اصول و مبانی نانوالکترونیک

1- مقدمه

• با کاهش ابعاد اجزای الکترونیکی، هزینه‌‌ها و چالش‌‌های فنی مربوطه نیز افزایش می‌‌یابد که در برخی از موارد امکان حل آن وجود ندارد.
• با کوچک‌سازی اجزای الکترونیکی تا حدود 5-3 نانومتر، اتلاف حرارتی (heat dissipation) افزایش می‌‌یابد تا حدی که می‌‌تواند منجر به ذوب تجهیز در طول سرویس شود. دلیل این امر به کاهش سطح مقطع اجزای الکترونیکی به ازای مساحت واحد تراشه برمی‌‌گردد. به عبارت دیگر، کوچک‌‌سازی منجر به کاهش سطح مقطع اتصالات و ترانزیستورها، و افزایش فرکانس الکتریکی، تعداد ترانزیستورها و تعداد اتصالات می‌‌شود. لذا چگالی جریان عبوری از واحد سطح تراشه افزایش یافته و منجر به افزایش اتلاف حرارتی می‌شود. برای نمونه، در ضخامت‌‌هاي کمتر از 1 نانومتر، SiO₂ بکار‌‌رفته در ترانزیستورهای پایه‌‌سیلیکونی، عايق نیست و گرماي زيادي توليد مي‌‌کند و همین حرارت منجر به کاهش کارایی ترانزیستور می‌‌شود.
• با کاهش ابعاد واحدهای الکترونیکی تا مقیاس نانومتری، خواص الکتریکی آنها، با خواص الکتریکی اجسام بالک کاملاً متفاوت می‌‌شود و احتمال رخداد پدیده‌های کوانتومی افزایش می‌یابد. این اثرات کوانتومی در ابعاد کوچک‌‌تر می‌‌تواند با کارکرد تجهیز الکترونیکی تداخل پیدا کرده و کارایی آن را مختل کند.
• برای کوچک سازی ابعاد تا مقیاس نانو نیاز به روش‌‌هایی وجود دارد که بتوانند اجزای مورد نظر را با اشکال و ویژگی‌‌های منحصر به فرد تولید و مونتاژ کنند تا بتوان اجزای نانومتری را تولید و برای ساخت تجهیز ماکروسکوپی با یکدیگر تلفیق نمود. برای نمونه، فناوری ليتوگرافي موجود تنها مي‌‌تواند واحدهایی تا ابعاد 130 نانومتر را توليد کند. لذا براي توليد ريزپردازنده‌‌هايی با ابعاد کوچک‌‌تر، توسعۀ روش‌‌هاي جدید نانولیتوگرافی بر پایه پرتو ماوراي بنفش عميق، اشعۀ ايکس و پرتو الکتروني مورد نياز است.

بر اساس آنچه گفته شد، قانون مور تنها تا سال 2005 توانسته اعتبار خود را حفظ کند و برای اینکه بتواند همچنان به قوت خود باقی بماند می‌‌بایست به فکر استفاده از مواد جدید به جای سیلیکون در ادوات الکترونیکی باشیم و این نقطه، همان نقطه عطف حوزه الکترونیک و توسعه حوزه نوظهور نانوالکترونیک بوده است. نمودار شکل 1 روند صعودی کوچک‌‌سازی ترانزیستور را در چندین دهۀ اخیر نشان می‌‌دهد. بر اساس این نمودار، روند کوچک‌‌سازی قطعات الکترونیکی از سال 1970 تا 2000 رشد نمایی داشته، اما از سال 2000 به بعد، آهنگ رشد این روند، حالت نزولی به خود گرفته است. دلیل این امر، چالش‌‌ها و محدودیت‌‌هایی بوده است که در بالا به آن اشاره شد.

بهترین روش براي آنکه قانون مور به قوت خود باقي بماند، استفاده از تک‌‌مولکو‌ل‌ها، لايه‌‌هاي مولکولي خود آرا، و اجزای سنتزی نانومقیاس مانند گرافن و نانولوله‌‌های کربنی به عنوان جایگزین برای اجزای سازنده تجهیزات الکترونیکی است. به شاخه‌‌ای از نانوالکترونیک که در آن، از ملکو‌ل‌های منفرد یا لایه‌‌های ملکولی خودآرا برای طراحی و ساخت سیستم‌‌های الکترونیکی استفاده می‌‌شود، «نانوالکترونیک ملکولی» گفته می‌‌شود. واحدهای ملکولی به کار رفته شامل ملکو‌ل‌های زیستی و ملکو‌ل‌های آلی هستند. بنابراین می‌‌توان بر اساس جنس ملکو‌ل‌ها، نانوالکترونیک ملکولی را به دو زیرشاخه اصلی «نانوالکترونیک ملکولی آلی» و نانوالکترونیک ملکولی غیرآلی یا معدنی» تقسیم‌‌بندی کرد. البته برخی از محققین به دلیل استفاده گسترده از واحدهای زیستی نظیر DNA، پروتئین‌‌ها، آنزیم‌‌ها و سلو‌ل‌ها در ساختمان ادوات نانوالکترونیکی، شاخه نوظهوری را تحت عنوان «نانوالکترونیک ملکولی زیستی» توسعه داده‌‌اند. این حوزه، تا حدودی از زیرمجموعه‌‌های نانوالکترونیک ملکولی آلی به شمار می‌‌رود.

2- تقسیم‌‌بندی‌‌های حوزه نانوالکترونیک

• تقسیم‌‌بندی بر مبنای ادوات الکترونیکی: بر این مبنا، نانوالکترونیک شامل روش‌‌هایی است که منجر به تولید واحدهای الکترونیکی در مقیاس نانومتری می‌‌شود. این واحدها شامل مدارهای منطقی، ترانزیستورها، دیودها، حافظه‌‌های ملکولی، و غیره است.
• تقسیم‌‌بندی بر مبنای ابعاد و چیدمان اجزای الکترونیکی به کار رفته: در این نوع تقسیم‌‌بندی، جنس ماده مورد استفاده، کاربرد، و عملکرد نهایی ماده مورد نظر نبوده و تنها به تعداد، ابعاد و چیدمان اجزا پرداخته می‌‌شود. بر این مبنا، نانوالکترونیک شامل نانوالکترونیک سیستم‌‌های تک واحدی و چندواحدی است. برای نمونه، اگر در ساخت نانوحسگری از یک آنزیم یا ملکول منفرد استفاده شود، این حسگر متعلق به حوزه نانوالکترونیک تک واحدی است و اگر از یک لایه نانومتری یا آرایه‌‌ نانومتری از واحدهای الکترونیکی نظیر ملکو‌ل‌های آلی ساخته شده باشد، به حوزه نانوالکترونیک چندواحدی تعلق دارد. اتصالات آلی تک‌‌ملکولی و چند ملکولی، مثال دیگری از این ادوات است.
• تقسیم‌‌بندی بر مبنای جنس مواد الکترونیکی به کار رفته: مبنای این تقسیم‌‌بندی، شیمی مواد مورد استفاده است. از این حیث، مواد به دو دسته آلی و غیرآلی تقسیم‌‌بندی می‌‌شوند و دو حوزه بزرگ نانوالکترونیک آلی و غیرآلی را توسعه می‌‌دهند. نانوالکترونیک غیرآلی شامل همه ادوات و فناوری‌‌هایی می‌‌شود که در آنها، پایه اصلی محصولات الکترونیکی، ماده آلی نباشد. برای نمونه می‌‌توان به اتصالات غیرآلی فولرن C60 (C60-based junctions) اشاره کرد. لازم به ذکر است که اغلب محققین از واژه «غیرآلی» استفاده نمی‌‌کنند و هرکجا لازم به تاکید بر خاصیت آلی سیستم باشد از واژه نانوالکترونیک آلی استفاده می‌‌کنند. بنابراین، تا زمانی که از واژه «آلی» برای تجهیزی استفاده نشده باشد، منظور، حوزه نانوالکترونیک غیرآلی است.
• تقسیم‌‌بندی بر مبنای کاربردهای نهایی: در این تقسیم‌‌بندی، مبنای کار نوع و جنس کاربرد تجهیزات تولید شده است. منظور از کاربرد، کاربردهای زیستی و غیر زیستی می‌‌باشد. بر همین مبنا، نانوالکترونیک به دو زیرشاخه بزرگ نانوالکترونیک زیستی و غیرزیستی تقسیم بندی می‌‌شود. مشابه با نانوالکترونیک آلی، هرکجا لازم به تاکید بر ماهیت زیستی سیستم باشد از واژه نانوالکترونیک زیستی استفاده می‌‌کنند. همچنین تا زمانی که از واژه «زیستی» برای تجهیزی استفاده نشده باشد، منظور، حوزه نانوالکترونیک غیر زیستی است.
• تقسیم‌‌بندی‌‌های چندرویکردی: در این نوع از تقسیم‌‌بندی‌‌ها، از چند دسته بندی یاد شده به طور همزمان استفاده می‌‌شود. برای نمونه، در برخی از منابع، واژه‌‌هایی نظیر نانوالکترونیک ملکولی زیستی یا نانوالکترونیک آلی زیستی نیز استفاده می‌‌شود. دلیل این رویکرد، توسعه ادوات نوظهور و نبودن مرز مشخص بین دسته‌‌بندی‌‌های مختلف است. در برخی از منابع نیز از مواد غیر ملکولی با ابعاد زیر 100 نانومتر به عنوان ملکول نام برده می‌‌شود و بر این مبنا، نانوحسگرهای پایه گرافن یا نانولوله کربنی به حوزه نانوالکترونیک ملکولی تعلق می‌‌گیرند. به عبارت دیگر، نانولوله‌‌های کربنی، نانوریبون‌‌ها و گرافن نیز ملکول غیرآلی محسوب می‌‌شوند.

با اینکه تقسیم‌‌بندی‌‌ها در زمینه نانوالکترونیک، بسیار متنوع بوده و تلاش برای ارائه تقسیم‌‌بندی مشترک به نظر غیرممکن می‌‌رسد، اما نوع دسته‌‌بندی‌‌ها اثری بر روی ادوات ساخته شده ندارد. برای مثال، اینکه گرافن به عنوان یک جزء ملکولی در نظر گرفته شود یا یک واحد نانومتری آلی یا معدنی، تفاوتی در مباحث نانوحسگرهای پایه گرافن نخواهد داشت.
آنچه ما در مباحث مربوط به نانوالکترونیک در مقالات سایت آموزش مورد استفاده قرار می‌‌دهیم، دسته‌‌بندی جدیدتری است که در آن تلاش می‌‌شود تا کلیه دسته‌‌بندی‌‌های فوق‌‌الذکر به نحوی مورد توجه قرار گیرند. این دسته‌‌بندی در شکل 2 آورده شده است. همانطور که مشاهده می‌‌شود، این تقسیم‌‌بندی هم بر مبنای نوع و شیمی ماده، و هم بر مبنای کاربرد زیستی و غیر زیستی آن است و الزامی به استفاده از واژه ملکول برای اجزای نانومقیاس غیرملکولی وجود ندارد.

3- اصول الکتروبیوشیمیایی حاکم بر نانوالکترونیک

درحالت کلی می‌‌توان گفت که مولکو‌ل‌ها و واحدهای نانومقیاس، تحت شرایط خاصی می‌‌توانند یکی از رفتارهای رسانایی، نارسانایی و نیم‌‌رسانایی را از خود نشان دهند. برای نمونه، در مولکو‌ل‌هایی که دارای سه بخش دهندۀ الکترون (donor)، پل رابط (Bridge) و گیرنده الکترون (acceptor) در ترازهای الکترونی خود باشند، امکان انتقال الکترون وجود دارد و سیستم مولکولی، رسانا یا نیم رسانا خواهد بود. در اتصالات ملکولی بر پایه مولکول روتاکسان مشاهده شده است که تزریق بار الكتريكي و يا قرارگيري اتصال در یک ميدان الکتریکی قوي باعث وقوع فرآيند ايزومراسیون (Isomerization) يا تغيير در شكل هندسي این مولكول و نهایتاً تغییر ساختار نواری اتصال می‌‌شود. به همین دلیل است که می‌‌توان از پدیده ایزومراسیون یا تغییر آرایش فضایی ملکو‌ل‌ها در طراحي ادواتی مانند سوئيچ‌‌های مولکولی استفاده کرد. به عنوان مثال دوم، می‌‌توان به رفتار ملکول زیستی DNA اشاره کرد. مشاهده شده است که جهش الکترونی در طول DNA، به توالی نوکلئوبازهای آن بستگی دارد. به همین دلیل، ملکو‌ل‌های DNA بسته به شرایط می‌‌توانند طیف وسیعی از رفتارهای الکتریکی (عایق، نيم‌‌رسانا، فلزي و حتی ابررسانایی) را از خود نشان دهند. برای مثال، با تغيير توالي زوج‌‌هاي باز در DNA می‌‌توان خاصیت رسانايي الكتريكي در مولكو‌ل‌هاي DNA را به‌‌طور کامل حذف کرد. شکل 3 ملکول تک رشته DNA را نشان می‌‌دهد که از داخل نانوحفره لایه گرافنی عبور می‌‌کند. همانطور که مشاهده می‌‌شود، با عبور باز گوانین از داخل نانوحفره، جریان الکتریکی عبوری از گرافن تغییر می‌‌کند.

در فیزیک نانوالکترونیک، شارش جریان الکتریکی در امتداد اجزای نانومقیاس با استفاده از ساختار نواری جزء به جزء سیستم الکترونیکی مورد ارزیابی و مطالعه قرار می‌‌گیرد و طراحی تجهیزات نیز دقیقا با علم به مسیر حرکت الکترون و رفتار الکترونیکی اجزای مختلف انجام می‌‌شود. مقالات متعددی در زمینه خواص الکترونی نانومواد مورد استفاده در نانوالکترونیک در سایت آموزش نانو ارائه خواهد شد که خوانندگان می‌‌توانند به آنها مراجعه کنند.

نتیجه‌‌گیری

برای افزایش راندمان ادوات الکترونیکی و کوچک‌‌سازی آنها، تمایل به توسعه حوزه نانوالکترونیک به عنوان فناوری نسل بعدی میکروالکترونیک در سا‌ل‌های اخیر افزایش یافته است. با این حال، چالش‌‌های جدید بر سر راه کوچک سازی ادوات الکترونیکی به وجود آمده است. از جمله این مشکلات فنی، اقتصادی و فرآیندی می‌‌توان به اتلاف حرارتی بیش از حد، لزوم توسعه فرآیندهای نوین ساخت نانومقیاس، و وقوع محدودیت‌‌های کوانتومی اشاره کرد. دسته‌‌بندی‌‌های متعددی برای نانوالکترونیک ارائه شده است که اساس کلیه آنها استفاده از اجزای نانومتری در ساخت سیستم‌‌های الکترونیکی است. مهم‌‌ترین پارامتر در این سیستم‌‌ها کنترل جریان الکترونی در سراسر تجهیز است و این کار در عمل، با مطالعه ساختار نواری اجزای مختلف نانوالکترونیکی و تلاش برای دستکاری آن انجام می‌‌شود.