نانوتکنولوژی: اصول و کاربردها (3)

از میکروالکترونیک تا نانوالکترونیک و الکترونیک مولکولی

در سال 1965، گردون مور یکی از بنیان گذاران شرکت اینتل، یک پیش بینی برای سرعت رشد ابداعات تکنولوژیکی، ارائه کرد. پیش بینی او که در واقع به قانون مور معروف است، می گوید که دانسیته ی ترانزیستورها، هر دو سال یک بار، دو برابر می شود (شکل 1). اولین میکروپروسسوری که بوسیله ی Intel در سال 1971 معرفی شد، حاوی 2300 ترانزیستور بود. در سال 2004، سریع ترین پروسسور اینتل یعنی اینتل ایتانیوم حاوی 592000000 پردازنده بود. در سال 2010، این میزان از ترانزیستور از 2000000000 گذشته است. به هر حال، این توسعه امروزه به سدی برخورد کرده است که در حقیقت دیگر رشد قابل توجهی نخواهد داشت. دلیل اصلی برای این محدودیت، این است که اتلاف انرژی در این قطعات موجب افزایش حرارت می شود. شکل 2 نشاندهنده ی کوچک سازی کانال های رسانا در میان دو کنتاکتور مربوط به یک ترانزیستور، می باشد. طول کانالی که در حقیقت از سیلیکون نوع n یا p تولید می شوند، از 50 نانومتر در سال 2003 به 10 نانومتر در سال 2011 کاهش یافته است. به هر حال، فاکتورهای فنی موجب می شود تا توسعه های پایین به بالای میکروالکترونیک، محدود شود. در حقیقت نمی توان ترانزیستورهای MOS را در اندازه هایی کمتراز اندازه ی بحرانی تولید کرد. این اندازه ی بحرانی حد فیزیکی () نامیده می شود. در حقیقت، علاوه بر این حد، یک حد لیتوگرافی نیز وجود دارد که با نامیده می شود. در سطح مدارهای مجتمع یا IC ها، طول کانال (L) مربوط به ترانزیستور، بسیار مهم می باشد زیرا وقتی این طول کاهش می یابد، ما با چند مسئله روبرو می شویم: افزایش در تعداد ترانزیستورهای موجود در IC و بنابراین، گیت های منطقی بیشتر ایجاد می شود و توان پردازش افزایش می یابد.

کاهش در زمان پاسخ گویی عملیات های منطقی

در سطح ترانزیستورها، طول کانال (L) تراتزیستور در معادله ی مربوط به فاکتور بهره وری (β) به صورت زیر می باشد:

این بدین معناست که وقتی طول L کاهش می یابد، ما دو مورد را داریم: یکی اینکه فاکتور بهره وری β بهبود می یابد و جهت گیری الکترون ها در مسیرهای کانالی، بهبود می یابد.
ترانزیستورهای آلی اثر میدانی (Organic field-effect transistors) که به طور خلاصه به آنها OFETs گفته می شود، یک تکنولوژی دیگر با پتانسیل فنی بالاست. علت این مسئله هزینه های پایین فرایند تولید آنهاست. یک OFETs از یک نیمه رسانای آلی در کانال خود بهره می برد و می تواند هم به صورت تبخیر تحت خلا و هم به صورت ریخته گری محلول پلیمری، تولید شود. این نشان داده شده است که تیوب های کربنی تک دیواره (SWNTs) می توانند به عنوان الکترودهای شبه یک بعدی برای اتصال دهی در FETs ها مورد استفاده قرار گیرند. در این ساختارها، این اتصال ها دارای عرض 2 نانومتر و طول کانال 1 تا 3 نانومتر هستند.
مدارهای مجتمع با دانسیته ی بالا که دارای عوارضی کمتر از 10 نانومتر هستند، مزیت های متعددی برای تکنولوژی اطلاعات دارند. این مزیت ها شامل محاسبه، پردازش منفرد و ایجاد شبکه های پایدار می باشد. روش بالا به پایین در تکنولوژی سیلیکونی، به سهولت اجرا می شود مشابه با لیتوگرافی نوری. برای فایق آمدن بر محدودیت های این تکنولوژی، طول موجب های کوتاه تر مورد نیاز است (مانند استفاده از لیتوگرافی فرابنفش). لیتوگرافی اشعه ی X هم اکنون یک تکنولوژی پیشگام در زمینه ی جایگزینی با فوتولیتوگرافی در تولید انبوه می باشد. علت این مسئله این است که در این روش، از ماسک هایی استفاده می شود که برای تولید انبوه، مناسب تر می باشند.
تحقیقات انجام شده در زمینه ی نانوالکترونیک هم اکنون نه تنها در پی پیدا کردن جایگزین برای پردازش CMOS می باشد، بلکه همچنین به دنبال جایگزین کردن چیزی برای خود ترانزیستورها نیز می باشد. در مقیاس 10 نانومتر، اجزا دارای طول موجی قابل مقایسه با طول موج الکترون در سطح انرژی فرمی هستند. محدود بودن و پیوستگی الکترون، موجب ایجاد انحراف های ناخوشایندی نسبت به انتقال باری می شود که در وسایل متداول، مشاهده می گردد. مکانیک کوانتمی به صورت گسترده ای، در مقیاس نانویی، غالب می باشد و این احتمال وجود دارد که نانوالکترونیک بر اساس اصول کوانتوم کار کند.
الکترونیک مولکولی که در حقیقت به معنای پردازش اطلاعات در مقیاس مولکولی است، به صورت گسترده ای مورد ارزیابی قرار گرفته است و گفته می شود که این تکنولوژی، کاندیدای مناسبی برای نانوالکترونیک در آینده می باشد. در واقع به عنوان جواب نهایی برای کوچک سازی در نانوالکترونیک، الکترونیک مولکولی به عنوان راهی برای مونتاژ اجزای نانومتری (مولکول ها، نانوذرات، نانوتیوب ها و نانووایرها)، در نظر گرفته می شود. بوسیله ی این مونتاژ، می توان وسایل و معماری های مداری جدید تولید کرد.
تفاوت میان الکترونیک مولکولی و میکروالکترونیک و یا نانوالکترونیک، در واقع ابعاد نیست، بلکه در نظر گرفتن یک راه حل در سطح سیستمی، فیزیک وسایل و تولید و مسائل مربوطه می باشد. وسایل با توپولوژی سه بعدی در نانوالکترونیک و الکترونیک مولکولی، از کلوخه های اتمی و روش های تولید پایین به بالا، تشکیل شده اند. در این روش ها، پدیده ی کوانتمی و همچنین اثرات الکتروشیمیایی و الکترومکانیکی مورد استفاده، در نظر گرفته می شوند. پیشرفت های فنی معین موجب می شود تا اجزای الکترونیک مولکولی دارای طراحی پایین به بالا باشند و از این رو، میزان اثربخشی آنها از روش های بالا به پایین بیشتر شود. این مسئله موجب باز بودن دست طراح می شود. یک مول از سوئیچ های مولکولی وزنی حدود 450 گرم دارند و در یک رآکتور کوچک، تولید می شوند. این بخش ها حاوی 6×〖10〗^23 مولکول می باشند که این تعداد از کل ترانزیستورهایی که تاکنون تولید شده است، بیشتر است. در حالی که ما انتظار نداریم که مداری بسازیم که در آن، هر مولکول منفرد هم قابلیت آدرس دهی و هم ایجاد اتصال با منبع برق را داشته باشد، تعداد زیاد سوئیچ های موجود در هر توده ی معین، نشاندهنده ی این مسئله است که چرا الکترونیک مولکولی ابزای برای توسعه ی محاسبات در آینده است.

نانو در تولید انرژی و انرژی های پاک

انرژی یکی از بزرگترین نیازهای چالش برانگیز انسانی است و جزء اولویت های زندگی هر انسانی است. با توجه به آژانس انرژی بین المللی (IEA) تقاضای جهانی انرژی از سال 2008 تا 2035، به میزان 36 % افزایش می یابد. در این بازه ی زمانی، تقاضا برای برق هر ساله 2.2 % افزایش می یابد. با در نظر گرفتن انتشار دی اکسید کربن و اثرات تغییر آب و هوای جهانی، منابع انرژی تجدید پذیر نقش اساسی در حرکت جهانی به سمت منابع پایدار و مطمئن انرژی دارد.
انرژی خورشیدی متداول ترین و تمیزترین منبع انرژی تجدیدپذیر می باشد که تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است. انرژی خورشیدی که بوسیله ی زمین جذب می شود، در حدود MW می باشد که این میزان از انرژی از کل انرژی مصرفی زمین نیز بیشتر است. تکنولوژی فوتوولتایی یکی از مناسب ترین راه ها برای استفاده از انرژی خورشید می باشد.
شکل 3 نشاندهنده ی تاریخچه ی مربوط به این سلول های خورشیدی می باشد. کارایی سلول های خورشیدی متداول در حال رسیدن به حالت پایدار می باشد و تنها بهبودهای اضافی در طی دهه های اخیر انجام شده است. سلول های خورشیدی Tandem که بر پایه ی مواد گروه های سوم تا پنجم اصلی جدول تناوبی ساخته شده اند، به بالاترین میزان از بهره ی ممکنه رسیده اند. این بازده در حدود 40 % می باشد. به هر حال، هزینه ی این وسایل بسیار بالاست و از این رو، کاربرد آنها تنها محدود به کاربردهای فضایی است. بازده مربوط به سلول های خورشیدی تجاری بسیار کمتر از سلول های آزمایشگاهی است که علت آن، اتلاف های ایجاد شده در طی صنعتی شدن است. اندازه ی نمونه وار مربوط به سلول های آزمایشگاهی در حقیقت در حد ابعاد سانتیمتر است که موجب تسهیل جمع آوری جریان فوتون ها می شود. سلول های خورشیدی با اتصال چندگانه از دیواره های کوانتمی با دقت بالا بهره می برند.
اگر چه نیمه رساناهی غیر آلی (سیلیکون، سیلیکون آمورف، گالیم آرسنیک و نمک های سولفیدی) در واقع بیشتر مورد توجه هستند، اثرات حساسیت نوری و فوتوولتایی در این وسایل، موجب شده است تا مواد آلی نیز مورد بررسی قرار گیرند زیرا این نوع از سلول های خورشیدی دارای مزیت هایی همچون پتانسیل تولید انبوه و فرایندهای تولید ارزان قیمت تر، هستند. از این مهم تر، سلول های فوتوولتایی آلی پتانسیل فنی بهتری را به عنوان یک منبع تجدید پذیر ایجاد می کند. علت این مسئله، انعطاف پذیری مکانیکی، وزن پایین تر و سهولت ایجاد لایه های نازک از طریق فرایند ریخته گری این مواد می باشد.
تکنولوژی های الکترونیک بر پایه ی پلاستیک ها، موجب کمک به بهبود قابل توجهی در نسبت بازده به هزینه در این وسایل می شود. این ضرورت ها، به طور قابل توجهی موجب بهبود بازده و کاهش در هزینه های مربوط به این وسایل، می شود. برای تشخیص این اهداف، بسیاری از این تکنولوژی ها نیازمند استفاده از مواد نانوساختار و سیستم های کامپوزیتی هستند که دارای خواص نوری و الکتریکی بهینه می باشند. برای مثال، همانگونه که در شکل 4 مشاهده می شود، یک سلول خورشیدی آلی شامل یک ساختار چندلایه ای می باشد که از لایه های نازک تشکیل شده است و هر کدام از این لایه ها، دارای خواص عملکرد متفاوت می باشد. متداول ترین معماری مربوط به این ساختارها، شامل یک زیرلایه ی شفاف است که می تواند از نوع شیشه و یا از نوع فیلم پلی استری مانند پلی (اتیلن ترفتالات) (PET) یا پلی (اتیلن نافتالات) (PEN) باشد. الکترود فلزی با عملکرد بالا مانند الکترودهای ایندیم قلع اکسید (ITO) به عنوان آند برای جمع آوری حفرات و یک فلز با عملکرد کاری پایین تر مانند آلومینیوم نیز به عنوان کاتد جمع آورنده ی الکترون، استفاده می شود. این الکترودها در لایه ی فعال ایجاد می شوند. لایه های بافر اضافی مانند لایه های شفاف در برابر حفره (PEDOT:PSS) یا لایه های انتقال دهنده ی الکترون (کلسیم، LiF و ) بین الکترودها و لایه ی فعال قرار داده می شوند تا بدین صورت تطابق بهتری در سطح انرژی ایجاد شود و تماس اهمی میان لایه ی آلی و الکترودهای فلزی بهتر ایجاد شود. موفق ترین لایه ی فعال مورد استفاده تاکنون، از جنس اتصال های غیر متشابه (BHJ) است که از نوع نیمه رسانای نوع p (دهنده ی الکترون) می باشد (مانند مشتقات متانوفولرن (PCBM)). به دلیل وجود ثابت دی الکتریک پایین در اجزای آلی، تهییج فوتونی منجر به ایجاد تهییج قابل توجهی می شود. این مسئله در واقع نیازمند تفکیک حامل های آزاد می باشد. این تفکیک می تواند در میدان الکتریکی قوی و یا در سطح مشترک دهنده- گیرنده، ایجاد شود. سپس حامل های آزاد باید از طریق فرایندهای نفوذ و درافت، به الکترودهای مربوطه انتقال یابند که در واقع این الکترون ها جمع آوری می شود و موجب ایجاد جریان در الکترودها می شود. مورفولوژی مربوط به فیلم دهنده- گیرنده برای تولید و انتقال بار مهم می باشد. این مرفولوژی اثر قابل توجهی بر روی کارایی وسیله دارد. علارغم رشد سریع در کارایی این وسایل که در حقیقت در طی سال های اخیر مشاهده شده است، بیشتر تلاش ها معطوف به یادگیری فرایندهای اساسی تولید انرژی فوتوولتایی است (به طور خاص برای برای توضیح روابط پیچیده میان مرفولوژی نانومقیاس و خواص الکترونیکی و کارایی ابزارها و توسعه ی نانوتکنولوژی مناسب برای آدرس دهی این مسائل).
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.
منبع مقاله :
Nanostractured Materials and Their Applications / S. Logothetidis