مقاله کاربرد نانو تکنولوژی در الکترونیک

در این مقاله به بررسی کاربردهای نانو تکنولوژی در صنعت الکترونیک پرداخته شده است. نانو تکنولوژی با تغییر خواص مواد در مقیاس نانو، امکان ساخت دستگاه‌های الکترونیکی کوچک‌تر، سریع‌تر و با کارایی بالاتر را فراهم می‌کند.

مقدمه

در سال 1959، ریچارد فاینمن با ارائه یک سخنرانی حاوی عنوان «فضای زیادی در سطوح پایین وجود دارد»، به عنوان اولین جرقه فناوری نانو (البته در آن زمان هنوز به این نام شناخته نشده بود) شناخته شد. او در این سخنرانی ایده اصلی فناوری نانو را مطرح کرد، با تاکید بر اینکه در آینده‌ای نزدیک، می‌توان مولکول‌ها و اتم‌ها را به صورت مستقیم دستکاری کرد. ویژگی‌های منحصر به‌ فرد این مقاله، پایه‌گذاری برای توسعه و پیشرفت فناوری نانو بعدی بود.

نوریوتاینگوچی، استاد دانشگاه علوم توکیو، در سال 1974 واژه “فناوری نانو” را به کار برد. او این اصطلاح را برای توصیف ساخت مواد دقیقی که تلورانس ابعادی آنها در حد نانومتر می‌باشد، ابداع کرد. در آن زمان این واژه به تدریج در حوزه علمی جا افتاد و در سال 1986، کی اریک درکسلر در کتاب “موتور آفرینش: آغاز دوران فناوری‌ نانو” اقدام به بازآفرینی و تعریف مجدد این مفهوم کرد. او این اصطلاح را در رساله دکترای خود به شکل عمیق‌تری مورد بررسی قرار داد و در کتاب “نانوسیستم‌ها ماشین‌های مولکولی چگونگی ساخت و محاسبات آنها”، به توسعه و تبیین بیشتر این مفهوم پرداخت.

تاریخچه نانو تکنولوژی در جهان

در سال 1959، ریچارد فاینمن، متخصص کوانتوم نظری و دارنده جایزه نوبل، در یک سخنرانی بزرگ با عنوان “آن پایین فضای بسیاری هست” به بررسی آیندهٔ علم مواد پرداخت. او در آن زمان اظهار داشت که اصول فیزیک به مرزهای حقیقی خود در لبه های نا معلوم کوانتوم نزدیک خواهند بود. ایده اصلی او این بود که اگر دانشمندان بتوانند ترانزیستورها و دیگر سازه‌ها را با مقیاس کوچک بسازند، می‌توانند به مرزهای کوانتوم نزدیک‌تر بروند و به تولید محصولات کوچکترین مصنوعی و ساختگی بپردازند.

ریچارد فاینمن به تصویر ذهنی خود یک دکتر مولکولی پیش رفت و تصور کرد که صدها بار از یک سلول منحصر به فرد کوچکتر است، که می‌تواند به بدن تزریق شود و درون بدن برای انجام کارهایی مانند مطالعه و تایید سلامتی سلول‌ها، انجام ترمیم و نگهداری بدن در سلامت کامل مشغول به فعالیت باشد. این تصویر ذهنی نقطه شروعی بود که در آن زمان به عنوان فناوری نانو شناخته نمی‌شد.

واژه “فناوری نانو” برای اولین بار توسط نوریوتاینگوچی، استاد علوم دانشگاه توکیو، در سال 1974 مطرح شد. او این اصطلاح را برای توصیف ساخت مواد دقیقی با تلرانس ابعادی در حد نانومتر به کار برد. در طول سال‌ها، این مفهوم به تدریج در علم و فناوری جا افتاد و توسط دیگر محققان و علاقمندان به توسعه و پژوهش در زمینه نانو تکنولوژی ترغیب شد. در این راستا، مینسکی پدر هوش مصنوعی و شاگرد درکسلر، گروهی از دانشجویان کامپیوتر را جمع کرد و با ایده‌های نانو تکنولوژی که خود توسعه داده بود، تفکرات جدیدی در حوزه فناوری نانو را آغاز کرد.

در سال 1991، درکسلر تنها درجه دکتری نانو تکنولوژی را از دانشگاه MIT دریافت کرد و به عنوان پیشروی در زمینه نانو تکنولوژی شناخته شد. وی با ایده‌ها و پژوهش‌های خود، به تسریع پیشرفت‌های فناوری‌های مختلف از جمله فناوری اطلاعات و بیوتکنولوژی کمک کرد و نشان داد که بدون بهره‌گیری از نانو تکنولوژی، پیشرفت در بسیاری از زمینه‌ها دچار اختلال خواهد شد.

فناوری نانو چیست؟

فناوری نانو، واژه‌ای جهانی است که به تمام فناوری‌های پیشرفته در زمینه کار با مقیاس نانو اطلاق می‌شود. این فناوری به معنای کلی تلاش برای کنترل و بهینه‌سازی ساختارها و خواص مواد در مقیاس نانومتری است، که معمولاً ابعادی در حدود 1 نانومتر تا 100 نانومتر را شامل می‌شود. (1 نانومتر یک میلیاردیم متر است).

هدف اصلی از فناوری نانو یا نانو تکنولوژی، تولید مولکولی یا ساخت اتم به اتم و مولکول به مولکول مواد و ماشین‌ها در مقیاس نانومتری است. این امر به وسیله بازوهای روبات برنامه‌ریزی شده در مقیاس نانومتریک انجام می‌شود. این فناوری امکان تولید مواد و دستگاه‌ها با کنترل دقیق در مقیاس نانومتری را فراهم کرده و به دست آوردن خواص و پدیده‌های جدید در این مقیاس را ممکن ساخته است.

یکی از اهداف مهم فناوری نانو، ایجاد ساختارهایی است که مولکول‌ها در آنها از پیش طراحی شده باشند. این به معنای توسعه موادی است که از روش‌های مرسوم تولید، مثل ذوب فلزات و سرد کردن آنها در قالب، قابلیت فراهم کردن آنچه مورد نیاز است را ندارند. نانو تکنولوژی به توانایی ایجاد مواد و سیستم‌ها با کنترل ماده در مقیاس نانومتر و بهره‌گیری از خواص و پدیده‌های نوظهور در این مقیاس پرداخته و جدیدترین پیشرفت‌ها را به ارمغان می‌آورد.

فناوری نانو به عنوان یک ابزار قدرتمند در زمینه‌های مختلف مورد استفاده قرار گرفته است. در علوم رایانه، اطلاعات تقریباً بدون هزینه‌ای باز تولید می‌شوند و اقداماتی در حال انجام است تا دستگاه‌هایی ساخته شوند که بتوانند اتم‌ها را به صورت مجزا به هم اضافه کنند. این امر انقلابی را در صنعت الکترونیک به همراه داشته و به کوچک‌ سازی روند احیاء این صنعت کمک کرده است.

صنعت الکترونیک با ادغام نانو تکنولوژی به سرعت در حال احیاء می‌گردد و این کار به ساخت ابزارهایی کمک می‌کند که قادر به دستکاری اتم‌ها در سطحی مثل پروتئین‌ها در سیب‌ زمینی و ساختارهای نانویی در زمینه‌های مختلف می‌باشند. همچنین، فناوری نانو به تولید کارآمدترین مواد و دستگاه‌ها در مقیاس نانومتری می‌پردازد و این امکان را فراهم می‌سازد که از خواص و پدیده‌های نو ظهوری که در این مقیاس توسعه یافته‌اند، بهره‌مند شویم.

با توجه به پیشرفت‌های اخیر در حوزه نانو تکنولوژی، امکان دستکاری و جا به‌ جا کردن تک‌ مولکول‌ها و ساختارهای نانویی به نحوه‌ای دوسویه شده است. این امر تحولی در روش‌های ساختن محصولات را ایجاد کرده و به تدریج از روش‌های بالا به پایین به روش‌های از پایین به بالا مهاجرت می‌کند. به عبارت دیگر، فنونی ابداع شده‌اند که اجازه می‌دهند مولکول‌ها یا ذرات نانویی را جا به‌ جا و به یکدیگر متصل کنیم، مانند جا به‌ جا کردن ذرات نانویی با میکروسکوپ نیروی اتمی (AFM) یا استفاده از فنون ساختن نانولوله‌های کربنی. نانو تکنولوژی به عنوان یک زمینه فراگیر در جهان علم و صنعت به سرعت پیشرفت می‌کند و پیش‌بینی می‌شود که تأثیرات بیشتری در زندگی روزمره و تکنولوژی‌های مختلف خواهد داشت.

شاخه های فناوری نانو

هنگامی که به جستجو و مطالعه در زمینه نانوفناوری می‌پردازید، با موضوعات و مواد متنوعی مانند نانولوله‌ها، شبیه‌سازی مولکولی، نانوداروها، سلول‌های سوختی، کاتالیزورها، نانوذرات و … رو به‌ رو می‌شوید. این تنوع و گستردگی موضوعات نشان‌ دهنده این است که نانوفناوری به عنوان یک حوزه پژوهشی بسیار گسترده و چندرشته‌ای در نظر گرفته می‌شود، که به طور کلی می‌توان مطالعات آن را به سه دسته تقسیم کرد. این سه دسته شامل موضوعات متنوعی هستند که اگرچه در روش‌های تحقیقاتی آن‌ها اختلافاتی دارند، اما ارتباطات فراوانی با یکدیگر دارند و پیشرفت در یکی از این شاخه‌ها می‌تواند به بهبود و پیشرفت در شاخه‌های دیگر نانوفناوری منجر گردد.

نانو تکنولوژی مرطوب

نانو تکنولوژی مرطوب، به مطالعه سیستم‌های زنده‌ای می‌پردازد که اساساً در محیط‌های آبی وجود دارند. در این شاخه از نانو تکنولوژی، ساختمان مواد ژنتیکی، غشاءها، و سایر ترکیبات سلولی در مقیاس نانومتر مورد مطالعه و تحقیق قرار می‌گیرد. پژوهشگران در این زمینه توانسته‌اند ساختارهای زیستی متنوعی را تولید کنند که نحوه عملکرد آنها در مقیاس نانویی کنترل می‌شود. این دستاورد‌ها از طریق ایجاد ساز و کارهای کنترل شده در سطح نانومتری، اقدام به تحول در حوزه‌های مختلف علوم پزشکی، داروسازی، و به طور کلی علوم و روش‌های مرتبط با بیوتکنولوژی نموده‌اند. نانو تکنولوژی مرطوب به عنوان یک زمینه فراگیر، با امکانات بالقوه در حوزه‌های بهداشت و پزشکی، افتتاحیه‌ای برای پیشرفت در زمینه تحقیقات زنده‌ای به سطح نانومتر ایجاد کرده و به توسعه فناوری‌های نوین و ارتقاء روش‌های درمانی و تشخیصی کمک نموده است.

نانو تکنولوژی خشک

این حوزه از علوم پایه از ترکیب شاخه‌های شیمی و فیزیک مشتق می‌شود و به بررسی تشکیل ساختارهای مولکولی کربنی، سیلیکونی، و مواد غیرآلی و فلزی می‌پردازد. یک نکته حائز اهمیت در این زمینه، نقش الکترون‌های آزاد است که در فناوری مرطوب انتقال مواد و اجرای واکنش‌های شیمیایی را تسهیل می‌کنند، درحالی‌که در فناوری خشک، خصوصیات فیزیکی ماده را تحت تأثیر قرار می‌دهند. در زمینه نانو تکنولوژی خشک، مطالعات به کاربرد مواد نانویی در حوزه‌های الکترونیک، مغناطیس و ابزارهای نوری اختصاص دارد. به عنوان مثال، طراحی و ساخت میکروسکوپ‌هایی که قابلیت مشاهده مواد در ابعاد نانومتری را دارند، از جمله تحقیقات موردنظر در این زمینه است.

نانو تکنولوژی محاسبه ای

در بسیاری از موارد، ابزارهای آزمایشگاهی برای اجرای آزمایشات در مقیاس نانومتری مناسب نیستند یا هزینه اجرای این آزمایشات بسیار گران می‌شود. به علت این محدودیت‌ها، از رایانه‌ها به عنوان ابزاری جایگزین برای شبیه‌سازی فرآیندها و واکنش‌های اتم‌ها و مولکول‌ها استفاده می‌شود. شناختی که از طریق محاسبات به دست می‌آید، منجر به کاهش زمان پیشرفت در حوزه نانو تکنولوژی خشک می‌شود و به طور همزمان تأثیر مهمی در توسعه نانو تکنولوژی مرطوب نیز خواهد داشت. این استفاده از رایانه‌ها در تحقیقات نانوسازی به دلیل کارایی بالا و کاهش هزینه‌ها، در ارتقاء فهم ما از رفتار مواد در ابعاد نانومتری و تسهیل در طراحی نانوساختارها تأثیرگذار بوده و امکان تسریع در پیشرفت هر دو نهاد نانو تکنولوژی خشک و مرطوب را فراهم می‌کند.

عناصر پایه در فناوری نانو

در بسیاری از موارد، ابزارهای آزمایشگاهی برای اجرای آزمایشات در مقیاس نانومتری مناسب نیستند یا هزینه اجرای این آزمایشات بسیار گران می‌شود. به علت این محدودیت‌ها، از رایانه‌ها به عنوان ابزاری جایگزین برای شبیه‌ سازی فرآیندها و واکنش‌های اتم‌ها و مولکول‌ها استفاده می‌شود. شناختی که از طریق محاسبات به دست می‌آید، منجر به کاهش زمان پیشرفت در حوزه نانو تکنولوژی خشک می‌شود و به طور همزمان تأثیر مهمی در توسعه نانو تکنولوژی مرطوب نیز خواهد داشت. این استفاده از رایانه‌ها در تحقیقات نانوسازی به دلیل کارایی بالا و کاهش هزینه‌ها، در ارتقاء فهم ما از رفتار مواد در ابعاد نانومتری و تسهیل در طراحی نانوساختارها تأثیرگذار بوده و امکان تسریع در پیشرفت هر دو نهاد نانو تکنولوژی خشک و مرطوب را فراهم می‌کند.

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

نانولوله‌های کربنی که در سال 1991 کشف شدند، در واقع لوله‌هایی از گرافیت هستند که از پیچیده شدن صفحات گرافیت به شکل لوله به وجود آمده‌اند. این نانولوله‌ها دارای اشکال و اندازه‌های مختلف بوده و ممکن است تک دیواره یا چند دیواره باشند. خواص منحصر به فرد این لوله‌ها، آنها را به یک منبع ارزشمند در فناوری‌های مختلف تبدیل کرده است.

یکی از حوزه‌های مهم کاربرد نانولوله‌ها، بخش الکترونیک است. خواص الکتریکی و پایداری شیمیایی منحصر به فرد نانولوله‌ها باعث جلب توجه در زمینه الکترونیک شده است. استفاده از این خواص به ارتقاء عملکرد دستگاه‌ها و تجهیزات الکترونیکی منجر می‌شود. علاوه بر این، نانولوله‌های کربنی به عنوان مواد سازگار با الکترونیک ارائه شده و در تولید ترانزیستورها، حافظه‌های نانو، و سنسورهای الکترونیکی استفاده می‌شوند. این تلاقی بین خواص یکتا نانولوله‌ها و نیازهای فناوری الکترونیک، این مواد را به یکی از اجزای بسیار مهم و پیشرفته در صنعت الکترونیک تبدیل کرده است.

ترانزیستورها

نانولوله‌ها در حال حاضر در آستانه کاربردهای بسیار پررنگ در ترانزیستورهای سریع قرار دارند، اما هنوز هم به عنوان اتصالات داخلی در دستگاه‌ها به کار می‌روند. بسیاری از مهندسان و طراحان دستگاه‌ها دنبال پیشرفت‌های جدیدی هستند که امکان افزایش تعداد اتصالات داخلی در فضای کوچک‌تر را به آن‌ها بدهد.

ترانزیستورهای ساخته شده از نانولوله‌ها دارای آستانه‌ای هستند که به معنایی است که سیگنال الکتریکی باید از یک حداقل توان برخوردار باشد تا ترانزیستور قادر به آشکار سازی آن شود. این آستانه می‌تواند سیگنال‌های الکتریکی زیرآستانه را در شرایط اختلال الکتریکی یا نویز آشکار و ردیابی نماید. همچنین با توجه به اهمیت ضریب تحرک در حساسیت ترانزیستور به کشف بار یا شناسایی مولکول مجاور، استفاده از نانولوله‌ها در تولید ترانزیستورهای نانولوله‌ای با ضریب تحرک بسیار بالا (برابر با 100 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه)، در مقایسه با سیلیکون (با ضریب تحرک 1500 سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه) و ایندیم آنتیمونید (که دارای بیشترین ضریب تحرک به دست آمده تا کنون با 77 هزار سانتیمتر مربع بر ولت ثانیه است)، به وضوح اهمیت و توجیه اقتصادی بیشتری پیدا می‌کند.

فهرست مطالب

مقاله کاربرد نانو تکنولوژی در الکترونیک
چکیده
فصل اول: فناوری نانو
مقدمه
1-1- تاریخچه نانو درجهان
1-2- فناوری نانو چیست؟
1-3- شاخه های فناوری نانو
1-3-1- نانو تکنو لوژی مرطوب
1-3-2- نانو تکنولوژی خشک
1-3-3- نانو تکنو لوژی محاسبه ای
1-4- عناصر پایه در فناوری نانو
1-4-1- اولین و مهمترین عنصر پایه، نانو ذرات
1-4-2- عنصر پایه بعدی نانو لوله کربنی
1-4-2-1- ترانزیستورها
1-4-2-2- حسگرها
1-4-2-3- نمایشگرهای گسیل میدانی
1-4-2-4- حافظه‌های نانولوله‌ای
1-4-2-5- استحکام‌دهی کامپوزیت‌ها
1-4-3- سومین عنصر پایه نانو کپسول
1-5- فناوری نانو در آینده نه چندان دور
1-6-نانو چقدر کوچک است
1-7-آینده زیر سایه نانو
1-8-چندمحصول تجارى شده با استفاده از فناورى نانو
1-8-1پارچه هاى ضدچروک و ضدلکه
1-8-2- محافظت پوست، با قابلیت نفوذ عمیق
1-8-3-عینک هاى آفتابى با کیفیت بالا
1-8-4-نانو جوراب
1-8-5-کرم هاى ضدآفتاب
1-8-6-فشرده‌کردن نانوپودرها در دمای پائین
1-9-وضعیت جهانی
خلاصه فصل اول
فصل دوم: نانو تکنولوژی
مقدمه
2-1-تاریخچه نانو تکنولوژی
2-2-تاریخچه نانو در جهان
2-3-آغاز نانو تکنولوژی
2-4-نانو تکنولوژی، فناوری نوین
2-5-نانو تکنولوژی چیست
2-6-نانو تکنولوژی به زبان ساده
2-7-اصول پایه نانو تکنولوژی
2-8-نانو تکنولوژی علم خواص عجیب مواد
2-9-نانو تکنولوژی از دیدگاه جامعه شناختی
2-10-نانو تکنولوژی در ایران
2-11-چشم انداز علم نانو تکنولوژی
2-12-قابلیتهای محتمل تکنیکی نانو تکنولوژی
2-13-کاربردهای نانو تکنولوژی
2-13-1-پزشکی و بدن انسان
2-13-2-دوام‌پذیری منابع
2-13-3-هوا و فضا
2-13-4-امنیت ملّی
2-13-5-فناوری نانو و شیمی
2-13-6-فناوری نانو و پزشکی
2-13-7-فناوری نانو و حمل و نقل
2-13-8- صنعت الکترونیک
2-14-تحولات نانو تکنولوژی
2-14-1-نانو لوله‌ها
2-14-1-1-ایجاد رشته‌های نانولوله‌ای
2-14-1-2-شناسایی طیف نوری نانولوله‌های کربنی
خلاصه فصل دوم
فصل سوم: کاربرد نانو تکنولوژی در الکترونیک
مقدمه
3-1-نانو الکترونیک
3-2-روند تجارت فناوری‌نانو در ژاپن
3-2-1-روند صنعت خطر پذیر فناوری‌ نانو
3-2-2-وضعیت توسعة شرکت‌های خطرپذیر فناوری‌نانو
3-2-3-مراحل رشد مشخصه‌هاوشرکت‌های خطر پذیر فناوری‌ نانو
3-2-4-وضعیت صنعت فناوری‌نانو در ژاپن
3-2-5- نکات راه تجارت فناروی‌نانو در عرصه الکترونیک
3-3- موضوعات الکترونیک
3-3-1-مواد LSI جدید
3-3-1-1-تاریخچه ی ابررسانای
3-3-1-2-تقویت خاصیت ابررسانایی
3-3-2- ابزارهای نانویی
3-3-2-1-خطای سیگنال وخطای سازه
3-3-2-2-پروژه FP6
3-3-2-3-Cmos
3-3-2-4-سیماس در دوربین دیجیتال
3-3-2-5-به جلو راندن خط مقدم فناوری
3-3-2-6-طراحی تراشه‌ی جدید
3-3-2-7-تراشه‌هایی با قابلیت ریزموج برای ارتباطات بی سیمی
3-3-2-8-بکارگیری فناوری FPNI
3-3-2-9-توسعۀ ابزار سخت‌افزاری با سرعت بالا
3-3-2-10-ساخت ترانزیستور CNT
3-3-3-نانو حسگر هاشامل mems های خودکار
3-3-3-1-ساختار کلی یک حسگر
3-3-3-2-خصوصیات حسگرها
3-3-3-3-نانوحسگرها
3-3-3-4-انواع نانو حسگرها
3-3-3-4-1-استفادهاز نقاط کوانتومی درتولید نانو حسگرها
3-3-3-4-2-استفاده ازنانولوله ها درتولیدنانوحسگرها
3-3-3-5-نانو حسگرها و کنترل آلودگی هوا
3-3-3-6-جذابیت‌های نانوحسگرها
3-3-3-7-آینده نگری
3-3-3-8-طراحی یک انگشت هوشمند به وسیله نانوحسگرها
3-3-3-9-مواد MEMS چیست؟
3-3-3-10-کاربردهای MEMS
3-3-3-11-آیندة سیستم‌های نانوالکترومکانیکی
3-3-3-12-یک سیستم الکترومکانیکی چیست؟
3-3-3-13-فایدة نانوماشین‌ها
3-3-3-14-چالشهای NEMS
3-3-3-15-نقش فیزیک سطح
3-3-4-نمایشگرها
3-3-4-1-HUD، نسل جدید نمایشگرها
3-3-4-2-ورود نمایشگر
3-3-4-3-استفاده از نانودردوربین‌های دیجیتال
3-3-4-4-دستاوردی جدید
3-3-4-5-تولید سمعک – نانو
3-3-4-6-دانشمندان سوئدی ابرکاغذی محکمتر از چدن ساختند
3-3-4-7-الکترونیک سه بعدی ره‌آوردچاپ نانومواد
آیا نانو تکنولوژی واقعی است؟
نتیجه گیری
منابع
چکیده (انگیلسی)
عنوان (انگیلسی)