برترین کاربران هفتگی این مقاله

از ۱۳۹۷/۰۵/۲۰ تا ۱۳۹۷/۰۵/۲۶

هیچ کاربری در این بازه زمانی وجود ندارد

آمار مقاله
  • بازدید کل ۱,۵۹۲
  • بازدید این ماه ۴۰
  • بازدید امروز ۵
آمار آزمون مقاله
  • کل شرکت کنندگان ۰
  • قبول شدگان ۰
  • شرکت کنندگان یکتا ۰
  • میانگین درصد شرکت کنندگان ۰
واژه نامه فناوری نانو

نانو

nano

پيشوندي به معناي يک بيليونم يا (000،000،000،1/1). در متون فناوري‌نانو، معمولا براي مشخص کردن يک واحد اندازه‌گيري برابر با 10 به توان منفي 9 متر استفاده مي‌شود.

سطح مقاله

ویژه المپیاد دانش‌آموزی

طرح درس

منابع پیشنهادی نهمین المپیاد دانش آموزی نانو

امتیاز کاربران

نانولوله‌های کربنی پاسخی برای چالش‌های نانوالکترونیک (کربن به جای سیلیسیوم)

مقدمه

     ایده‌ی ترانزیستورهای سیلیکونی از آنجایی که توانایی قرار گرفتن در دو وضعیت روشن (on) و خاموش (off) را دارند، پس از طرح در دنیای الکترونیک به سرعت مورد نظر صنایع الکترونیک قرار گرفت. در واقع؛ در حالیکه مکانیسم عملیات مدارهای مجتمع رایانه‌ها تا قبل از این، بر اساس روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء انجام می‌‌گرفت؛ ترانزیستورهای سیلیکونی به عنوان ابزارهای کوچک‌تر و ارزان‌تری که ساخت میلیون‌ها عدد از آن در زمان اندکی میسر بود، جایگزین لامپ‌های خلاء شد. لذا در اندک زمانی ایده‌ی روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء به کلی فراموش شد و ترانزیستورهای سیلیکونی دنیای الکترونیک را از آنِ خود کرد. سیلیکون (همان عنصر سیلیسیوم یا Si ) نیز به عنوان ماده‌ای که خواص نیمه‌رسانایی دارد و به فراوانی در طبیعت یافت می‌شود، ماده‌ی اصلی ساخت ترانزیستورها گردید.

filereader.php?p1=main_6512bd43d9caa6e02
شکل1: مکانیسم عملیات مدارهای مجتمع رایانه‌ها تا قبل از این، بر اساس
 روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء انجام می‌گرفت

filereader.php?p1=main_c20ad4d76fe97759a
شکل2: ترانزیستورهای سیلیکونی به عنوان ابزارهای کوچک‌تر و ارزان‌تری
 که ساخت میلیون‌ها عدد ازآن در زمان اندکی میسر بود، جایگزین لامپ‌های خلاء شد.
     به تدریج و با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستورها، از سویی محدودیت‌های بسیاری در فرآیند ساخت آنها ایجاد می‌گردید و از سوی دیگر، چالش‌های بسیاری در عملکرد ترانزیستورها مشاهده می‌شد. پژوهشگران و دانشمندان الکترونیک بخشی از این محدودیت‌ها و چالش‌ها را با نوآوری‌ها و ابداعاتی برطرف کردند. اما ورود به دنیای نانو، همان قدر که مزایای شگفت‌انگیزی را به دنبال داشت، محدودیت‌ها و چالش‌های بسیاری را نیز در پی داشت. برخی از این چالش‌ها مربوط به فرآیند و فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی است و بخشی نیز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است که پایه و اساس مدارهای الکترونیکی می‌باشد. محدودیت‌های فناوری و چالش‌های کوانتومی مهم‌ترین چالش‌های نانو الکترونیک است.
     افزایش این مسائل پژوهشگران را به فکر جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی انداخت. در واقع آنان به این موضوع می‌اندیشیدند که آیا به جای استفاده از ترانزیستورها و ابزارهای سیلیکونی (یعنی از جنس سیلیسیوم) که با چنین محدودیت‌هایی روبرو است، می‌توان از مواد دیگری استفاده کرد. کشف نانولوله‌های کربنی Carbon Nano Tube) یا (CNT در سال 1991 توسط ایجمیا رویای آنان را به واقعیت نزدیک کرد. نانولوله‌های کربنی با خواص خاص و چشم‌گیر الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارد، هم از دیدگاه بنیادی و هم از دیدگاه کاربردی به سرعت کانون توجه پژوهشگران حوزه‌های گوناگون دانش قرار گرفت.
      پس از کشف نانولوله‌های کربنی در سال 1991 و پی بردن به خواص شگفت‌انگیز آن، اکنون برخی پژوهشگران الکترونیک ایده‌ی جایگزینی نانولوله‌های کربنی را به جای ترانزیستورهای سیلیکونی مطرح می‌کنند. گویا به زودی ترانزیستورهای سیلیکونی گرفتار همان سرنوشتی خواهند شد که خود برای لامپ‌های خلاء رقم زدند، خداحافظی از دنیای الکترونیک!

1- چالش‌های نانوترانزیستورها

     همان طور که در بخش‌ها‌ی قبل بیان کردیم با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورهای سیلیکونی، مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل می‌شود. هم‌چنین با افزایش چگالی بار الکتریکی، ظهور پدیده‌های کوانتومی هم‌چون تخلیه‌ی بار الکتریکی و تونل‌زنی الکترونی و در نتیجه ایجاد جریان‌‌های مخرب و نشتی نیز مشکلاتی را می‌آفریند.
علاوه بر این با افزایش چگالی جریان الکتریکی، دمای ترانزیستورها به شدت افزایش می‌یابد و در ابعاد بسیار کوچک (ابعاد نانومتری) ممکن است دمای این نانوترانزیستورها به چندین هزار درجه‌ی سلسیوس هم برسد! و بدین ترتیب این نانوترانزیستورها در چند لحظه ذوب می‌شوند.


2- جایگزینی نانوترانزیستورها با ...؟


     با وجود مشکلات و مسائلی که بیان شد، پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچک‌تر هستند. یک گام اساسی در انجام کوچک سازی مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکول‌های منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین منظور بررسی خواص الکترونیکی نانولوله‌های کربنی، نتایج امیدوار کننده‌ای را به دنبال داشته است.
     برای ساخت نانولوله‌های کربنی نیازی به فرآیند لیتوگرافی نوری نیست. بنابراین مشکلات و مسائل لیتوگرافی نوری در اینجا وجود نخواهد داشت. هم‌چنین نانولوله‌های کربنی می‌توانند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کنند و عبور دهند بدون آن که دمای آنها به صورت غیر عادی بالا رود. علت این مسئله ساختار مولکولی خاص نانولوله‌های کربنی است.
     در سال 1998 برای اولین بار از نانولوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره که دارای خواص نیمه‌رسانایی بودند برای ساخت نانوترانزیستور استفاده شد. برای ساخت این نانوترانزیستورها که آنها را CNTFET که مخفف واژه‌ی Carbon Nano Tube Field Effect Transistor است و معنای آن ترانزیستور اثر میدانی با نانولوله‌های کربنی می‌باشد، می‌گویند، نمی‌توان از نانولوله‌های کربنی که خواص فلزی دارند استفاده کرد، چرا که این نانولوله‌ها همواره رسانا هستند و ویژگی‌های عملکردی ترانزیستورها را ندارند. (شکل 3)

filereader.php?p1=main_c51ce410c124a10e0
شکل 3: نمای یک نانوترانزیستور واقعی

     همان طور که در بخش‌های قبلی مشاهده کردیم ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانه‌ی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایه‌ی سیلیسیومی اتصال بین آن را برقرار می‌کند. اما در ترانزیستورهایی که با نانولوله‌های کربنی ساخته می‌شوند این اتصال توسط یک نانولوله‌ی کربنی که خواص نیمه رسانایی دارد برقرار می‌شود. این ترانزیستور که با نانولوله‌های کربنی ساخته شده، می‌تواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی همچون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد (شکل 4).

filereader.php?p1=main_aab3238922bcc25a6
شکل 4: پایانه‌های سورس و درین در ترانزیستورهایی که با نانولوله‌های کربنی ساخته می‌شوند.

     مکانیسم جدید مورد نظر پژوهشگران بدین ترتیب است که تعداد زیادی از نانولوله‌های کربنی به صورت موازی بر روی یک بستر قرار خواهد گرفت. در لایه‌ی بالای آن اما بدون تماس با لایه‌ی پایینی و در فاصله‌ی کم از آن، تعداد زیادی نانولوله‌ی کربنی به صورت عمودی بر نانولوله‌های لایه‌ی زیرین، قرار می‌گیرند.

filereader.php?p1=main_9bf31c7ff062936a9

شکل5: مکانیسم جدید مورد نظر پژوهشگران بدین ترتیب است که تعداد زیادی از نانولوله‌های کربنی
به صورت موازی بر روی یک بستر قرار خواهد گرفت. در لایه‌ی بالای آن اما بدون تماس با لایه‌ی پایینی و
 در فاصله‌ی کم از آن، تعداد زیادی نانولوله‌ی کربنی به صورت عمودی بر نانولوله‌های لایه‌ی زیرین، قرار می‌گیرند.

     در این مکانیسم کنترل جریان الکتریکی در نانولوله‌های کربنی از طریق الکترودی است که به هر نانولوله متصل است. نقاط تقاطع همان نقش کلیدهای ترانزیستوری را دارند. وقتی نانولوله‌ها در نقاط تقاطع با یکدیگر تماس ندارند، کلید در حالت قطع (off) قرار دارد و هنگامی که نانولوله‌ها در نقاط تقاطع با یکدیگر در تماس هستند، کلید در حالت وصل (on) قرار دارد. قطع و وصل کردن کلیدها با عبور جریان الکتریکی از نانولوله‌های کربنی کنترل می‌شود. همان طور که مشاهده می‌شود این مکانیسم نظیر مکانیسم استفاده از ترانزیستور، منجر به تولید کلیدهایی می‌شود که در دو حالت قطع و وصل قرار دارند و لذا می‌تواند اساس عملکرد مدارهای الکتریکی مجتمع قرار گیرد.
پژوهشگران برآورد می‌کنند که با استفاده از این مکانیسم در یک تراشه‌ی یک سانتی‌متر مربعی در حدود یک تریلیارد (1012) می‌توان جای داد. این در حالی است که با استفاده از مکانیسم ترانزیستورهای سیلیکونی در تراشه‌ای مشابه، تنها یک صد میلیون (108)کلید می‌توان قرار داد. لذا برآورد می‌شود که سرعت مدارهای مجتمع که با استفاده از این مکانیسم ساخته می‌شوند بیش از 100 برابر بیش‌تر از مدارهای مجتمعی باشد که با ترانزیستورهای سیلیکونی ساخته می‌شوند.

3- چالش‌های تراشه‌های ساخته شده با نانولوله‌های کربنی

     استفاده از نانولوله‌های کربنی به جای ترانزیستورهای سیلیکونی اگر چه ایده‌ی بسیار جالبی است و احتمالا موجب جهش عظیمی در صنعت الکترونیک خواهد شد، لیکن هنوز یک ایده‌ی اولیه است و جوانب آن چندان مورد بررسی و کنکاش قرار نگرفته است. یکی از بزرگ‌ترین محدودیت‌ها بر سر راه آن، فناوری ساخت نانولوله‌های کربنی به شکل مورد نظر در این مکانیسم است. اگر چه امروزه روش‌های متعددی برای ساخت نانولوله‌های کربنی وجود دارد، اما روش‌های تولید ارزان قیمت آ‌ها در مقیاس وسیع بر روی یک تراشه، هنوز توسعه نیافته است. خواص نانولوله‌های کربنی بسیار وابسته به فرآیند ساخت است و تغییرات اندکی در فرآیند ساخت موجب تفاوت‌های بسیاری در خواص آنها می‌شود. لذا اگر چه ترانزیستورهای نانولوله‌ی کربنی به صورت منفرد ساخته شده‌اند، اما قرار گرفتن آنها در مدارات الکترونیکی مستلزم تلاش‌ها و پژوهش‌های بسیاری است. ضمنا کاهش ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت در نانولوله‌ها جای می‌گیرند نیز مورد توجه است. هم‌چنین چگونگی برقراری اتصالات میانی (Interconnects) و نیز گسترش و توسعه‌ی تجهیزات و ابزارهای طراحی و ساخت تراشه‌ها با استفاده از نانولوله‌های کربنی نیز باید مورد توجه قرار گیرد. در واقع حرکت از یک فناوری قدیمی به سمت یک فناوری جدید مستلزم کنکاش و بررسی همه‌ی ابعاد این انتقال است.

4- نتیجه:

     نانولوله‌های کربنی به دلیل خواص شگفت‌انگیز الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارند، بسیار مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. هم اکنون یافتن روش‌های تجاری مقرون به صرفه برای ساخت، تولید و تصفیه‌ی نانولوله‌های کربنی از ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت در آن ایجاد می‌شود، در مقیاس بزرگ و صنعتی، تلاش اصلی پژوهشگران است. همچنین بررسی خواص نانولوله‌های کربنی و بهینه‌سازی فرآیند ساخت و تولید آنها مورد توجه بسیاری از پژوهشگران است. با توجه به موارد ذکر شده، به نظر می‌رسد استفاده از نانولوله‌های کربنی در صنعت الکترونیک به زودی مورد توجه جدی پژوهشگران و صنعت‌گران قرار خواهد گرفت.



منابـــع و مراجــــع

کتاب مجموعه مقالات سایت باشگاه نانو