مواد و قطعات نانو، در خدمت شبکه هاي ارتباطي آينده(1)
مقدمه:
هدايت ارتباطات آينده بطور معقولانه به سويي که انتقال اطلاعات و داده ها بسادگي و با آهنگ بيشتري براي سامانه هاي فراگير در منازل و ادارات وحتي مکانهاي عمومي صورت مي پذيرد، کليد پيشرفت در همه زمينه مذکور مي باشد.
درحال حاضر اين نانوقطعات براي پردازنده هاي مينياتوري، حافظه، مدارها، پيوند دهنده ها(Interconnects)وسيستمهاي محاسباتي آينده با قابليت شارژ خودکار و با ظرفيت بالا و باورنکردني دريافت اطلاعات، بازدهي فوق العاده انرژي وقابليت تغيير مقياس جاي خود را در بين مهندسان فن آوريهاي جديد باز کرده و ديگر موضوعاتي صرفا تحقيقاتي نيستند. شکي نيست که تلاشها در زمينه هاي مختلف علمي و موفقيتهاي چشمگير در ورود نانوذرات و نانو قطعات به عرصه هاي مختلف تجارت در آينده پتانسيل زيادي را در زمينه هاي اقتصادي فراهم مي کند که مي توان آنرا با فن آوري ارتباط از راه دور(Telecommunication)در دهه90ورشد فناوري اطلاعات(IT) در دهه اخير قابل قياس دانست.
در اين مقاله ما تلاش خواهيم کرد تا بصورت فشرده نوآوريهاي انجام گرفته در زمينه نانو ذرات و نانو قطعات را مرور کنيم و گستره اي از عاملهاي حياتي در تضمين موفقيت فناوري ارتباطات آينده و شبکه حسگرهاي هوشمند را مطرح مي سازيم.
نانوذرات براي قطعات مورد نياز مخابرات:افزايش تقاضا براي اتصال بي سيم، بوسيله سيستمهاي هوشمند فراگير ودريافت اطلاعات بطوريکه شخص، محدود به مکانهاي خاصي نباشد اين نياز را بوجود آورده است که آهنگ ارسال اطلاعات بيشتر گردد. براي دستيابي به اين مهم بايد حافظه و قابليت پردازش و محاسبات در قطعات مورد نياز در حوزه مخابرات افزايش يابد در عين حال شکل کوچک اين قطعات حفظ شود و توان مصرفي آنها پايين باقي ماند. براي بيشتر از يک دهه است که فعاليتهاي مربوط به اين زمينه، بر روي بهبود فناوري نقاط اتصال داخل تراشه و بين تراشه هاي و ارتباطات Board-to-Boardمتمرکز شده است اينکار بوسيله کاهش مقاومت رساناها نظير مس و همچنين کاهش ثابت دي الکتريک مواد با بکارگيري پليمرهايي که داراي ضريب دي الکتريک پايين(low-k polymers)دارند، قابل دستيابي است. چون آهنگ ارسال اطلاعات حدود ده ميليارد بر ثانيه است از طرفي ابعاد مسير آزاد الکترون دريک سيم مسي در دماي اتاق، حدود40نانومتر مي باشد؛ در نتيجه مقاومت داخلي سيمهاي پيوند دهنده بين قطعات بسيار زياد خواهد بود. دليل وجود اين مقاومت داخلي بالا در سيم مسي، وجود نقص و ناخالصي در شبکه بلوري مس مي باشد بطوريکه ارسال سيگنالها حتي براي فاصله کوتاه 50 سانتميتر، از ميرايي بالايي برخوردار خواهد بود واين سبب افزايش پراکندگي گرمايي مي شود.(يادداشت مترجم: ساختار دروني فلزات بصورت يک شبکه کريستالي و منظم است که اتمها در مکانهاي خاصي قرار دارند و الکترونهاي رسانشي درفضاي آزاد، بين اتمها حرکت مي کنند ولي به سبب ناخالصي و نقصهاي شبکه، برخي اتمها از ساير عناصر بجاي اتم اصلي در شبکه منظم بلوري قرار مي گيرند. بدين ترتيب مسيرهاي آزاد براي حرکت الکترون رسانش بوسيله اين اتمها مختل مي گردند الکترونهاي رسانش در برخورد با اين اتمها از مسير اوليه خود خارج مي شوند، هرچه ميزان پراکندگي به سبب نقص شبکه بلوري فلز بيشتر باشد جريان خروجي کمتري خواهيم داشت اين دقيقا همان مفهوم مقاومت الکتريکي مي باشد، انرژيي که توسط الکترون حمل مي شد در برخورد با اتمها جذب مي شود و اين سبب بالا رفتن دماي فلز و در نتيجه نوسانات با دامنه بزرگتر اتمها در جاي خود مي گردند که اين نيز به نوبه خود احتمال برخورد اتمها با الکترونهاي ديگر رسانشي را افزايش مي دهد. يعني با بالا رفتن دما مقاومت الکتريکي بيشتر مي شود).
بنابراين سيمهاي رابط بين قطعات يکي از بزرگترين مشکلاتي است که سيستمها درمقياس گيگا(Gigascale systems)با آن مواجه اند. در حال حاضر بيشتر از 70درصد خازنهاي موجود بر روي تراشه ها با کارآيي بالا بوسيله چنين رابطهايي با يکديگر در ارتباطند، و توان ديناميکي پراکنده شده در چنين رابطهايي بيشتر از آنچه که در يک ترانزيستور اتفاق مي افتد مي باشد با معايبي که برشمرديم، مي توان نتيجه گرفت که سيمهاي مسي، ديگر گزينه مناسبي براي اتصالات بين قطعات کامپيوترها نمي باشند خصوصا اينکه هرروز بر تعداد ترانزيستورهاي داخل کامپيوترها افزوده مي شود، بنابراين سيمهاي مذکور مانع بزرگي در جهت پيشرفت سيستمهاي پردازشگر بسيار بزرگ آينده خواهند بود.
مقاومت، ظرفيت، القاي مزاحم مربوط به پيونددهنده هاي مسي، باعث پايين آمدن کارايي کامپيوترها مي گردد و بطور افزاينده اي سد راه توسعه فناوري ريزپردازنده هاي فوق العاده کوچکULSIهستند،(ULSI Ultra-Large-Scale Integration:).
ابتدا تاخير سيگنالها در سيمهاي رابط افزايش مي يابد و اين امر تبديل به يک محدوديت ذاتي براي سرعت مدارهاي ديجيتالي مي گردد ه نتيجه آن پايين آمدن سرعت ريزپردازنده ها مي باشد. بنظر نمي رسد فناوريهاي حال حاضر راه حل مناسبي براي رفع اين مشکلات در دست داشته باشد در نتيجه نياز به تکنيکهاي جديد و نوآوري براي شکستن سد بزرگ رابطهاي مسي احساس مي شود. يکي از راههاي ممکن براي حل اين مشکل استفاده از رابطهايphotonicو رابطهاي نوري فضا-آزاد(Free-Space)مي باشد. شکل1 چند فناوري متفاوت از رابطها را که از توسعه سريع در زمينه نانوذرات و قطعات بهره مند گرديده اند را به تصوير مي کشد.
رابطهاي فوتونيک مانند موجبرهاي اپتيکي يا فيبرهاي نوري مي توانند داده هاي ديجيتالي را با ظرفيتي تا سه برابر داده هاي منتقل شده توسط رابطهاي الکترونيکي، منتقل نمايند. برخلاف داده هاي الکترونيکي، سيگنالهاي نوري مي توانند تا دهها کيلومتر بدون ميرايي ويا پراکنش، به مقصد گردند.
شکل(1):
(توضيح مترجم: سيگنالهاي نوري منتقل شده توسط فيبرهاي نوري در مدلهاي مختلف انجام مي پذيرد، اين فيبرهاي نوري از موادي خاص و بدون هيچگونه عامل اعوجاج توليد مي گردند که بصورت دولايه، سه لايه و...ساخته مي شوند که با توجه به فرکانس نور، مد خاصي توان عبور از اين فيبرها را دارد و براساس قانون شکست و بازتاب کلي در بين لايه ها منتشر مي گردد، اگر درباره شفافيت اين فيبرها بخواهيم مثالي بزنيم مي توان آنرا با شيشه معمولي مقايسه کنيم، اگر شيشه اي معمولي به ضخامت 1متر توليد کنيم و آنرا در مقابل پنجره قرار دهيم درصد بسيار کمي نور از آنسوي شيشه به شما خواهد رسيد در صورتي که شيشه ساخته شده از جنس فيبر نوري تقريبا99 درصد از نور را بخوبي عبور مي دهد و از شدت آن نمي کاهد، حتي اگر شيشه اي به ضخامت1 کيلومتر با اين مواد تهيه شود باز هم تا حدود50 درصد نور به سوي ديگر خواهد رسيد).
همانطور که بيشتر توضيح داده شد هر فرکانس با يک مد خاص فرستاده مي شود در واقع هر مد بعنوان يک کانال مي تواند محسوب گردد، بنابراين شما قادر خواهيد بود با داشتن يک فيبر نوري چندين کانال ارسال اطلاعات با سرعت بالا و همزمان را در اختيار داشته باشيد، اين فناوري بانامWDMشناخته مي شود(WDM:Wavelength-Division Multiplexing).
امروزه 40 سيگنال مجزا که آهنگ ارسال هريک به تنهايي برابر 10 گيگا بايت بر ثانيه است را مي توان بطور همزمانه از طريق يک فيبر نوري به قطري برابر با قطر تار موي انسان ارسال نمود. عليرغم تمام ويژگيهاي مثبتي که از پيوند دهنده هاي نوري برشمرديم، دليل مهمي که هنوز اين پيوند دهنده ها جايگاه خود را در صنعت باز نکرده اند. قيمت بالا، ابعاد بزرگ آنها و همچنين مشکل بکارگيري آنها باCMOS در طراحي مدار مي باشد،(CMOS:Complementary MetalOxide Semiconductor).
قطعات پيوند دهنده نوري امروزي از مولفه هاي ويژه اي نظير آرسنيد گاليم(GaAs)، فسفيد اينديوم(Inp)، نيوبات ليتيم(LiN)و مواد عجيب و غريب ديگر ساخته مي شوند، به همين دليل نمي توان آنها را بسادگي در چيپهاي سيليکوني بکار گرفت اين امر سبب شده تا ساخت مدار با پيوند دهنده هاي نوري مشکل باشد زيرا مسيرهايي که نور بايد در آنها منتشر شود بايد با دقتي از مرتبه ميکرومتر مشخص شوند. بايد در نظر داشت پيوند دهنده هاي نوري زماني در عرصه صنعت وارد شدند که براي نيم قرن است که صنعت الکترونيک با اختراع مدارهاي مجتمع(IC)يکه تاز ميدان است.
منطقي ترين راه براي پيوند دهنده هاي نوري حرکت به سمت فروش عمده(Mass Marketing)و ارائه يک پکيچ نوين، توليد انبوه آن با قيمت پايين مي باشد. خوشبختانه اخيرا، چندين نانوذره و روش ساخت در مقياس نانو، نقش مهمي در مجتمع سازي قطعات نوري مختلف بر روي صفحه سيليکوني دارند.
a) دياگرام شماتيک b)تصوير(SEM Cنماي شماتيک از نزديک d)پالس اطلاعات با سرعت بالا30 گيگاهرتزي که بوسيله قطعه6توليد شدهe) نانوسيمهاي سيليکوني محوري که بصورت پل روي موجبر نوري قرار گرفته اندf) نانوسيمهاي سيليکوني که بصورت پل بين يک جفت الکترود سيليکوني قرار گرفته اند.
نانو هترواپيتاکسي براي پيوند دهنده هاي نوري
ادغام مستقيم يک مجموعه از نيمه هاديها با ساختار نانو در قطعات و مدارها بر روي صفحات تک بلوري فرصتهاي خوبي را در زمينه هاي مختلف نظير پيوند دهنده ها با کارايي بالاي الکترونيکي، الکترونيک نوري، تبديل انرژي، تصويربرداري و حسگرها پديد آورده اند. فراسوي اين کاربردها، ادغام گستره اي از نانو ساختارها بر روي صفحات بي شکل(آمورف) قابليتهاي نامحدودي براي مواد چند منظوره و مجموعه قطعات ايجاد مي نمايد. در حقيقت قيمت پايين مدارهاي الکترونيکي و نوري طراحي شده براساس روشي که توضيح داديم قادر است سيليکونهاي نوري و ديگر فناوريهاي محاسباتي و پردازشي را در مقياس کوچک پديد آورد.
محدوديتهاي کليدي در رشد سطحي فيلم نازک همبافته(Epitaxial) يک نيمه رسانا بر روي زيرلايه تک بلوري ديگر، عدم انطباق ضريب شبکه و ضريب انبساط گرمايي، ناسازگاري مواد و اختلافات ساختار بلوري مي باشد. اکنون اين محدوديتها با رشد نيمه رسانا نانوساختار ناهمگن رفع شده اند اين امر به اصلاح ناسازگاري بزرگ بين دو لايه مذکور بواسطه ابعاد کوچک بلوري آنها کمک مي کند. اخيرا تعدادي سيمهاي بلوريIII-V در ابعاد نانو بر روي ويفرهايي رشد داده شدند که ميزان ناسازگاري شبکه آنها در حدود1/8 مي باشد.
توانايي رشد مواد ناهمسان با ناسازگاريهاي شبکه بزرگ، بر روي يک تک لايه محدوديتهاي مربوط به عدم ادغام قطعات نوري و الکترونيکي در يک مدار را مرتفع مي سازد، و بنابراين ما را در ساخت چيپ هاي تبديل الکترونيکي به نوري(E/O)ونوري به الکتريکي (O/E)تهييج مي سازد. اين چيپها براي ارتباطات و پردازش اطلاعات بسيار مفيد خواهند بود پردازش اطلاعات با استفاده از الکترونها صورت مي گيرد وسپس حجم وسيعي از اطلاعات توسط فوتونها ارسال مي گردد نيمه نانوساختارهاي نيمه رسانا با گاف انرژي(Bandgap)مستقيم که بر روي سيليکون رشد داده شده اند، مي توانند در طراحي ديودهاي ليزر مورد استفاده قرار گيرند.
يي(Yi)و همکارانش اخيرا گزارشي ارائه دادند مبني بر اينکه آنها موفق به رشد هتراپيتاکسيال فسفيد اينديوم به عنوان سيمها با ابعاد نانو بر روي سيليکون شدند که تا حد بسيار زيادي در مسيرهاي مورد نظر به خط شده اند. وي.جي. کوباياشي و همکارانش يک روش جديد ترکيبIII-V نانو سيمها روي يک صفحه غير-تک بلوري(Non-single crystalline) را معرفي کردند که شرايط ناسازگاري هر شبکه اي را کاهش مي دهد و قطعه اي براي آشکارسازي نوري با سرعت بالا ارائه دادند که اين قطعه بر اساس نانو سيمها از جنس فسفيد اينديوم مي باشد و به شکل يک نانوپل، بين الکترودهاي پيش ساخته از جنس سيليکونهاي ريز بلور هيدروژنه قرار مي گيرد مطابق شکلa-d2. اين قطعه بر روي يک صفحه شيشه اي بي شکل ساخته شده است و داراي پهناي باندي حدود 30 گيگاهرتز مي باشد.
گريگو(Grego) به کمک همکارانش نانوسيمهايي را بصورت پل بين يک جفت صفحه غير- تک بلوري که بطور عمودي جهت گيري نموده اند، قرار دادند وسپس آنرا در شيار موجبر نوري جاسازي نمودند تا نانوسيمهايي ادغام شده با موجبر آشکارسازهاي نوري بر روي سطح بي شکل، حاصل شود، شکل(e2-f2).
اين قابليتها امکان دستيابي به پيوند دهنده هاي نوري فضاي آزاد ارزان قيمت با سرعت بسيار بالا براي سرورها و کامپيوترهاي آينده را فراهم نموده است. مواد فعال نوري که بصورت هترواپيتاکسي رشد يافته اند نظيرIII-VوII-VI براي مجتمع سازي با مسير اصلي فناوريSi ممکن است ما را به سوي ساختار ارزان قيمت و قطعات فوق العاده سريع رهنمون سازند، اين امر بواسطه قابليت بالاي ارسال داده و ضريب جذب نوري آنها صورت مي گيرد. پيشرفت و توسعه اين ساختارها و قطعات پنجره جديدي به روي کاربردهاي تازه نظيرIntrachip,Interchip، ارتباطات فضاي آزاد گشوده است. ظرفيتهاي توليد وآشکارسازي فوتونها بوسيله مواد با گاف انرژي مستقيم روي زيرلايهSi فرصتهاي بيشماري را در ايجاد انقلابهاي بزرگ در عرصه صنعت و فناوري آنهم بواسطه تحقيقات فقط در بخش کوچکي از دنياي بيکران علم، فراهم نموده است. فقط چند عامل مزاحم باقي مانده تا با رفع آنها اين فناوري از دنياي آزمايشگاه خارج گردد وپاي به دنياي واقعي گذارد.
پيوند دهنده هاي نوريOut-Of-Plane
متاسفانه[قطعات نوري ليزر، تلفيق کننده ها(مدولاتور)،وآشکارسازها] و هدايت کننده هاي نور، تقريبا 1000برابر ليزرها با ابعاد آزمايشگاهي هستند که با مولفه هاي الکترونيکي ساخته شده اند و ترکيب اين دو فناوري بر روي مدار يکسان بسيار چالش انگيز مي نمايد. جديدترين فناوري قطعات الکترونيکي با اندازه هايي در گستره دهها نانومتر ساخته شده و قطعات الکترونيکي بهم پيوسته نظير ترانزيستورهاي تک الکتروني با ابعاد زيرنانومتر طراحي شده است. بعبارت ديگر اگر از تکنيکهاي پيشرفته و پيچيده اي نظير بلورهاي نوري بهره گيريم قطعات نوري در ابعاد حدود 1 ميکرومتر قابل ساخت مي باشند.
کريستالهاي فوتونيک
(يادداشت مترجم: نقص خطي يا Line defect در مبحث بلور شناسي عبارت است از خطوطي که در امتداد آنها اتمها در تمام رديفها بصورت ناهمگون قرار گيرد).
در مقابل، سيليکون درشکل گيريplatformفناوري CMOS،هسته محرک ميکروالکترونيک بوده است. سيليکونهاي نانونوري (که امکان درگير شدنplatform CMOS نياز است را پيشنهاد مي دهد و بدينوسيله توسعه بيشتر در زمينه ارسال اطلاعات با سرعت بالا صورت خواهد پذيرفت. کاربردهاي نانو نوري تسهيم کننده ها و تقسيم کننده هاي طول موج با استفاده از بلورهاي نوري يا ساختارهاي نانو نوري غير پريوديک به ميزان قابل توجهي فضاي درگير را کاهش مي دهد و توان سيستم را نسبت به تغييرات دما بهبود مي بخشد. در حاليکه بلور گاف انرژي نوري و سيليکون هنوز محدوديت پراش نور را دارا هستند، قطعات نوري که از پلاريتون پلاسمون(SPPs)و/يا انتقال دهنده هاي انرژي استفاده مي کنند تکيه بر برهمکنش هاي ميدان- نزديکي(near-field)نوري دارند تابه انتهاي مسير پيکربنديهاي نوري در فراسوي مشکل پراش نور رسند.
(يادداشت مترجم: 1- همانطور که مي دانيد پديده پراش هنگامي رخ مي دهد که طول موج پرتو منتشر شده در محدوده ابعاد موانع سر راه خود باشد. براي نمونه هنگام کار با ميکروموجها ساختارهايي با ابعاد ميکرومتر، قادر ايجاد پديده پراکنش روي اين امواج هستند. بنابراين مشکل فعلي سيستمهاي نوري در ابعاد بسيار پايين، نزديک بودن ابعاد ساختارها و قطعات به طول موج ارسالي مي باشد که تا حدي موجب پراکنش نور مي گردد.
2- پلاسمونه عبارت است از يک کوانتوم يا بسته اي از نوسانات پلاسما، در واقع پلاسمون يک شبه ذره است که از کوانتيزه شدن يا گسسته شدن نوسانات پلاسما حاصل مي شود درست همانطور که فوتونها و فونونها به ترتيب از کوانتيزه شدن نور و موج صوتي منتج مي گردند).
شکل3):
پلاسونيکها براي پيوند دهنده ها:
در ابتدا پلاسمونيکها بر روي مسيريابي انفعالي نور در موجبرها با ابعاد کوچکتر از طول موج نور تمرکز کرده بودند. اما چون طول انتشار در موجبرهايSPP High-confinement به گستره اي به ميزان چند ده ميکرومتر محدود مي شود، آنها را نمي توان جايگزين مناسبي براي موجبرهايHigh-index dielectric دانست.
توجه داشته باشيد که بخاطر قوانين اساسي پراش، ابعاد موجبرهاي دي الکتريک محدود هستند اندازه اين موجبرها بزرگتر از ابعاد قطعات سوار شده بر روي يک تراشه مي باشد. قطعات پلاسمونيک و ابعاد زير طول موج آنها منحصرا قادر به رفع مشکل عدم تطابق اندازه پل بين قطعات ميکرونوري و نانو نوري مي باشند.
قطعات پلاسمونيک نظير ليزرهاي نانو مقياس، تلفيق کننده ها، و آشکرسازها، پتانسيل توليد، تلفيق و آشکارسازي سيگنالهاي نوري که سرعت انتقال آنها برابر سرعت فوتونهاي منتشره از ميان فلزات نازک مدار مي باشد را دارا مي باشند. اين امر توانايي ترکيب مزاياي تکنيکهاي پيشين نوري و الکترونيکي را بر روي يک تراشه فراهم مي سازد. يک چالش بزرگ ارتباطات پايه پلاسموني در تراشه هاي کامپيوتر، توليد نور از ليزرهاي پلاسمونيکي است که بطور الکتريکي سازگار با تکنيکهاي ساختsilicon-basedCMOS مي باشند. نمايش اخيرآشکارسازها و چشمه هاي نوري تقويت شده پلاسموني، گام بزرگي در جهت توليد نسل جديدي از مدارهاي نانوالکترونيکي فوق سريع مي باشد.
شکل4): ظهور قطعات ارتباطي گوناگون برپايه نانو مواد و مولفه ها:
l-m)ماشينهاي مقياس مولکولي: موتورهاي مولکولي.
منبع:نشريه بزرگراه رايانه- ش133
