ندا اظهری، مترجم: نانوالکترونیک به فناوری نانویی اطلاق می‌شود که در فناوری‌ها و قطعات الکترونیکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این حوزه از فناوری نانو کاربردهای متعددی دارد و در محصولات کامپیوتری و الکترونیک شامل تراشه‌های فلش حافظه برای ‌ای‌پاد نانو، پوشش‌های ضدمیکروبی و ضدباکتری روی موس، صفحه کلید و تلفن‌های همراه استفاده می‌شود. هدف استفاده از نانوالکترونیک، پردازش، انتقال و ذخیره اطلاعات با بهره‌گیری از خواص ماده است که به‌طور مشخص با خواص ماکروسکوپی متفاوت است. حوزه نانوالکترونیک با استفاده از روش‌ها و مواد جدید برای ساخت دستگاه‌های الکترونیکی با اندازه‌های خاص در مقیاس نانو به‌کار می‌رود.

  کاربری نانوفناوری در حوزه‌های الکترونیک

نانوفناوری در حوزه‌های مختلفی چون الکترونیک چاپی، کارت‌های هوشمند، بسته‌بندی‌های هوشمند، بازی‌های ویدئویی و نمایشگرهای انعطاف‌پذیر برای کاربران کتاب‌های الکترونیک قابل استفاده است. از دیگر کاربردهای فناوری نانو می‌توان استفاده در ترانزیستورهای نانومقیاس اشاره کرد که سریع‌تر و قدرتمندتر بوده و از نظر انرژی بسیار کارآمدتر عمل می‌کند. این فناوری به حدی توانسته در سال‌های اخیر کاربردی باشد که انتظار می‌رود در سال‌های پیش رو شاهد آن باشیم که کل حافظه یک کامپیوتر را بتوان با استفاده از فناوری نانو روی یک تراشه کوچک ذخیره کرد. نانوفناوری همچنین در بسیاری از تلویزیون‌های نسل جدید، رایانه‌ها و لپ‌تاپ‌ها، دوربین‌های دیجیتال و تلفن‌های همراه هوشمند مورد استفاده قرار می‌گیرند. در بسیاری از دستگاه‌ها برای ترکیب غشاهای پلیمری نانوساختار موسوم به دیودهای ساطع‌کننده نور ارگانیک یا OLED استفاده می‌شود؛ جایی که صفحه‌های OLED مصرف سریع‌تر و طول عمر بیشتری را ارائه می‌دهند. از دیگر قابلیت‌های فناوری نانو می‌توان به حافظه دسترسی تصادفی مغناطیسی اشاره کرد که توسط اتصالات تونل مغناطیسی در مقیاس با نانومتری فعال می‌شود که قادر است به‌سرعت و به‌طور موثر حتی داده‌های رمزگذاری‌شده را در هنگام خاموشی یا خرابی سیستم، ذخیره کند؛ درنتیجه ویژگی‌های پخش مجدد را فعال می‌کند. با استفاده از فناوری نانو، محققان قادر خواهند بود دستگاه‌های دستی و قابل‌حملی را با عملکرد سریع‌تر، کوچک‌تر و پیشرفته‌تر بسازند.

همچنین می‌توان از این فناوری‌ها در تولید نانومواد رسانا، ذخیره‌سازی داده‌ها، محاسبات کوآنتومی، الکترونیک چاپی و انعطاف‌پذیر و نانوذرات مغناطیسی برای ذخیره‌سازی داده‌ها استفاده کرد. فناوری نانو درواقع می‌تواند بسیاری از محصولات الکترونیکی، فرآیندها و برنامه‌های کاربردی مانند محصولات الکترونیکی شامل نانوترانزیستورها، نانودیودها، OLED، نمایشگرهای پلاسما و کامپیوترهای کوآنتومی را متحول کند. زمانی که از فناوری نانو در وسایل الکترونیک استفاده می‌شود، باعث افزایش قابلیت‌های دستگاه‌های الکترونیکی و کاهش وزن و توان مصرفی آنها شده و علاوه‌بر این، افزایش تراکم تراشه‌های حافظه و کاهش اندازه ترانزیستورهای مورد استفاده در مدارهای یکپارچه را در پی دارد. نانوفناوری صفحه نمایشگر دستگاه‌های الکترونیکی را بهبود بخشیده و درنتیجه مصرف انرژی آنها و نیز وزن و ضخامت صفحه‌های نمایشگر را کاهش می‌دهد.

کامپیوترهای نانویی

نانوالکترونیک به‌کاررفته در سیستم‌های کامپیوتری تاثیر خود را روی قدرتمندتر کردن پردازنده‌های کامپیوتری می‌گذارد، به‌طوری‌که فرآیند پردازش آنها را در مقایسه با روش‌های معمولی ساخت نیمه‌رسانا قدرتمندتر می‌کند. بعضی رویکردها درحال حاضر درحال تحقیق هستند که از آن جمله می‌توان به اشکال جدید نانولیتوگرافی و نیز استفاده از نانوموادی مانند نانوسیم‌ها یا مولکول‌های کوچک اشاره کرد. ترانزیستورهای اثر میدانی با استفاده از نانولوله‌های کربنی نیمه‌رسانا و نانوسیم‌های نیمه هادی ناهم‌ساخت تولید شده‌اند. هارد‌دیسک‌هایی که به‌عنوان حافظه در رایانه‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند، نسبت به حافظه‌های حالت جامد که هیچ قطعه متحرکی در آن به‌کار نرفته، انرژی بیشتری مصرف می‌کنند و احتمال خرابی آنها هم بالاتر است. به همین دلیل، حافظه کامپیوتر حالت جامد در کامپیوترهای کوچک‌تر مانند تبلت‌ها محبوب شده‌اند. این حافظه کامپیوتر حالت جامد، فضای کمتری را اشغال می‌کند، به‌طوری‌که از باتری کوچک‌تری در آن استفاده شده و درصورت افتادن دستگاه از ارتفاع، احتمال آسیب رساندن به دستگاه کمتر می‌شود. از فناوری نانو برای بهبود چگالی حافظه کامپیوتر حالت جامد استفاده می‌شود.

به گزارش understandingnano، درایوهای حالت جامد، اطلاعات را روی نوعی ترانزیستور به نام فلش ذخیره می‌کنند. درحال حاضر، سازندگان حافظه‌های فلش از روش‌های نانولیتوگرافی برای ساخت تراشه‌های حافظه با حداقل اندازه خاص به اندازه 20 نانومتر استفاده می‌کنند. محققان مدتی است که ایده ساخت ترانزیستورهای فلش عمودی را هم ارائه داده‌اند که با ساخت این ترانزیستورها به‌صورت عمودی می‌توانند سلول‌های حافظه را روی یکدیگر قرار دهند تا از قابلیت پتانسیل افزایش تراکم حافظه برخوردار شوند. به گفته محققان، تراکم سلول‌های حافظه می‌تواند 8 تا 16 برابر بیشتر از ترانزیستورهای مسطح باشد. دانشمندان نوعی دستگاه حافظه ساخته‌اند که از نانوسیم‌ها با پوشش دی‌اکسید تیتانیم روی آنها استفاده می‌شود. گروهی از این نانوسیم‌ها به موازات گروه دیگر رسوب می‌کنند. هنگامی که یک نانوسیم به حالت عمودی روی گروهی از سیم‌های موازی قرار می‌گیرد، در هر تقاطع دستگاهی به نام «ممریستور» تشکیل می‌شود. «ممریستور» را می‌توان به‌عنوان یک سلول حافظه تک جزئی در یک مدار یکپارچه استفاده کرد. محققان معتقدند با کاهش قطر نانوسیم‌ها، تراشه‌های حافظه «ممریستور» قادرند تراکم حافظه بالاتری نسبت به تراشه‌های حافظه فلش داشته باشند. شرکت hp مشغول کار با فناوری نانوست تا بتواند مولفه‌های حافظه مبتنی‌بر «ممریستور»ها را به نام حافظه یا دسترسی تصادفی مقاومتی تولید کند.

علاوه‌بر این، از نانوسیم‌های مغناطیسی ساخته‌شده از آلیاژ آهن و نیکل برای تولید دستگاه‌های حافظه متراکم استفاده می‌شود. محققان روشی را برای مغناطیسی کردن بخش‌هایی از این نانوسیم‌ها ابداع کرده‌اند که با اعمال جریان قادرند بخش‌های مغناطیسی شده را در طول سیم حرکت دهند. با حرکت بخش‌های مغناطیسی در طول سیم، داده‌ها توسط یک حسگر ثابت، خوانده می‌شوند. آنها در نظر دارند صدها میلیون نانوسیم «U» شکل را روی بستر سیلیکونی برای ایجاد تراشه‌های حافظه کم‌هزینه، با چگالی بالا رشد دهند. از سوی دیگر، محققان دانشگاه «رایس» از نانوسیم‌ها دی‌اکسید سیلیکون برای تولید دستگاه‌های حافظه استفاده کرده‌اند. این نانوسیم‌ها بین دو الکترود قرار گرفته و با اعمال ولتاژ، می‌توان مقاومت نانوسیم‌ها را تغییر داد. هر نقطه‌ای که نانوسیم‌ها بین دو الکترود قرار می‌گیرند، به یک سلول حافظه تبدیل می‌شود. محققان دریافتند که با این کار به‌طور مکرر می‌توانند موقعیت سلول حافظه را بین رسانا و نارسانا تغییر دهند، بدون اینکه به ویژگی‌های ماده عیبی وارد شود. آنها قادر خواهند بود با کمک نانوسیم‌هایی با قطر 5 نانومتر و با چیدن چند لایه از ارائه‌های این نانوسیم‌ها مانند لایه‌های سه طبقه، چگالی با حافظه بالا پیدا کنند.

  ساختارهای نانویی جدید، گوشی‌ها را کارآمدتر می‌کنند

به گزارش nanowerk، در دنیای امروز، نانومواد نقشی حیاتی در ظهور دستگاه‌ها و حسگرهای هوشمند، خانه‌های هوشمند، دستگاه‌ها و وسایل خودران، رباتیک، بیوتمنولوژی و پزشکی ایفا می‌کنند. اما مدارهای الکتریکی آنقدر کوچک و پرسرعت شده‌اند که دیگر نمی‌توانند گرمای تولید‌شده در طول پردازش اطلاعات را مدیریت کنند. یکی از قابلیت‌هایی که فناوری نانو می‌تواند در موبایل‌های هوشمند داشته باشد، تولید دستگاه‌های هوشمند بدون باتری است. در عمل، این بدان معناست که گوشی هوشمند، دستگاه‌های اینترنت اشیاء و بسیاری از سیستم‌های الکترونیکی دیگر بسیار کارآمدتر خواهند بود. این فناوری می‌تواند تجربه محققان را در مهار، مصرف و ذخیره انرژی به‌طور چشمگیری تغییر دهد. با تکیه بر پیشرفت‌های اخیر در فناوری‌های فتوولتائیک و مواد لایه نازک برای تبدیل انرژی خورشیدی، گروه‌های تحقیقاتی درحال توسعه نانوساختارهای چندمنظوره بر شبکه‌ جدیدی هستند که برای پاسخ‌های فروالکتریک، ساختاری و فتوولتائیک بهینه تنظیم شده‌اند. این کار نوید یک روش کارآمد برای طراحی نانوساختارهای جدید برای تولید مواد فتوولتائیک آینده را می‌دهد. این سیستم‌های فتوولتائیکی می‌توانند به‌عنوان جایگزین‌هایی ایمن، قابل اعتماد و سازگار با محیط‌زیست برای باتری‌ها در سیستم‌های هوشمند خودتغذیه، به منابع انرژی سبز نسل بعد تبدیل شوند. محققان همچنین دریافتند که کریستال‌های مایع را می‌توان به‌عنوان مواد الکتروکالری با تغییرات دمایی زیاد مورد بهره‌برداری قرار داد. پیشرفت در این زمینه توجه زیادی را از سوی مجامع صنعتی و تحقیقاتی به خود جلب کرده است؛ چراکه ادغام خنک‌کننده‌های درون تراشه‌ای در مدارهای محاسباتی نانوالکترونیکی پیشنهادی است که مطرح شده و بسیار کارآمد خواهد بود. دمای خنک‌کننده در نمونه‌های اولیه دستگاه‌های کریستال مایع به‌طور قابل‌توجهی در مقایسه باسیستم‌های حالت جامد افزایش می‌یابد. علاوه‌بر این، مواد کریستال مایع را می‌توان به هر شکلی استفاده کرد و چنین وسایلی تحت‌تاثیر ترک‌خوردگی قرار نمی‌گیرد.

  وسایل الکترونیکی هوشمندتر در راه است

همان‌طور که فناوری سیلیکونی از محدودیت‌هایی برخوردار است، ماده‌ای مهندسی‌شده توسط محققان دانشگاه کوئینزلند می‌تواند نسل بعدی وسایل الکترونیک را با حافظه بیشتر، سرعت بالاتر و ویژگی‌های پیشرفته روانه بازار کند. این ماده کربنی می‌تواند بازار رو به رشدی را برای حوزه نانوالکترونیک به همراه داشته باشد، به‌طوری‌که پیش‌بینی می‌شود تا سال 2027، این حوزه ارزش 162 میلیارد دلاری پیدا کند. کاربردهای بالقوه این ماده شامل حوزه ارتباطات راه دور، سیستم‌های دسترسی خودکار و تجهیزات پزشکی است. گرافن، تا مدت‌ها با استحکام بال و رسانایی الکتریکی و حرارتی که دارد، ماده‌ای بود که در حوزه الکترونیک مورد استفاده قرار می‌گرفت اما محدودیت‌هایی دارد. محققان ماده را با اتم‌های نیتروژن مهندسی کرده‌اند که در دو لایه گرافن با طرح لانه زنبوری گنجانده شده‌اند؛ آنها با تغییر و چرخاندن لایه‌ها، آنها را آزمایش می‌کنند. این ماده موسوم به «دولایه C3N»، پتانسیل گسترش قابلیت‌های الکترونیک در مقیاس نانو را دارد که عملکرد بیشتری را در نقطه‌ای کوچک‌تر امکان‌پذیر می‌کند. تغییر در تراز لایه‌ها می‌تواند منجر به قابلیت تنظیم جریان الکتریسیته برای دستگاه‌های مختلف شود که تنها با گرافن امکان‌پذیر نیست. این ساختارهای جدید تولید قطعات الکترونیکی مختلفی را امکان‌پذیر می‌کند که می‌توانند برای تولید لوازم الکترونیکی با الزامات و قابلیت‌های متنوع مانند یخچال‌ها و ساعت‌های هوشمند مورد استفاده قرار گیرند. از این ماده حتی می‌توان برای تولید حافظه کامپیوتر و وسایل الکترونیکی قابل انعطاف هم استفاده کرد.

  وسایل الکترونیک خودترمیم‌شونده

نوع جدیدی از ترکیبات فلزی مایع خودترمیم‌شونده می‌توانند در ساخت مدارهای الکترونیکی نرم و قابل بازیافت به‌کار روند. این ترکیبات حتی درصورت سوراخ شدن نیز نمی‌شکنند و بارها و بارها قابلیت استفاده دارند بدون اینکه هدایت الکتریکی داشته باشند. بیشتر مدارهای الکتریکی ساخته‌شده از مواد نیمه‌رسانا مانند سیلیکون‌ها به شکل ساختارهایی در اندازه نانومتری ساخته شده‌اند که از طریق سیم به یکدیگر لحیم می‌شوند. با این حال، این ساختارها سخت و مات بوده و نمی‌توان آنها را به‌راحتی در سیستم‌های الکترونیکی نرم گنجاند و کاربردهایی دارند مانند منسوجات هوشمند، دستگاه‌های زیست پزشکی که با بدن ادغام می‌شوند، تکه‌هایی که برای کنترل سلامتی روی پوست قرار می‌گیرند. این سیستم‌ها با کمک فناوری نانو حتی درصورت آسیب‌دیدگی، باز هم رسانای الکتریکی باقی می‌مانند.  یکی از کاربردهایی که فناوری نانو در حوزه گوشی‌های هوشمند می‌تواند داشته باشد، ایجاد قابلیت خودترمیم‌شوندگی برای نمایشگرهای آنهاست. ترک خوردن نمایشگر گوشی یکی از مشکلاتی است که بسیاری از کاربران با آن دست به گریبانند و محققان با کمک فناوری نانو توانسته‌اند آن را حل کنند. محققان، شبکه‌های پلیمری خودترمیم‌شونده را از طریق مسیرهای مصنوعی ایجاد کرده‌اند. این مواد قادرند آسیب‌ها و ترک‌خوردگی‌های ایجادشده روی صفحه نمایشگر را به‌سرعت ترمیم کنند که درنهایت باعث صرفه‌جویی در وقت و هزینه کاربران می‌شود و نیز طول عمر وسایل و گوشی‌های موبایل را افزایش داده و خطرات زیست‌محیطی را کاهش می‌دهد. دانشمندان درنظر دارند در آینده از شبکه‌های پلیمری خودترمیم‌شونده در راستای بهبود عمر باتری نانوژنراتورهای تریبوالکترونیک استفاده کنند. درواقع، این فناوری به گوشی امکان می‌دهد انرژی را ذخیره و درصورت حرکت، آن را به برق تبدیل کند. این کار تا حد زیادی می‌تواند طول عمر باتری گوشی را افزایش دهد. این باتری‌ها در آینده‌ای نزدیک با راه رفتن کاربران هم قابل شارژ خواهند بود.