کاربرد نانو تکنولوژی در الکترونیک
فصل اول: نانو
مقدمه:
اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) در سال ۱۹۵۹ زده شد. در این سال ریچارد فاینمن طی یک سخنرانی با عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد» ایده فناوری نانو را مطرح ساخت. وی این نظریه را ارائه داد که در آینده‌ای نزدیک می‌توانیم مولکول‌ها و اتمها را به صورت مسقیم دستکاری کنیم . واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتاینگوچی استاد دانشگاه علوم توکیو در سال ۱۹۷۴ بر زبانها جاری شد.او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل) دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر میباشد، به کار برد. در سال ۱۹۸۶ این واژه توسط کی اریک درکسلر در کتابی تحت عنوان : «موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری نانو» بازآفرینی و تعریف مجدد شد. وی این واژه را به شکل عمیق‌تری در رساله دکترای خود مورد بررسی قرار داده و بعدها آنرا در کتابی تحت عنوان «نانوسیستم‌ها ماشین های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها» توسعه داد.
تاریخچه نانو تکنولوژی در جهان
تاریخچه نانو در جهان
چهل سال پیش ریچارد فیمن متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل در سخنرانی معروف خود در سال ۱۹۵۹ با عنوان آن پایین فضای بسیاری هست به بررسی بعد رشد نیافته علم مواد پرداخت وی در آن زمان اظهار داشت اصول فیزیک، تا آنجایی که من توانایی فهمش را دارم، بر خلاف امکان ساختن اتم به اتم چیزها حرفی نمی زند او فرض را بر این قرار داد که اگر دانشمندان فرا گرفته اند که چگونه ترانزیستورها و دیگر سازه ها را با مقیاس های کوچک بسازند، پس خواهیم توانست که آنها را کوچک و کوچکتر نماییم . در واقع آنها به مرزهای حقیقی شان در لبه های نا معلوم کوانتوم نزدیک خواهند بود به طوری که یک اتم را در مقابل دیگری به گونه ای قرار دهیم که بتوانیم کوچکترین محصول مصنوعی و ساختگی ممکن را ایجاد نماییم و جای این سوال باقی می ماند که با استفاده از این فرمهای بسیار کوچک چه وسایلی می توانیم ایجاد کنیم ؟
فیمن در ذهن خود یک دکتر مولکولی را تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد کوچکتر خواهد بود و می تواند به بدن تزریق شود و درون بدن برای انجام کاری یا مطالعه و تایید سلامتی سلولها، انجام ترمیمی و به طور کلی برای نگهداری بدن در سلامت کامل به سیر بپردازد .واژه فناوری نانو اولین بار توسط نوریوتا ینگوچی استاد علوم دانشگاه توکیو مطرح شد .او این واژه را برای توصیف ساخت مواد (وسایل)دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می باشد،به کاربرد . مینسکی توانست به تفکرات فیمن قوت ببخشد مینسکی پدر هوش مصنوعی و شاگردش درکسلرگروهی از دانشجویان کامپیوتر را به صورت انجمنی دور هم جمع کردند . او افکار جوانترها را با یکسری ایده ها که خودش نانو تکنولوژی نامگذاری کرده بود مشغول می داشت . درکسلر تنها درجه دکتری نانو تکنولوژی را در سال ۱۹۹۱ ازدانشگاه MIT دریافت داشت او یک پیشرو در طرح نانو تکنولوژی است.شکوفایی بسیار از فناوریهای مهم ازجمله فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی به عنوان دو دستاورد بسیار عظیم قرن بیستم بدون بهره گیری از نانو تکنولوژی دچار اختلال خواهند شد .
فناوری نانو چیست؟
فناوری نانو واژه‌ای است کلی که به تمام فناوریهای پیشرفته در عرصه کار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود.معمولاً منظور از مقیاس نانوابعادی در حدود ۱نانو متر تا ۱۰۰ نانو متر میباشد. (۱ نانومتر یک میلیاردیم متر است).هدف فناوری نانو یا نانوتکنولوژی تولید مولکولی یا ساخت اتم به اتم و مولکول به مولکول مواد و ماشین‌ها توسط بازوهای روبات برنامه‌ریزی شده در مقیاس نانومتریک است (نانومتر یک میلیاردم متر است یعنی پهنای معادل با ۳ تا ۴ اتم).رایانه‌ها اطلاعات را تقریباً بدون صرف هیچ هزینه‌ای باز تولید می‌کنند. اقداماتی در دست اجراست تا دستگاههایی ساخته شوند که تقریباً بدون هزینه – شبیه عمل بیتها در رایانه – اتمها را به صورت مجزا به هم اضافه کنند (کنار هم قرار دهند). این امر ساختن خودکار فراورده‌ها را بدون نیروی کار سنتی همانند عمل کپی در ماشینهای زیراکس میسر می‌کند. صنعت الکترونیک با روند کوچک سازی احیاء می‌گردد و کار در ابعاد کوچکتر منجر به ساخت ابزاری می‌شود که قادر به دستکاری اتم‌های منفرد مثل پروتئین‌ها در سیب‌زمینی و همانندسازی اتم های خاک، هوا و آب از خودشان می‌گردد. نانو تکنولوژی تولید کارآمد مواد و دستگاهها و سیستمها با کنترل ماده در مقیاس طولی نانومتر و بهره برداری از خواص و پدیده‌های نو ظهوری است که در مقیاس نانو توسعه یافته‌اند .از اهداف مهم فناوری نانو-وشاید مهمترین آنها-بوجود آوردن ساختار هایى از مواد است که در آنها آرایش مولکول ها از پیش طراحی شده باشد. روش های مرسوم تولید ،مثل ذوب فلزات وسرد کردن آنها در قالب،چنین امکانی را فراهم نمی کنند.تا چند سال پیش، راه دستکاری و جابه‌جا کردنتک‌مولکول‌ها و ساختارهای نانویی یک‌طرفه بود. یعنی برای ساختن چیزها در مقیاسکوچک، می‌بایست یک قطعه‌ی بزرگ‌تر را با تراشیدن و خرد کردن یا حل کردن بخش‌های اضافی با اسید و… آن‌قدر کوچک می‌کردیم تا به قطعه‌ی نهایی برسیم. به عیارت دیگر،روش تولید ساختارهای کوچک، از نوع بالا به پایین بود. در چند سال اخیرفنونی ابداع شده‌اند که اجازه می‌دهند مولکول‌ها یا ذرات نانویی را جابه‌جا و آنهارا به هم متصل کنیم. مثل جابه‌جا کردن ذرات نانویی با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یا فنون ساختن نانولوله‌های کربنی. این فوت و فن‌ها در مجموع روش ساختن از پایین به بالاهستند. فنون گفته‌شده در بالا، برای ساختن محصولاتی که بسیار کوچک‌اند مناسب به نظر می‌رسند، اما اگر بخواهیم یک دیوار چندسانتی‌متریِ یکدست را به این روش بسازیم، چند ده سال طول می‌کشد تا مولکول‌ها را تک‌تک کنار هم بچینیم و دیوارمورد نظر را بسازیم. در عین حال، اگر بخواهیم دیوار را با استفاده از مواد موجود،مانند فلزات و سنگ‌های ساختمانی، بسازیم، دیوار یکدست و منظم نخواهد بود. (مقاله‌ی نانوفناوری چیست؟، ساختار مواد و عیوب کریستالی را ببینید.)پس چه کارکنیم؟پیدا کردن فنون تولید مناسب در نانو فناوری موضوعی است که در چند سال اخیربه‌شدت مورد توجه محققان و دانشمندان بوده است. در واقع، در نانو فناوری هم از روش‌ساختن از بالا به پایین استفاده می‌شود (به کمک فنونی مانند لیتوگرافی و آسیاب کردنذرات) و هم از روش ساختن از پایین به بالا (به کمک فنونی مانند خودآرایی یارسوب‌دهی بخار).
شاخه های فناوری نانو
هنگامی که درباره نانوفناوری شروع به جستجو و مطالعه کنید، به موضوعات ومواد مختلفی بر می خورید مانند:”نانولوله ها، شبیه سازی مولکولی، نانوداروها، سلولهای سوختی، کاتالیزورها، نانوذرات و…” بنابراین ممکن است نانوفناوری رشته ای کاملاً گسترده به نظر آید که موضوعات آن ربط چندانی به هم ندارند. به طورکلی مطالعات نانوفناوری را می توان به سه دسته تقسیم کرد. اگرچه روشهای تحقیقاتی درآن ها بایکدیگر متفاوت است، اما این سه شاخه کاملاً به یکدیگر مرتبط هستند و پیشرفت در یکی از شاخه ها می تواند در شاخه های دیگر نیز کاملاً موثر باشد.
این سه شاخه عبارتند از:
نانو تکنولوژی مرطوب
این شاخه به مطالعه سیستم های زنده ای می پردازد که اساساً در محیطهای آبی وجود دارند.در این شاخه ساختمان مواد ژنتیکی، غشاءها و سایرترکیبات سلولی درمقیاس نانومتر مورد مطالعه قرار می گیرد. پژوهشگران موفق شده اند ساختارهای زیستی فراوانی تولید کنند که نحوه عملکرد آنها در مقیاس نانویی کنترل می شود.این شاخه دربرگیرنده علوم پزشکی،دارویی و به طورکلی علوم و روشهای مرتبط بازیست فناوری است.
نانو تکنولوژی خشک
این شاخه از علوم پایه شیمی و فیزیک مشتق می شودو به مطالعه تشکیل ساختارهای کربنی، سیلیکون و مواد غیر آلی و فلزی می پردازد. نکته قابل توجه اینست که الکترونهای آزاد که در فناوری مرطوب موجب انتقال مواد و انجام واکنشها می گردند، در فناوری خشک خصوصیات فیزیکی ماده را پدید می آورند. درنانوتکنولوژی خشک کاربرد مواد نانویی در الکترونیک، مغناطیس و ابزارهای نوری موردمطالعه قرار می گیرد. برای مثال طراحی و ساختن میکروسکوپ هایی که بتوان با استفادهاز آنها مواد را در ابعاد نانومتر دید.
نانوتکنولوژی محاسبه ای
دربسیاری از مواقع ابزار آزمایشگاهی موجود برای انجام برخی از آزمایشها در مقیاس نانومتر مناسب نیستند و یا آنکه انجام این آزمایشها بسیار گران تمام می شود. در این حالت از رایانه ها برای شبیه سازی فرآیندها و واکنش های اتم ها و مولکول ها استفاده می شود. شناختی که به وسیله محاسبه به دست می آید، باعث می شود که زمان پیشرفت نانوتکنولوژی خشک به چند دهه کاهش یابد و البته تأثیر مهمی در نانوتکنولوژی مرطوب نیز خواهد داشت.
عناصر پایه در فناوری نانو
تفاوت اصلی فناوری نانو با سایر فناوری ها در مقیاس مواد و ساختارهایی که در این فناوری مورد استفاده قرار می گیرند ، می باشد.البته تنها کوچک بودن اندازه مد نظر نیست بلکه زمانی که اندازه مواد در این مقیاس قرار می گیرند، خصوصیات ذاتی آنها از قبیل رنگ، استحکام، مقاومت و خوردگی و… تغییر می کند در حقیقت تفاوت این فناوری با سایر فناوریها به عناصر پایه آن بر می گردد این عناصر همان عناصر نانو مقیاسی هستند که دارای خواصی متفاوت با مقیاس ماکروشان می باشند.
نانو ذرات
منظور از نانو ذرات، ذراتی در ابعاد نانومتری در هر سه بعد می باشند . نانو ذرات می توانند از مواد مختلفی تشکیل شده باشند مانند نانو ذرات فلزی، سرامیکی…
نانو لوله کربنی
این عنصر در سال ۱۹۹۱ کشف شد و در حقیقت لوله هایی از گرافیت می باشند . اگر صفحات گرافیت را پیچیده و به شکل لوله در آوریم به نانو لوله های کربنی می رسیم . این نانولوله‌ها دارای اشکال و اندازه‌های مختلفی هستند و می توانند تک دیواره یا چند دیواره باشند این لوله ها خواص بسیار جالبی دارند که منجر به ایجاد کاربرد های قابل توجهی از آنها می شود .
کاربرد نانولوله‌ها در بخش الکترونیک روشناست؛ خواص الکتریکی و پایداری شیمیایی بی بدیل نانولوله‌ها به طور قاطع ما را به سمت استفاده از این خواص سوق خواهد داد. بنابراین در ادامه به شرح چند مورد ازحوزه‌های مهم کاربرد نانو لوله‌ها می پردازیم.
ترانزیستورها
نانولوله‌ها در آستانه کاربرد در ترانزیستورهای سریع هستند، اما آن ها هنوز هم در اتصالات داخلی استفاده می‌شوند. بسیاری از طراحان دستگاهها تمایل دارند به پیشرفت‌هایی دست یابند که آن ها را به افزایش تعداد اتصالات داخلی دستگاهها در فضای کوچک تر، قادر نماید. ترانزیستورهای ساخته شده ازنانولوله‌ها دارای آستانه می‌باشند (یعنی سیگنال باید از یک حداقل توان برخوردارباشد تا ترانزیستور بتواند آن را آشکار کند) که می‌توانند سیگنال‌های الکتریکی زیرآستانه را در شرایط اختلال الکتریکی یا نویزآشکار و ردیابی نمایند. همچنین ازآنجایی که ضریب تحرک، شاخص حساسیت یک ترانزیستور برای کشف بار یا شناسایی مولکول مجاور میباشد، لذا ضریب تحرک مشخص می‌کند که قطعه تا چه حد می‌تواند خوب کار کند. ضریب تحرک تعیین می‌کند که بارها در یک قطعه چقدر سریع حرکت می‌کنند و این نیزسرعت نهایی یک ترانزیستور را تعیین می‌نماید.لذا اهمیت استفاده از نانولوله‌ها و تولید ترانزیستورهای نانولوله‌ای با داشتن ضریب تحرک برابر با ۱۰۰ هزار سانتیمترمربع بر ولت ثانیه در مقابل سیلیکون با ضریب تحرک ۱۵۰۰ سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه و ایندیم آنتیمونید (بالاترین رکورد بدست آمده تا به امروز) با ضریب تحرک ۷۷ هزارسانتیمتر مربع بر ولت ثانیه بیش از پیش مشخص می‌شود.
حسگرها
حسگرها ابزارهایی هستند که تحت شرایط خاص، از خودواکنش‌های پیش‌بینی شده و مورد انتظار نشان می‌دهند. شاید دماسنج را بتوان جزءاولین حسگرهای که بشر ساخت به حساب آورد. با توجه به وجود آمدن وسایل الکترونیکی وتحولات عظیمی که در چند دهه اخیر و در خلال قرن بیستم به وقوع پیوسته است، امروزه نیاز به ساخت حسگرهای دقیق‌تر، کوچک تر و با قابلیتهای بیشتر احساسمی‌شود.حسگرهایی که امروزه مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای حساسیت بالایی هستند به طوری که به مقادیر ناچیزی از هر گاز، گرما یا تشعشع حساسند. بالا بردن درجه حساسیت، بهره و دقت این حسگرها نیاز به کشف مواد و ابزارهای جدید دارد. باآغاز عصر نانوفناوری، حسگرها نیز تغییرات شگرفی خواهند داشت. یکی از نامزدهای ساخت حسگرها، نانولوله‌ها خواهند بود. با نانولوله‌ها می‌توان، هم حسگر شیمیایی و هم حسگر مکانیکی ساخت. به خاطر کوچک و نانومتر بودن ابعاد این حسگرها، دقت و واکنش آنها بسیار زیاد خواهد بود، به گونه‌ای که حتی به چند اتم از یک گاز نیز واکنش نشان خواهندداد .تحقیقات نشان می‌دهد که نانولوله‌ها به نوع گازی که جذب آن ها می‌شود حساس می باشند؛ همچنین میدان الکتریکی خارجی، قدرت تغییر دادن ساختارهایگروهی از نانولوله‌ها را دارد؛ و نیزمعلوم شده است که نانولوله‌های کربنی به تغییرشکل مکانیکی از قبیل کشش حساس هستند. گاف انرژی نانولوله‌های کربنی به طور چشمگیری درپاسخ به این تغییر شکل‌ها می‌تواند تغییر کند. همچنین می‌توان با استفاده ازمواد واسط، مانند پلیمرها، در فاصله میان نانولوله‌های کربنی و سیستم، نانولوله‌های کربنی را برای ساخت زیست حسگرها نیز توسعه داد. تحقیق در زمینه کاربرد نانولوله‌ها در حسگرها در حال توسعه و پیشرفت است و مطمئناً در آینده‌ای نه چندان دور شاهدبکارگیری آن ها در انواع مختلف حسگرها(مکانیکی،شیمیایی،تشعشی،حرارتی و(خواهیم بود.
نمایشگرهای گسیل میدانی
بسیاری از متخصصان بر این باورندکه فناوری نمایشگرهای با صفحه تخت امروزی از نظر هزینه، کیفیت و اندازه صفحه نمایش، برای مصارف خانگی مناسب نیستند. آن ها معتقدند که با استفاده از نمایشگرهایی که از نانولوله‌های کربنی به عنوان منبع انتشار استفاده می‌کنند، می توانند این مشکلات را بر طرف کنند . نانولوله‌های کربنی می‌توانند عنوان بهترین گسیل کننده میدانی را به خود اختصاص داده و ابزارهای الکترونی با راندمان وکارایی بالاتری تولید کنند. خصوصیات منحصر به فرد این نانولوله‌ها، تولیدکنندگان را قادربه تولید نوعی جدید از صفحه نمایش‌های تخت خواهد ساخت که ضخامت آن ها به اندازه چنداینچ بوده و نسبت به فناوریهای فعلی از قیمت مناسب‌تری برخوردار باشد. به علاوه کیفیت تصویر آن ها هم به مراتب بهتر خواهد بود. در پدیده گسیل میدانی، الکترونها با استفاده از ولتاژ اندک از فیلم‌های ضخیم دارای نانولوله به سمت صفحه نمایش پرتابشده و باعث روشن شدن آن می‌شوند. هر نقطه از این فیلم، یک پرتاب کننده الکترون (تفنگ الکترونی) کوچک است که تصویر را روی صفحه نمایش ایجاد می‌کند. ولتاژ لازم برای نمایشگر گسیل میدانی از طریق صفحه نمایش صاف متکی بر نانولوله نسبت به آنچهبه صورت سنتی در روش اشعه کاتدی استفاده می‌شد، کمتر میباشد و این نانولوله‌ها باولتاژ کمتر، نور بیشتری تولید می‌کنند.
حافظه‌های نانولوله‌ای
به دلیل کوچکی بسیار زیادنانولوله‌های کربنی (که در حد مولکولی است)، اگر هر نانولوله بتواند تنها یک بیت اطلاعات در خود جای دهد، حافظه‌هایی که از این نانولوله‌ها ساخته می‌شوند می‌توانندمقادیر بسیار زیادی اطلاعات را در خود ذخیره نمایند. با در نظر داشتن این مطلب،بسیاری از محققان در حال کار بر روی ساخت حافظه‌های نانولوله‌ای می‌باشند؛ بنابراین رؤیای ساخت رایانه‌های با سرعت بالا عملی خواهد شد.
فهرست مطالب
مقدمه
تاریخچه نانو درجهان
فناوری نانو چیست؟
شاخه های فناوری نانو
نانو تکنو لوژی مرطوب
نانو تکنولوژی خشک
نانو تکنو لوژی محاسبه ای
عناصر پایه در فناوری نانو
اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذرات
عنصر پایه بعدی نانو لوله کربنی
ترانزیستورها
حسگرها
نمایشگرهای گسیل میدانی
حافظه‌های نانولوله‌ای
استحکام‌دهی کامپوزیت‌ها
سومین عنصر پایه نانو کپسول
فناوری نانو در آینده نه چندان دور
نانو چقدر کوچک است؟
آینده زیر سایه نانو
چندمحصول تجارى شده با استفاده از فناورى نانو
پارچه هاى ضدچروک و ضدلکه
محافظت پوست، با قابلیت نفوذ عمیق
عینک هاى آفتابى با کیفیت بالا
نانو جوراب
کرم هاى ضدآفتاب
فشرده‌کردن نانوپودرها در دمای پائین
وضعیت جهانی
خلاصه فصل اول
فصل دوم:نانو تکنولوژی
مقدمه
تاریخچه نانوتکنولوژی
تاریخچه نانو در جهان
آغاز نانوتکنولوژی
نانو تکنولوژی، فناوری نوین
نانوتکنولوژی چیست؟
نانوتکنولوژی به زبان ساده
اصول پایه نانو تکنولوژی
نانو تکنولوژی علم خواص عجیب مواد
نانو تکنولوژی از دیدگاه جامعه شناختی
نانو تکنولوژی در ایران
چشم انداز علم نانو تکنولوژی
قابلیتهای محتمل تکنیکی نانوتکنولوژی
کاربردهای نانوتکنولوژی
پزشکی و بدن انسان
دوام‌پذیری منابع
هوا و فضا
امنیت ملّی
فناوری نانووشیمی
فناوری نانو و پزشکی
فناوری نانو و حمل و نقل
صنعت الکترونیک
تحولات نانوتکنولوژی
نانو لوله‌ها
ایجاد رشته‌های نانولوله‌ای
شناسایی طیف نوری نانولوله‌های کربنی
خلاصه فصل دوم
فصل سوم:کاربرد نانو تکنولوژی در الکترونیک
مقدمه
نانو الکترونیک
روند تجارت فناوری‌نانو در ژاپن
روند صنعت خطرپذیرفناوری‌نانو
وضعیت توسعه شرکت‌های خطرپذیر فناوری‌نانو
مراحل رشد مشخصه‌هاوشرکت‌های خطر پذیر فناوری نانو
وضعیت صنعت فناوری‌نانو در ژاپن
نکات راه تجارت فناروی‌نانو در عرصه الکترونیک
موضوعات الکترونیک
موادLSIجدید تاریخچه ی ابررسانای
تقویت خاصیت ابررسانایی
ابزارهای نانویی
خطای سیگنال وخطای سازه
پروژهFP
Cmos
سیماس در دوربین دیجیتال
به جلو راندن خط مقدم فناوری
طراحی تراشه‌ی جدید
تراشه‌هایی با قابلیت ریزموج برای ارتباطات بی سیمی
بکارگیری فناوری FPNI
توسعۀ ابزار سخت‌افزاری با سرعت بالا
ساخت ترانزیستور CNT
نانو حسگر هاشامل mems های خودکار
ساختار کلی یک حسگر
خصوصیات حسگرها
نانوحسگرها
انواع نانو حسگرها
استفادهاز نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها
استفاده ازنانولوله ها درتولیدنانوحسگرها
نانو حسگرها و کنترل آلودگی هوا
جذابیت‌های نانوحسگرها
آینده نگری
طراحی یک انگشت هوشمند به وسیله نانوحسگرها
مواد MEMS چیست؟
کاربردهای MEMS
آینده سیستم‌های نانوالکترومکانیکی
یک سیستم الکترومکانیکی چیست ؟
فایده نانوماشین‌ها
چالشهای NEMS
نقش فیزیک سطح
نمایشگرها
HUD، نسل جدید نمایشگرها
ورود نمایشگر
استفاده از نانو در دوربین های دیجیتال
دستاوردی جدید
تولید سمعک – نانو
دانشمندان سوئدی ابرکاغذی محکمترازچدن ساختند
الکترونیک سه بعدی ره‌آوردچاپ نانومواد
آیا نانوتکنولوژی واقعی است؟
نتیجه گیری
منابع