردي از نانو تكنولوژي مطرح است لزوم سرمايه‌گذاري كلان در درازمدت و ريسك‌پذيري و تشكيل مراكز R&D توسط دولتمردان پيش از پيش احساس مي‌شود.
براي پيشبرد فناوري نانو الكترونيك و نتيجه رساندن آن سه مرحله راهبردي پيشنهاد مي‌شود كه با پياده‌سازي اين سه‌مرحله مي‌توان نانو الكترونيك را جايگزين فناوري الكترونيك سيليكوني كرد ونسل جديدي از محصولات الكترونيكي را وارد بازار ساخت.
مرحله اول:
مولكولي در نظر گرفته مي‌شود بايد كاربردهايي ساده ارزان و غير پيچيده‌اي باشند تا اطمينان نسبي به الكترونيك مولكولي ايجاد شده و سرمايه‌گذاري‌ها به سمت آن هدايت شود و از طرفي كارايي اين فناوري ثابت شود. به بيان ساده وشفاف و مقايسه نسل جديد محصولات كه بر پايه اين فناوري جايگزين شده‌اند، توجيه كاربرد اين محصولات و ايجاد اطمينان در مصرف‌كنندگان مي‌تواند به عنوان بهترين حامي اقتصادي در اين مرحله باشد.
مرحله دوم:
توليدات اوليه الكترونيك مولكولي (نانو الكترونيك) بايد مكملي براي فناوري سيليكون باشند اينگونه نباشد كه انقلابي رااز همان آغاز و ابتدا شروع كرده و اين ادوات و فناوريهاي جديد تافته جدا بافته باشد و هيچ ربطي به فناوري سيليكوني نداشته باشد زيرا فناوري سيليكوني يك صنعت جا افتاده است. پس اگر نانوالكترونيك را بتوان مكملي براي فناوري سيليكوني بكار برد شاهد پيشرفت قابل ملاحظه‌اي در اين فناوري نوپا بوده و جايگزين مناسبي براي نسل آينده محصولات الكترونيكي در نظر گرفته شده است.
مرحله سوم:
مرحله سوم مبحث كاملاً جديدي است كه اصلاً در دسترس فناوري سيليكون نبوده و نانوالكترونيك مي‌تواند بعد از طي مراحل اول و دوم به آن بپردازد، يك مثال ساده وروشن اين موضوع، نمايشگرها هستند، نمايشگرهاي متداول كاملاً سخت و غيرقابل انعطاف هستند ولي با استفاده از الكترونيك مولكولي ومولكول‌هايي كه در صفحه نمايش استفاده داشته باشد بنابر اين كابرد‌هايي وجود دارد كه از دسترس فناوري سيليكون، آن هم بخاطر جامد و كريستالي بودن ذاتي‌اش دور بوده و براي الكترونيك مولكولي قابل دستيابي است. وقتي كه نانو الكترونيك جا افتاد و وارد بازار محصولات الكترونيك شد آنگاه مي‌توان نسل جديدي از محصولات را به دست آورد كه شامل پردازندهايي 1000 مرتبه سريعتر از نوع امروزي باشند. اگر اين مرحله با موفقيت طي شود حدوداً يك دهه طول خواهد كشيد تا نسل جديد محصولات الكترونيكي مبتني بر الكترونيك مولكولي يا الكترونيك در ابعاد نانومتر (نانو الكترونيك) ظهور يابد.

بررسي امكانات موجود:
براي ساخت ابزارهاي مولكولي بايد ديد از چه چيزهايي مي‌توان استفاده كرد،‌وسايلي كه در اختيار است و تاكنون مدنظر بوده است به شرح ذيل هستند:
نانو لوله‌ها
حلقه‌هاي بنزني
پليمرها
DNA

نانو لوله‌ها:
اگر يك صفحه تخت گرافيكي مدنظر باشد و به شكلي بتوان آن را به صورت نواري در نظر گرفت و لوله كرد يك نانو لوله مفروض به دست مي‌آيد كه ساختار آن همان ساختار گرافيت بوده و يك هگزاگونال است. اين ماده در سال 1991 در ژاپن كشف شده و به علت خصوصيات جالب آن مورد توجه قرار گرفت. يك خاصيت جالب اين مواد آن است كه بر حسب اينكه در چه جهتي خم شود داراي خاصيت نيمه‌هادي و يا فلزي مي‌شود. قطر يك نانو لوله كمتر از 2 نانومتر است و از اين نانو لوله مي‌توان به عنوان يك سيم كوانتومي يا يك سيم غيرفعال استفاده كرد به عنوان مثال اين لوله مي‌تواند به عنوان يك سيم انتقال هنگام اعمال اختلاف پتانسيل از يك الكترود به الكترود ديگر عمل كند كه اين موضوع مثالي از اتصالات غيرفعال مي‌تواند باشد.
نانو لوله داراي خاصيت فلزي است اين خاصيت رسانش نه فقط در طول بلكه در عرض نانو لوله نيز وجود دارد براي حالت سيمهاي مولكولي غيرفعال، بهتر است كه نانو لوله داراي خاصيت رسانش باشد، اگر باشد، نانو لوله داراي گاف انرژي خواهد بود كه شبيه نيمه هادي خواهد شد. اگر نانو لوله كربني روي سطحي قرار داده شود و نوك STM (مولكول نانو لوله‌هاي كربني) رابه سطح آن نزديك شود، چنانچه ولتاژي را بين بستري كه نانو لوله روي آن قرار دارد و نوك STM اعمال شود جرياني عبور خواهد كرد، بر حسب مقدار جرياني كه عبور مي‌كند، مي‌توان تشخيص داد كه گاف انرژي چقدر است.

حلقه بنزني:
حلقه‌هاي بنزني به خاطر چگالي حالت بالا كه بر روي حلقه‌هاي خود دارند جانشيني براي سيمهاي كوانتومي در نظر گرفته مي‌شود.

پليمرها:
از نمونه‌هايي كه به عنوالن سيمهاي مولكولي فعال يا غيرفعال مي‌توان نام برد پلي‌تيوفن (PT) يا پلي‌انيلين است كه داخل يك سيكلود كسترين1 (CD) قرار گرفته باشد اين دو ماده در اصل پليمرهايي هستند كه به عنوان قسمتهاي هادي سيم بكار مي‌روند اين پليمرها شبيه حلقه‌ بنزني است كه به همديگر چسبيده‌اند و دو سر آن به دو الكترود طلا وصل شده است. اتصالات سيمهاي مولكلولي به الكترودهايش توسط اتم‌هاي گوگرد برقرار مي‌شود سطحي كه اين پليمر بر روي آن قرار مي‌گيرد ممكن است قسمتي از جريان را بكشد يعني اينكه يك جريان اتلافي داشته باشد براي اينكه مانع از اين جريان اتلافي شد بايد اين سيم را داخل يك حفاظ مولكولي قرار داد اين حفاظ نيز شبيه نانو لوله كربني است اما داراي قطر بسيار بزرگتر و ساختار پيچيده‌تري است لذا اين لوله مولكولي مانع عبور جريان اتلافي از ديواره‌هاي سيم و انتقال آن به سطح تماس مي‌شود.

DND:
DNA نمونه‌اي از سيم‌هاي فعال است. ساختمان DNA كاملاً شناخته شده است و به طور خودكار اين ساختمان ايجاد مي‌شود، براي توليد آن مانند پليمرها مشكلي وجود ندارد فقط بايد خواص آن مورد بررسي قرار گيرد تا متوجه چگونگي تغييرات آن شد براي اين منظور به ذكر مثالي پرداخته مي‌شود:
به منظور استفاده از DNA براي محاسبه جريان بر حسب ولتاژ، يك فاصله 8 نانومتري بين دو الكترود پلاتين مفروض مي‌شود، پس با اعمال يك ولتاژ مي‌توان جريان را محاسبه كرد.
نكته‌اي كه از شكل بالا برداشت مي‌شود اين است كه نمودار جريان بر حسب ولتاژ نموداري نامتقارن است، يعني اينكه جريان براي ولتاژي مثلاً بين 1- و 2 ولت اجازه عبور ندارد در حالي كه براي 2- و 1- جريان مي‌تواند عبور كند و اين يعني اينكه DNA مي‌تواند عمل يكسوسازي را انجام دهد. در مورد هدايت از داخل DNA سه نظريه مد نظر است، يكي اينكه DNA يك نيمه هادي با گاف خيلي بزرگ است. ديگر اينكه DNA يك نيمه هادي با گاف كوچك ونيز اينكه DNA داراي خاصيت فلزي است.
موضوع در اصل اين است كه DNA ماده بسيار پيچيده‌اي است كه شرايط محيطي به شكل بسيار زيادي مي‌تواند بر روي خواص آن تاثير بگذارد يكي از اين شرايط محيطي موثر حضور آب است، DNA‌يي كه در محيط خشك باشد با DNAيي كه در محيط مرطوب باشد بسيار متفاوت است. لذا با توجه به شرايط محلي حاكم بر DNA نمي‌توان يك نتيجه قطعي در مورد اينكه DNA فلز است يا نيمه فلز بيان كرد اما آنچه كه مسلم است اين است كه DNA يك نيمه هادي با گاف بزرگ است.
در حالت عادي يونهايي وجود دارد كه با دستكاري آنها مي‌توان خواص هدايتي DNA را تغيير داد يعني مي‌توان اميد داشت كه با افزودن يونهايي بتوان حتي آن را به فلز تبديل كرد يك نكته جالب ديگر اين است كه مي‌توان از DNA به عنوان قالب استفاده كرد و در مكانهاي مشخصي روي DNA يكسري فلزات را قرار داد تا يك سيم فلزي دور DNA ايجاد شود. در اين حالت DNA به عنوان قالبي براي پايدار نگه داشتن سيم مورد نظر استفاده قرار گيرد. بررسي پايداري DNA با توجه به شرايط محلي حاكم بر سيستم نيز امكان‌پذير است. هدايت DNA در دو مسير مشخص صورت مي‌گيرد. وقتي DNA را به عنوان هدايت‌كننده جريان در نظر گرفته شده يك بار مي‌تواند در جهت موازي محورش جريان را عبور دهد و يك بار نيز مي‌تواند عمود بر محورش جريان را عبور دهد، حال براي هدايت در جهت عمود بر محور مي‌توان اينگونه فرض كرد كه وقتي نوك STM (مولكول نانو لوله‌هاي كربني) در بالاي DNA قرار مي‌گيرد جريان به شكل عمود از جفت‌هاي بازي كه وجود دارد وارد نوك STM مي‌شود اين كار مي‌تواند هم به عنوان آزمايشي براي ديدن تصوير DNA و هم براي اندازه‌گيري عبور جريان جفت‌هاي بازي به كار رود ومي‌توان بدين شكل رسانش AT و CG (جفت‌هاي بازهايي كه در مارپيچ DNA وجود دارند) را محاسبه كرد.
DNA مي‌تواند يك ابزار در توليد محصولات نانو‌الكترونيك كاربرد‌هاي فراواني داشته باشد، با توجه به اينكه DNA به طور طبيعي در طبيعت و سلولهاي موجودات زنده وجود دارد مي‌توان از آن در توليد ديگر محصولات نانوتكنولوژي همانند نانوموتورها سود جست. كنترل و پايداري DNA نيز با توجه به خواص ذاتي و محلي آن امكان‌پذير بوده و جاي تامل و بحث دارد.

نتيجه‌گيري:
1ـ آنچه كه مسلم است، الكترونيك مولكولي داراي آينده‌اي درخشان است و با آهنگ بسيار سريعي در حال رشد و تكامل است. از اين رو توجه خاصي را مي‌طلبد.
2ـ نتايج عملي رشد و توسعه شاخه‌هاي نانوتكنولوژي مانند نانوالكترونيك سبب ساخت تجهيزاتي خواهد شد كه در مقايسه با گذشته اختلاف فاحش داشته و نسل كاملاً جديدي با قابليت‌هاي منحصر به فرد خواهد بود.
3- نانو لوله‌ها و DNA به عنوان دو ابزار كارآمد در توليد محصولات نانوالكترونيك از اهميت خاصي برخوردارند، وليكن در اين ميان DNA به دليل داشتن خواص محلي و وجود آن در بدن موجودات زنده از اهميت بيشتري برخوردار است.
4- با توجه به دو شاخص تعداد مقالات علمي و اختراعات ثبت‌شده، در نانو تكنولوژي مي‌توان نتيجه گرفت كه اين شاخصها مي‌توانند اطلاعاتي مفيد در مورد تكامل اين فناوري را نشان دهند و براي طرح برنامه‌ها و استراتژيها مناسب باشند.
5- نانوتكنولوژي و شاخه‌هاي كاربردي آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونيك به عنوان پديده‌هايي نوظهور هنوز قبل از تجاري سازي محصولاتشان، احتياج به پيشرفت در هر دو زمينه علمي و تكنولوژيكي را دارد. با توجه به اينكه هم‌اكنون برخي از محصولات اين فناوري در بازار وجود دارد پيش‌بيني اينكه كداميك از محصولات آينده بهتري دارند (از نظر رقابتي) نياز به بررسي بيشتر شاخصهاي اين فناروي در بخشهاي صنعت و زيرمجموعه‌هاي اين فناوري دارد.
6- با توجه به اهميت فناري نانو و كاربردهاي روزافزون آن در دنيا بايد تحقيقات دانشگاهي و دولتي تواماً صورت گيرد و به علت اينكه اهداف تحقيقاتي اين فناوري پايه‌اي و درازمدت است بخش صنعت توان سرمايه‌گذاري بر روي تحقيقات درازمدت و مخاطره‌آميز را نداشته، از اين رو حمايت دولتمردان به عنوان پشتوانه‌اي مهم در اين فناوري خواهد بود علاوه بر اين ايجاد ساختارهاي جديد در دانشگاهها و آزمايشگاههاي ملي براي توسعه اين فناوري لازم است نيازمنديها و انتظارات فناوري نانو و شاخه‌هاي كاربردي آن در علوم مختلف مانند نانوالكترونيك فراتر از تمامي چيزهايي است كه مقررات سنتي دانشگاهي، آزمايشگاهي ملي و يا حتي تمام صنعت مي‌تواند فراهم كند و به خاطر همين مشكلات است كه يك حركت و انديشه ملي پايه‌ريزي و با حمايت دولتي در زمينه اين فناوري حياتي به نظر مي‌رسد.
با توجه به پتانسيل‌هاي موجود ايران در زمينه مهندسي الكترونيك، لزوم يك مركز R&D دولتي كه به حمايت محصولات توليدي الكترونيكي صنايع پرداخته و بتواند در آينده بازار تجاري محصولات نانو‌الكترونيك را به دست بگيرد به شدت حس مي‌شود و اگر تدبيري انديشيده نشود متاسفانه بايد گفت كه همانند گذشته بايد مصرف‌كننده خوبي بوده و شاهد سودهاي كلان تجاري ديگر كشورها و سرمايه‌گذاران بود.

عليرضا سلمانيان شفا
منبع: ماهنامه صنعت برق
www.ml.blogfa.com