1- مقدمه
2- زیرشاخه‌های اصلی
1-2- نانوحسگرها
2-2- بیونیک
3-2- تصویربرداری
4-2- نانوالکترونیک ملکولی
5-2- مدارهای مجتمع نانومقیاس
6-2- اندام‌های مصنوعی نانوساختار
7-2- آزمایشگاه بر روی تراشه
1- مقدمه
جدول 1- ظرفیت حافظه‌های دینامیکی با دسترسی تصادفی (DRAM) و هزینه اقصادی آنها در دو دهه اخیر [1]
2- زیرشاخه‌های اصلی
ممکن است کاربردهای نانوالکترونیکی مهمی وجود داشته باشند که در هیچ یک از این شاخه‌ها جای نگیرند. همچنین ممکن است ادواتی توسعه یابند که بسته به کاربرد آنها، نوع فناوری به کار رفته برای ساخت، و یا اساس علمی/فنی حاکم بر آنها، متعلق به دو یا چندین زیرشاخه باشند. این موضوع، نیاز به توسعه یک دسته‌بندی جامع‌تر برای زیرشاخه‌های نانوالکترونیک را نشان می‌دهد. در ادامه به معرفی هر کدام از این زیرشاخه‌ها پرداخته می‌شود.
1-2- نانوحسگرها
شاید بتوان نانوحسگرها را مهم‌ترین و متداول‌ترین زیرشاخه نانوالکترونیک دانست چرا که در اغلب صنایع از جمله صنایع نظامی، پزشکی، کشاورزی، و صنایع غذایی، نیاز به اندازه‌گیری برخی از عوامل مفید یا مزاحم در محیط‌های مورد نظر وجود دارد. برای مثال، بیماران دیابتی نیاز به اندازه‌گیری قند خون یا میزان گلوکز موجود در خون به منظور تتظیم آن دارند. در صنایع کشاورزی نیاز به اندازه‌گیری میزان سموم کشاورزی در محصولات نهایی حس می‌شود. در صنایع غذایی لازم است که میزان آلاینده‌های محیطی یا میزان سموم در مواد غذایی با دقت بسیار بالایی اندازه‌گیری شود. ممکن است این سوال به وجود آید که می‌توان چنین اندازه‌گیری‌هایی را در آزمایشگاه‌های تخصصی با روش‌های مختلف انجام داد؛ پس نانوحسگرها چه برتری‌هایی دارند؟ پاسخ این است که در بسیاری از کاربردها ما به دنبال اندازه‌گیری آنی و لحظه‌ای عوامل مورد نظر با کمترین هزینه هستیم. برای مثال، بیماران دیابتی بتوانند بدون مراجعه به پزشک، قند خون خود را اندازه‌گیری کنند. مثال دیگر، کنترل برخی از استانداردها در موادی هستند که از طریق گمرک وارد کشورها می‌شود. بنابراین مزیت اصلی نانوحسگرها؛ اندازه‌گیری عوامل مورد نظر در مدت زمان کوتاه و به طور میدانی و با کمترین هزینه است. یک نانوحسگر معمولاً از چند جزء اصلی تشکیل می‌شود: (1) بخش دریافت کننده یا جزء شناساگر؛ (2) مبدل؛ و (3) نمایشگر. به عاملی که باید مورد اندازه‌گیری قرار گیرد، آنالیت گفته می‌شود. اغلب آنالیت‌ها دارای غلظت کمی هستند. بخش دریافت کننده به گونه‌ای انتخاب و طراحی می‌شود که فقط به یک آنالیت خاصی واکنش نشان دهد. بنابراین نباید از یک حسگر انتظار داشت که هم گاز نشتی در یک مجموعه مسکونی را اندازه‌گیری کند و هم گلوکز خون. در برخی از حسگرها، بخش دریافت‌کننده با آنالیت واکنش می‌دهد و در اثر این واکنش، رفتار رسانایی الکتریکی بخش دریافت کننده تغییر می‌کند. این تغییرات توسط مبدل دریافت و نهایتا توسط نمایشگر به یک داده قابل اندازه‌گیری تبدیل می‌شود. سیگنال ایجاد شده در مبدل متناسب با غلظت آنالیت خواهد بود. بنابراین بسته به اینکه جنس بخش دریافت کننده، نوع واکنش بین جزء شناساگر و آنالیت، مکانیزم تبدیل تغییرات به سیگنال‌های خروجی، و کاربرد مورد نظر چه باشد، نانوحسگر به انواع مختلف دسته‌بندی می‌شوند. به عنوان مثال، شکل 2 نانوحسگر مورد استفاده برای اندازه‌گیری غلظت گلوکز در خون بیماران دیابتی را نشان می‌دهد. گلوکز به عنوان سوخت رایج سلول‌های بدن توسط آنزیم گلوکز اکسیداز (GOx) اکسید می‌شود. این واکنش، پتانسیل محیط را متناسب با غلظت اولیه گلوکز تغییر می‌دهد. در اثر این واکنش، جریانی از الکترون‌ها به داخل جزء شناساگر وارد و توسط مبدل دریافت، و به داده خروجی تبدیل می‌شود. مشاهدات نشان می‌دهند که می‌توان با استفاده از نانوکامپوزیت‌های سطحی یا استفاده از برخی نانوذرات بر روی بخش دریافت کننده، واکنش آنالیت با جزء شناساگر و یا انتقال الکترون در فصل مشترک را تسریع کرد و با این کار سرعت تشخیص آنالیت را افزایش داد. امروزه تحقیقات در زمینه نانوحسگرها به سمت توسعه مواد جدید و پربازده برای واکنش با آنالیت‌های مختلف و طراحی سیستم‌هایی برای دریافت سریع و دقیق اطلاعات و تبدیل آنها به سیگنال‌های خروجی گرایش پیدا کرده‌اند.
2-2- بیونیک
از دیرباز دانشمندان به دنبال مطالعه طبیعت و بهره‌گیری از راز و رمز آن در زندگی بشر بوده‌اند. در برخی از موارد، آنها از مواد موجود در طبیعت برای ساخت تجهیزات مورد نیاز استفاده می‌کنند، گاهی با تقلید از سازوکارهای موجود در طبیعت برای ساخت آنها. در اکثر موارد نیز قوانین حاکم بر طبیعت کشف می‌شوند و از آنها برای مهار انرژی‌ها و مواهب طبیعت بهره می‌برند. امروزه به مجموعه این تلاش‌ها، «بیونیک» (Bionics) یا «بیومیمتیک» (Biomimetics) گفته می‌شود. در واقع، بیونیک به مجموعه تلاش‌ها برای تقلید از طبیعت یا الهام از آن با هدف رفع یک مشکل یا ساخت یک تجهیز یا بهینه‌سازی یک سازه گفته می‌شود. به عنوان مثال، از مسیر حرکت مورچه‌ها برای یافتن غذا، می‌توان برخی از مسائل هندسی را حل نمود. همچنین می‌توان با تقلید از نحوه پرواز پرندگان، مکانیک پرواز سازه‌های هواپیمایی را پی‌ریزی کرد.
در سال‌های اخیر، بیونیک و بیومیمتیک جایگاه خود را در حوزه نانوالکترونیک و میکروالکترونیک به دست آورده‌اند. مطالعات متعددی بر روی «چشم بیونیکی نانوساختار» یا «نانوحسگرها»، با الهام یا تقلید از چشم جانوران تیزبین مانند عقاب و شاهین انجام شده است. گام اول این مطالعات، اغلب بررسی دقیق ساختار، مواد و مکانیزم‌های حاکم بر چشم گونه‌های حیوانی است. در وهله دوم، تلاش می‌شود که با امکانات و علوم موجود، ساختاری مشابه با آن طراحی و ساخته شود. شکل 3 ساختار چشم بیونیکی یا مصنوعی ساخته شده بر اساس ساختمان چشم مار افعی را نشان می‌دهد.
3-2- تصویربرداری
در علم پزشکی و بسیاری از علوم دیگر، از ابزارهای متعددی برای تصویربرداری استفاده می‌شود. از مهم‌ترین روش‌های تصویربرداری می‌توان به رادیوگرافی (Radiography)، سی‌تی‌اسکن (CT-scan)، سونوگرافی (Sonography)، ام‌آر‌آی (MRI)، تراهرتز (Terahertz imaging) و تصویربرداری هسته‌ای (Nuclear imaging) اشاره کرد. این تجهیزات از دو رویکرد به حوزه نانوالکترونیک مرتبط هستند: (1) استفاده از فناوری نانوالکترونیک در ساخت اجزای سازنده تجهیزات و (2) تصویربرداری از مواد نانوساختار. امروزه تلاش‌های بسیاری برای بهینه‌سازی روش‌های تصویربرداری، توسعه فناوری‌های جدید برای ساخت تصویر، افزایش دقت و کیفیت تصاویر، و رفع محدودیت‌های ابعادی و موادی روش‌های تصویربرداری در حال انجام است.
4-2- نانوالکترونیک ملکولی
در این حوزه از نانوالکترونیک، از واحدهای ملکولی برای ساخت ادوات الکترونیکی استفاده می‌شود. این مواد به چند شکل ممکن است بکار روند: (1) ملکول منفرد (single molecular)، (2) تک‌لایه خودآرای ملکولی (molecular self-assembly monolayer) و (3) لایه نازک از جنس ملکول. در حالت اول، سازه الکترونیکی بر اساس یک ملکول معین ساخته می‌شوند. به عبارت دیگر، از خواص الکترونی یک واحد ملکولی و ساختار نواری آن، برای طراحی سازه استفاده می‌شود. در حالت دوم و سوم، از خواص انتقال الکترون در مجموعه واحدهای ملکولی استفاده می‌شود. شکل 4 شمایی از سازه‌های نانوالکترونیک ملکولی را نشان می‌دهد. این سازه‌ها در ذخیره‌سازی انرژی، ساخت ترانزیستور و مدارهای مجتمع مورد استفاده قرار می‌گیرند.
5-2- مدارهای مجتمع نانومقیاس
شاید بتوان گفت که اصلی‌ترین بخش یک سازه الکترونیکی، مدار الکترونیکی آن است. مدارهای مجتمع از تعداد زیادی واحد الکترونیکی مانند دیود و ترانزیستور تشکیل می‌شوند که با اتصال دهنده‌هایی مانند سیم‌ها به یکدیگر متصل شده‌اند. اگر بتوان تمامی اجزای یک مدار مجتمع را تا ابعاد ملکولی یا نانومتری کاهش داد، می‌توان شاهد ساخت مدارها و سازه‌های الکترونیکی جدید نانومقیاس بود. این کار در حوزه نانوالکترونیک پیگیری شده و تاکنون محصولات بسیار جذاب در مقیاس صنعتی تولید شده است. به بیان ساده‌تر، ترانزیستورها و دیودها به صورت نانومتری تولید شده‌اند و از نانوسیم‌ها یا آرایه‌های ملکولی به عنوان سیم در مدارها استفاده شده است. شکل 5 مدار مجتمعی را نشان می‌دهد که ابعاد آن، با پیشرفت حوزه نانوالکترونیک به مرز چند نانومتر رسیده است. مشکل اصلی در این ادوات، حرارت بسیار بالایی است که در حین کارکرد سازه به وجود می‌آید. دلیل این امر، کوچک بودن سطح مقطع عبور جریان است.
6-2- اندام‌های مصنوعی نانوساختار
اندام‌های مصنوعی به دسته‌ای از ادوات گفته می‌شود که جایگزین بخشی از بدن موجودات زنده می‌شود تا در غیاب عضو، وظایف آن را انجام دهد. این حوزه جدید با دو رویکرد مختلف می‌تواند به نانوالکترونیک مرتبط شود:
(1) اندام مصنوعی از یک ساختار الکترونیکی با اجزای نانومقیاس تشکیل شده است. برای مثال می‌توان به چشم مصنوعی یا سیستم اتصال اندام‌های مصنوعی به بدن موجود زنده اشاره کرد.
(2) اندام مصنوعی دارای اجزای نانوساختاری باشد که خود برای انجام وظایف مورد نظر نیاز به هماهنگی با ادوات الکترونیکی دارد.
مهم‌ترین اندام مصنوعی نانوالکترونیک، نانوحسگرهای مغزی و چشم مصنوعی است. در این ادوات، تلاش می‌شود با استفاده از مدارهای الکترونیکی، بخشی از سیستم تخریب شده بدن انسان ترمیم شود تا عضو بتواند به عملکرد خود ادامه دهد. مهم‌ترین الزامات یک اندام مصنوعی نانوالکترونیکی، زیست سازگاری بالای مواد مورد استفاده، هماهنگی با اعضای بدن موجودات، پایداری شیمیایی بالا در محیط بدن و قابلیت تعمیر یا تعویض آن است.
7-2- آزمایشگاه بر روی تراشه
آزمایشگاه بر روی تراشه (Lab-on-a-chip) وسیله‌ای است که در آن، چندین کار آزمایشگاهی به طور لحظه‌ای انجام و نتایج به طور آنی نمایش داده می‌شود. در واقع، این سیستم به جای انجام چندین آزمایش در یک آزمایشگاه، نمونه را دریافت و با انجام عملیات خاصی بر روی آن، آزمایش را انجام و داده‌های خروجی را به صورت ملموس ارائه می‌دهد. شکل 6 مزیت آزمایشگاه بر روی تراشه را در مقایسه با کارهای آزمایشگاهی نشان می‌دهد.
3- نتیجه‌گیری
در این مقاله به معرفی زیرشاخه‌های اصلی نانوالکترونیک پرداخته شد. گفته شد که دسته‌بندی جامع و فراگیری برای این موضوع وجود ندارد، ولی می‌توان حوزه‌های زیر را به عنوان زیرشاخه‌های اصلی نانوالکترونیک معرفی کرد: (1) نانوحسگرها، (2) آزمایشگاه بر روی تراشه، (3) اندام‌های مصنوعی، (4) بیونیک و بیومیمتیک، (5) تصویربرداری، (6) مدارهای مجتمع و (7) نانوالکترونیک ملکولی. در نانوحسگرها تلاش برای استفاده از یک جزء نانومتری یا آرایه‌ای از آنها برای تشخیص عوامل محیطی است. در آزمایشگاه بر روی تراشه، نانوحسگرهای تعبیه شده و مدارهای مجتمع به کار رفته نقش شناسایی و آنالیز نمونه را دارند. در علم بیونیک و بیومیمتیک، از مواد، طراحی‌های موجود و قوانین حاکم بر طبیعت، برای ساخت، توسعه، بهینه‌سازی و یا طراحی ادوات نانوالکترونیکی الهام گرفته می‌شود. مهم‌ترین ابزارهای ساخته شده عبارتند از چشم مصنوعی و نانوحسگرهای زیستی مغزی. در حوزه تصویربرداری، تلاش‌ها به توسعه روش‌هایی برای آنالیز و تصویربرداری از اجزای نانومتری یا ساخت بخش‌های سخت‌افزاری دستگاه تصویربرداری با استفاده از سازه‌های نانوالکترونیکی متمرکز شده است. در مدارهای مجمتع نیز تلاش می‌شود که از نانوسیم‌ها، نانوترانزیستورها، نانودیودها، نانوخازن‌ها، مقاومت‌های نانومقیاس، و اتصالات نانومتری برای ساخت مدارهای الکتریکی استفاده شود. با این کار، حجم و بازده کلی سازه‌های نانوالکترونیکی افزایش می‌یابد. در حوزه نانوالکترونیک ملکولی نیز، از واحدهای ملکولی منفرد، آرایه‌های ملکولی یا لایه‌های نازک از جنس ملکول‌ها برای طراحی و ساخت ادوات نانوالکترونیکی استفاده می‌شود. استفاده از پدیده‌های کوانتومی اجزای ملکولی و دستکاری خواص آنها از مزیت‌های اصلی این حوزه به شمار می‌رود.
منابـــع و مراجــــع
