Cos'è la nanoelettronica e come funziona

Il campo dell'elettronica impegnato nello sviluppo di basi tecnologiche e fisiche per la costruzione di circuiti elettronici integrati con dimensioni di elementi inferiori a 100 nanometri è chiamato nanoelettronica. Il termine "nanoelettronica" stessa riflette il passaggio dalla microelettronica ai moderni semiconduttori, in cui le dimensioni degli elementi sono misurate in unità di micrometri, verso elementi più piccoli con dimensioni di decine di nanometri.

Con il passaggio alla nanoscala, gli effetti quantistici iniziano a dominare negli schemi, rivelando molte nuove proprietà e, di conseguenza, segnando le prospettive per il loro utile utilizzo. E se per la microelettronica gli effetti quantistici sono spesso rimasti parassiti, perché ad esempio con la diminuzione delle dimensioni del transistor l'effetto tunnel inizia a interferire con il suo funzionamento, al contrario la nanoelettronica è chiamata a utilizzare tali effetti come base per l'elettronica nanoeterostrutturata.

Ognuno di noi usa l'elettronica ogni giorno e sicuramente molte persone notano già alcune tendenze definite. La memoria nei computer sta aumentando, i processori stanno diventando più produttivi, la dimensione dei dispositivi sta diminuendo. Qual è la ragione di ciò?

Innanzitutto, con un cambiamento nelle dimensioni fisiche degli elementi dei microcircuiti, da cui sono essenzialmente costruiti tutti i dispositivi elettronici. Sebbene la fisica dei processi rimanga approssimativamente la stessa oggi, le dimensioni dei dispositivi stanno diventando sempre più piccole. Un grande dispositivo a semiconduttore opera più lentamente e consuma più energia e un nanotransistor - funziona più velocemente e consuma meno energia.

Nanotecnologie moderne in video:

È noto che tutti i corpi materiali sono composti da atomi. E perché l'elettronica non raggiunge la scala atomica? Questo nuovo campo dell'elettronica consentirà di risolvere tali problemi su una base di silicio convenzionale fondamentalmente impossibile da risolvere.

Di grande interesse è il grafene e materiali monostrato simili (vedi articolo - Proprietà inattese di carbonio familiare). Tali materiali, spessi un atomo, hanno notevoli proprietà che possono essere combinati per creare vari circuiti elettronici.

Ad esempio, le tecnologie legate alla microscopia a sonda consentono di costruire varie strutture di singoli atomi sulla superficie di un conduttore nel vuoto ultra alto semplicemente riorganizzandole. Qual è la base per la creazione di dispositivi elettronici monatomici?

Le manipolazioni della materia a livello molecolare hanno già influenzato molte industrie, non hanno bypassato l'elettronica. Microprocessori e circuiti integrati sono costruiti in questo modo. I paesi leader stanno investendo nell'ulteriore sviluppo di questo percorso tecnologico, in modo che il passaggio alla nanoscala avvenga più rapidamente, più ampiamente e migliori ulteriormente.

A proposito, alcuni successi sono già stati raggiunti. Nel 2007 Intel ha annunciato che è stato sviluppato un processore basato su un elemento strutturale con una dimensione di 45 nm (introdotto da VIA Nano) e che il passo successivo sarebbe raggiungere i 5 nm. IBM raggiungerà 9 nm grazie al grafene.

Nanotubi di carbonio (grafene) - Uno dei nanomateriali più promettenti per l'elettronica. Consentono non solo di ridurre le dimensioni dei transistor, ma anche di conferire all'elettronica proprietà veramente rivoluzionarie, sia meccaniche che ottiche. I nanotubi non intrappolano la luce, sono mobili, preservano le proprietà elettroniche dei circuiti.

Soprattutto gli ottimisti creativi non vedono l'ora di creare computer portatili che possono essere estratti da una tasca come un giornale o indossati sotto forma di un braccialetto da una mano e, se lo si desidera, possono essere espansi come un giornale e l'intero computer sarà come uno spessore di carta touch-screen pieghevole ad alta risoluzione.

Un'altra prospettiva per l'applicazione della nanotecnologia e l'uso dei nanomateriali è lo sviluppo e la creazione di hard disk di prossima generazione.Nel 2007, Albert Fert e Peter Grünberg hanno ricevuto il premio Nobel per la scoperta dell'effetto meccanico quantistico della resistenza magnetica ultraelevata (effetto GMR), quando i sottili film di metallo provenienti da strati conduttivi e ferromagnetici alternati cambiano significativamente la loro resistenza magnetica con un cambiamento nella direzione reciproca della magnetizzazione.

Controllando la magnetizzazione della struttura con l'aiuto di un campo magnetico esterno, è possibile creare sensori di campo magnetico così accurati ed effettuare una registrazione così accurata sul supporto informazioni che la sua densità di memorizzazione raggiungerà il livello atomico.

La nanoelettronica e la plasmatronica non sono state escluse. Le vibrazioni collettive di elettroni liberi all'interno di un metallo hanno una caratteristica lunghezza d'onda di risonanza plasmonica di circa 400 nm (per una particella d'argento di 50 nm di dimensioni). Lo sviluppo della nanoplasmonica può essere considerato iniziato nel 2000, quando i progressi nel miglioramento della tecnologia per la creazione di nanoparticelle sono accelerati.

Si è scoperto che l'onda elettromagnetica può essere trasmessa lungo una catena di nanoparticelle metalliche, eccitanti oscillazioni plasmoniche. Tale tecnologia consentirà di introdurre circuiti logici nella tecnologia informatica che può funzionare molto più velocemente e trasmettere più informazioni rispetto ai sistemi ottici tradizionali, e le dimensioni dei sistemi saranno molto più piccole di quelle ottiche accettate.

I leader nel campo della nanoelettronica e dell'elettronica in generale, oggi sono Taiwan, Corea del Sud, Singapore, Cina, Germania, Inghilterra e Francia.

Oggi l'elettronica più moderna è prodotta negli Stati Uniti e il più grande produttore di elettronica ad alta tecnologia è Taiwan, grazie agli investimenti di aziende giapponesi e americane.

La Cina è un leader tradizionale nel campo dell'elettronica di bilancio, ma qui la situazione sta gradualmente cambiando: manodopera a basso costo attira investitori da società high-tech che intendono stabilire la loro nanoproduzione in Cina.

Anche la Russia ha un buon potenziale. La base nel campo delle microonde, delle strutture di emissione, dei fotorilevatori, dei pannelli solari e dell'elettronica di potenza consente, in linea di principio, la creazione di città scientifiche nel campo delle nanotecnologie e il loro sviluppo.

Questo potenziale richiede condizioni economiche e organizzazione per la ricerca di base e lo sviluppo scientifico. Tutto il resto è: la base tecnologica, il personale promettente e un ambiente scientifico qualificato. Sono necessari solo grandi investimenti, e questo spesso risulta essere il tallone d'Achille ...

Un esempio dell'applicazione della nanotecnologia:Nanoantenne per ricevere energia solare