تبلیغات
برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات. - نانوسیم‌ها با3 خاصیت رسانایی و نیمه رسانایی و عایقی

برق. قدرت. کنترل. الکترونیک. مخابرات. تاسیسات.

دایره المعارف تاسیسات برق (اطلاعات عمومی برق)

در سال ۱۹۶۵، مهندس Gorden Moore پیش بینی کرد که تعداد ترانزیستورها بر روی یک مدار مجتمع، تقریباً هر دو سال یکبار دو برابر خواهد شد. امروزه ما این پیش بینی را تحت عنوان قانون Moore می شناسیم، هر چند که به هیچوجه یک قانون علمی به حساب نمی آید. قانون Moore بیشتر یک پیشگویی اثبات شده درباره صنعت کامپیوتر به حساب می آید. تولید کنندگان ریزپردازنده ها، به سختی برای انطباق با این پیش بینی تلاش کرده اند، زیرا در غیر این صورت، رقبایشان اینکار را انجام می دادند.
برای جا دادن ترانزیستورهای بیشتری بر روی یک تراشه، مهندسین باید ترانزیستورهای کوچک تری را طراحی کنند. اولین تراشه تقریباً ۲۲۰۰ ترانزیستور بر روی خود داشت. امروزه می توان صدها میلیون ترانزیستور را بر روی یک تراشه ریز پردازنده واحد جا داد. حتی با این وجود نیز شرکت ها همچنان مصمم به ایجاد ترانزیستورهای کوچکتر و کوچکتری هستند تا تعداد بیشتری از آنها را در تراشه های کوچکتر جا دهند. در حال حاضر تعداد زیادی از تراشه های کامپیوتری با ترانزیستورهائی در مقیاس نانو وجود دارند ( مقیاس نانو بین ۱ و ۱۰۰ نانومتر است. یک نانومتر معادل یک میلیاردم یک متر می باشد). ترانزیستورهای آینده حتی از این حد نیز کوچکتر خواهند بود .
اما امروزه مفهوم دیگری پا به عرصه گذاشته است: نانوسیم ها ( Nonowire ) ساختاری که دارای یک نسبت طول به عرض شگفت انگیز می باشد. نانوسیمها می توانند به طور غیر قابل تصوری باریک باشند. در واقع می توان یک نانوسیم را با قطر تنها یک نانومتر تولید کرد، هر چند که دانشمندان و مهندسین به کار با نانوسیم هایی با قطری مابین ۳۰ تا ۶۰ نانومتر گرایش دارند. دانشمندان امیدوارند که بزودی بتوانیم از نانوسیم ها برای ایجاد کوچکترین ترانزیستوری که تا امروز ساخته شده است استفاده نمائیم، گرچه موانع نسبتاً دشواری در این مسیر وجود دارند.
ما در این مقاله به بررسی خصوصیات نانوسیم ها می پردازیم. در این مقاله خواهیم آموخت که مهندسین چگونه نانوسیم ها را می سازند و چه پیشرفت هائی را در مسیر ایجاد تراشه های الکترونیکی با استفاده از ترانزیستورهای نانوسیمی بدست آورده اند. در بخش آخر، به بعضی از کاربردهای احتمالی نانوسیم ها، نظیر کاربردهای پزشکی آن نگاهی خواهیم انداخت.

نانوسیم ها چقدر باریک هستند؟
موی انسان معمولاً بین ۶۰ تا ۱۲۰ میکرومتر قطر دارد.اجازه بدهید فرض کنیم که شما یک رشته موی باریک استثنائی با قطر ۶۰ میکرومتر را در اختیار دارید. یک میکرومتر معادل ۱۰۰۰ نانومتر است، بنابراین شما باید این رشته مو را حداقل ۶۰۰۰۰ بار از طول برش دهید تا یک رشته با ضخامت یک نانومتر را بدست آورید.

خصوصیات نانوسیم
بر حسب اینکه یک نانوسیم از چه چیزی ساخته شده باشد، می تواند خصوصیات یک عایق، یک نیمه هادی و یا یک فلز را از خود نشان دهد. عایقها قادر به حمل یک شارژ الکتریکی نیستند، در حالیکه فلزات شارژهای الکتریکی را بسیار خوب حمل می کنند. نیمه هادی در فاصله میان این دو قرار می گیرد و یک شارژ الکتریکی را تنها در شرایط مناسب حمل می کند. با آرایش سیم های نیمه هادی در یک پیکر بندی مناسب، مهندسین می توانند ترانزیستورها را ایجاد کنند که هر یک از آن ها بعنوان یک سوئیچ با یک تقویت کننده ( Amplifire ) عمل می نمایند.
بعضی از خصوصیات جالب توجهی ( و البته غیرمنتظره ای ) که نانوسیم ها از خود نشان می دهند، به مقیاس کوچک آنها مربوط می شود. وقتی شما با اشیائی کار می کنید که در مقیاس نانو ( یا کوچکتر) هستند، وارد قلمروی مکانیک کوانتومی می شوید. مکانیک کوانتومی می تواند حتی برای متخصصین این حوزه نیز گیچ کننده باشد، زیرا در اکثر مواقع اصول فیزیک کلاسیک ( که تحت عنوان فیزیک نیوتنی نیز شناخته می شود) را نقض می نماید.
برای مثال، یک الکترون بطور معمول نمی تواند از یک عایق عبور کند. با اینحال اگر عایق به اندازه کافی نازک باشد، الکترون می تواند از یک طرف عایق به طرف دیگر آن عبور نماید. این فرآیند “Electron Tunneling” نامیده می شود اما نام مذکور واقعاً نمی تواند ایده ای از اینکه فرآیند مربوطه تا چه اندازه می تواند عجیب باشد را در اختیار شما قرار دهد. در واقع، الکترون از یک طرف عایق به طرف دیگر آن می رود، بدون آنکه عملاً درخود عایق نفوذ کرده و یا فضایی را در داخل عایق اشغال نماید. به عبارت دیگر می توان گفت که الکترون از یک طرف عایق به طرف دیگر آن Teleport می شود. شما می توانید با استفاده از لایه های ضخیم تر عایق از پدیده Electron Tunneling جلوگیری کنید، زیرا الکترون ها تنها در طول فواصل بسیار کوچکی قابلیت جابه جایی دارند.
خصوصیت جالب توجه بعدی، این است که بعضی از نانوسیم ها” رسانای پرتابه ای ” ( Ballistic Conductor ) هستند. در رساناهای معمولی، الکترونها با اتم های داخل ماده رسانا برخورد می کنند. این وضعیت باعث کند شدن حرکت الکترونها شده و بعنوان یک محصول فرعی، گرما تولید می کند. در رساناهای پرتابه ای، الکترونها می توانند بدون این برخوردها از طریق یک رسانا جابه جا شوند. نانوسیم ها می توانند الکتریسیته را بطور کارآمدی بدون ایجاد محصول فرعی گرمای شدید، انتقال دهند.
در مقیاس نانو، عناصر می توانند خصوصیات بسیار متفاوتی را نسبت به آنچه که ما انتظار داریم از خود نشان دهند. برای مثال، فلز طلا در حجم های بزرگ دارای نقطه ذوبی بالاتر از ۱۰۰۰ درجه سلسیوس است. با کاهش حجم طلا به اندازه های نانو ذرات، می توانید نقطه ذوب آن را کاهش دهید زیرا هنگامیکه هر ذره را تا مقیاس نانو کوچک می کنید، افزایش چشمگیری در نسبت ” سطح به حجم ” آن ایجاد می گردد. همچنین، طلا در مقیاس نانو همانند یک نیمه هادی رفتار می کند، اما در حجم های بزرگ بعنوان یک رسانا در نظر گرفته می شود.
عناصر دیگر نیز رفتارهای عجیبی را در مقیاس نانو از خود نشان می دهند. برای مثال، آلومینیوم در حجم های بزرگ فاقد رفتار مغناطیسی می باشد، اما گروه های بسیار کوچک اتم های آلومینیوم دارای خصوصیت مغناطیسی هستند. نمی توانیم انتظار داشته باشیم خصوصیاتی از عناصر که ما در تجربیات روزمره خود با آنها آشنا هستیم ( و همچنین نحوه رفتاری که از آنها انتظار داریم) را در شرایطی که اندازه همین عناصر را تا یک نانومتر کاهش داده ایم، مشاهده نمائیم.
ما هنوز در حال یادگیری خصوصیات متفاوتی در مقیاس نانو هستیم. خصوصیات بعضی از عناصر نظیر سیلیکون، در مقیاس نانو نیز دچار تغییرات چندانی نمی شوند. این ویژگی باعث می شود که آنها برای ترانزیستورها و سایر کاربردها ایده آل باشند. اما عده دیگری از عناصر هنوز بسیار اسرار آمیز بوده و می توانند خصوصیاتی را به نمایش بگذارند که ما در حال حاضر قادر به پیش بینی آنها نیستیم.

نانولوله های کربنی و نقاط کوانتومی
نانوسیم ها تنها یکی از ساختارهای هیجان انگیزی هستند که دانشمندان و مهندسین در مقیاس نانو به اکتشاف و بررسی آنها پرداخته اند. دو مفهوم مهم دیگر در مقیاس نانو، عبارتند از نانولوله های کربنی و نقاط کوانتومی. یک نانولوله کربنی، یک ساختار استوانه ای است که به یک صفحه لوله شده از گرافیک شباهت دارد. خصوصیات این ساختار به نحوه لوله کردن صفحه گرافیکی به صورت یک استوانه بستگی خواهد داشت. با لوله کردن اتم های کربن در یک جهت، شما می توانید یک نیمه هادی را بوجود آورید. اما لوله کردن همین صفحه در یک امتداد دیگر باعث ایجاد ماده ای می شود که ۱۰۰ برابر سخت تر از فولاد است. نقاط کوانتومی نیز مجموعه ای از اتم ها هستند که در کنار یکدیگر بعنوان یک اتم غول آسا عمل می کنند ( هر چند که در ذکر عبارت غول آسا ما همچنان از مقیاس نانو صحبت می کنیم). نقاط کوانتومی نیمه هادی هستند.

ساخت نانوسیم ها از بالا به پائین
متخصصین علوم نانو درباره دو شیوه متفاوت برای ساختن موارد مختلف در مقیاس نانو صحبت می کنند: روش Top-Down و روش Bottom-Up.یک روش Top-Down اساساً به معنای آن است که شما حجم بزرگی از ماده ای که می خواهید از آن برای ساخت نانوسیم ها استفاده کنید را برداشته و آن را بتراشید تا به اندازه مناسب برسد. یک روش Bottom-Up شامل یک فرآیند مونتاژ است که در آن ذرات کوچکتر به یکدیگر متصل می شوند تا ساختار بزرگتری را تشکیل دهند.
با وجود آنکه می توانیم نانوسیم ها را با استفاده از هر دو روش تولید کنیم، اما متخصصین شیوه ای را یافته اند که تولید انبوه را امکانپذیر می سازد. در حال حاضر، دانشمندان و مهندسین باید زمان بسیار زیادی را برای تولید کسری از تعداد نانوسیم های مورد نیاز یک تراشه ریزپردازنده صرف نمایند. یافتن روشی برای آرایش و سازماندهی صحیح نانوسیم ها پس از تولید آنها، حتی می تواند چالش بسیار بزرگتری باشد. مقیاس های کوچک باعث می شوند که تولید ترانزیستورها بطور خودکار بسیار دشوار باشد. در حال حاضر، مهندسین معمولاً سیم ها را با ابزارهای ویژه ای در محل خود دستکاری می کنند، در حالیکه همه چیز را از طریق یک میکروسکوپ قدرتمند مشاهده می نمایند.
یک مثال از روش Top-Down شیوه ای است که دانشمندان از آن برای ساخت نانوسیم های فیبر نوری استفاده می کنند. سیم های فیبر نوری، اطلاعات را درقالب نور انتقال می دهند. برای ساخت یک نانوسیم فیبرنوری، مهندسین ابتدا کار خود را با یک کابل فیبر نوری معمولی آغاز می کنند. چند شیوه مختلف برای کاهش ابعاد یک کابل فیبر نوری تا مقیاس نانو وجود دارد. دانشمندان می توانند یک میله ساخته شده از یاقوت را گرم کرده،کابل را به دور آن پیچیده و سپس کابل را بکشند تا ضخامت آن کاهش پیدا کرده و به نانوسیم تبدیل گردد. یک شیوه دیگر، از یک کوره کوچک ساخته شده از یک استوانه یاقوتی بهره گیری می نماید. دانشمندان یک کابل فیبر نوری را از میان این کوره عبور داده و آن را می کشند تا به یک نانوسیم باریک تبدیل شود. فرآیند سوم که Flame Brushing نام دارد، از یک شعله در زیر کابل فیبر نوری استفاده می کند، در حالیکه دانشمندان مشغول کشیدن کابل از طرفین هستند.

نگاه کردن به مقیاس نانو
میکروسکوپ یک دانشمند نانو، از همان نوعی نیست که شما در آزمایشگاه شیمی دبیرستان خود دیده اید. هنگامیکه شما تا مقیاس اتمی نفوذ می کنید، با اندازه هایی سر و کار دارید که عملاً کوچکتر از طول موج نور مرئی هستند. در مقابل، یک دانشمند نانو می تواند از یک میکروسکوپ Scanning Tunneling و یا یک میکروسکوپ Atomic Force استفاده کند. میکروسکوپهای Scanning Tunneling از یک جریان الکتریکی ضعیف برای کاوش ماده اسکن شده استفاده می نمایند. میکروسکوپهای Atomic Force نیز سطوح را با یک ” Tip ” فوق العاده ظریف اسکن می کند. هر دو میکروسکوپ مذکور، داده های خود را به یک کامپیوتر می فرستند که اطلاعات را جمع آوری کرده و آن را به صورت گرافیکی بر روی یک نمایشگر نشان می دهد.

نانوسیم های رشد کننده
(CVD (Chemical vapor deposition) مثالی از یک شیوه Bottom-Up است. بطور کلی CVD به یک گروه از فرآیندها اشاره دارد که در آنها یک ساختار جامد از یک مرحله گازی تشکیل می گردد. دانشمندان، کاتالیزورهائی ( نظیر نانوذرات طلا ) را بر روی یک لایه مبنا که تحت عنوان ” زیر لایه ” ( Substrate ) شناخته می شود،رسوب می کنند. این کاتالیزرها بعنوان یک محل جذب برای تشکیل نانوسیم عمل می کنند.دانشمندان این زیر لایه را در یک محفظه با گازی که حاوی عناصر مقتضی ( نظیر سیلیکون ) است قرارمی دهند تا اتم های گاز کار خودشان را انجام دهند. در ابتدا، اتم های گاز به اتم های کاتالیزور جذب می شوند، سپس اتم های بیشتری از گاز به این اتم ها متصل می شوند و فرآیند به همین ترتیب ادامه پیدا می کند تا یک زنجیره یا سیم ایجاد گردد. بعبارت دیگر، نانوسیم ها خودشان را مونتاژ می کنند.

نانوسیم های طبیعی
تا همین اواخر، دانشمندان معتقد بودند که تمام نانوسیم ها ساخته دست بشر هستند، اما چند سال پیش، زیست شناسان یک باکتری را کشف کردند که می تواند نانوسیم های خود را رشد دهد. یک باکتری به نام ” Geobacter sulfurreducens ” الکترون ها را بر روی اتم های فلزی تخلیه می کند( این الکترون ها، محصول فرعی مصرف سوخت باکتری هستند) اگر باکتری در محیط خود دچار کمبود فلز باشد، یک نانوسیم فرعی را رشد می دهد تا الکترون ها را به نزدیک ترین فلز برساند. این وضعیت به باکتری اجازه می دهد تا سوخت بیشتری را مصرف کند. دانشمندان امیدوارند که سلول های سوختی ارگانیک را با استفاده از باکتریهائی نظیر Geobacter Sulfurreducens برای تولید الکتریسیته ، ایجاد نمایند.
یک روش جدید برای ساخت نانوسیم ها، چاپ مستقیم آنها برروی زیر لایه مناسب است. یک تیم از محققین در زوریخ، پیشگام این شیوه بوده اند. آنها در ابتدا یک ویفر سیلیکونی را بصورتی حکاکی کردند که بخش های برجسته بر روی ویفر با ساختار مورد نظرشان برای آرایش نانوسیم ها مطابقت داشته باشند. آنها از این ویفر بعنوان یک کلیشه استفاده کرده و آن را بر روی یک لاستیک مصنوعی با نام PDMS فشار دادند. آنها سپس یک مایع پرشده با نانو ذرات طلا که یک ” تعلیق کلوئیدی ” ( colloidal suspension) نامیده می شود را بر روی PDMS کشیدند. ذرات طلا در داخل کانال های ایجاد شده توسط کلیشه ویفر سیلیکونی رسوب کردند . حالا PDMS به یک قالب تبدیل شده است که می تواند یک ” چاپ ” از نانوسیم های طلایی را بر روی سطح دیگری انتقال دهد. قالبهای PDMS می توانند به دفعات مورد استفاده قرار گیرند و احتمالاً در آینده نقش مهمی را در تولید انبوه مدارهای نانوسیم بر عهده خواهند داشت.
آزمایشگاه های متعددی، ترانزیستورهایی را با نانوسیم ها تهیه کرده اند، اما ایجاد این ترانزیستورها مستلزم صرف زمان و نیروی انسانی فراوانی است. ترانزیستورهای نانوسیمی به همان خوبی ترانزیستورهای امروزی ( و یا حتی بهتر از آنها ) کار می کنند. اگر دانشمندان بتوانند شیوه ای را برای طراحی یک روش جهت تولید و اتصال کارآمد ترانزیستورهای نانوسیمی به یکدیگر پیدا کنند، راه برای دستیابی به ریزپردازنده های کوچک تر و سریعتر هموار خواهد شد که به نوبه خود به صنعت کامپیوتر امکان می دهند تا همچنان با قانون Moore هماهنگ بماند. تراشه های کامپیوتری همچنان کوچکتر و در عین حال قدرتمندتر خواهند شد.تحقیقات در زمینه تولید نانوسیم در سراسرجهان ادامه دارد. بسیاری از دانشمندان بر این باور هستند که دستیابی به یک شیوه مناسب برای تولید انبوه نانوسیم ها و ترانزیستورهای نانوسیمی، تنها به زمان بستگی خواهد داشت. با کمی امیدواری، می توانیم بگوییم که اگر به چنین نقطه ای برسیم، در عین حال شیوه ای را برای آرایش نانوسیم ها در ساختارهای مورد نظر خود را نیز در اختیار خواهیم داشت و در نتیجه می توانیم از پتانسیل کامل آنها بهره گیری نمائیم.

لوله های DNA
محققین دانشگاه Duke از DNA مصنوعی برای تولید نانوسیم های نقره ای استفاده می کنند. محققین، کاشی هایی را از ملکول های DNA ایجاد می نمایند. این ملکولها سپس خودشان را در ساختارهای لوله ای، سازماندهی می کنند. سپس یک واکنش شیمیائی دو مرحله ای باعث می شود تا این لوله ها به یک نانوسیم تبدیل گردند. در آینده،DNA احتمالاً به دانشمندان کمک خواهد نمود تا ترانزیستورهایی در مقیاس نانو را از طریق هدایت نانوسیم ها به محل های مناسب برروی یک تراشه ایجاد کنند.

کاربردهای نانوسیم ها
احتمالاً آشکارترین استفاده نانوسیم ها در مدارات الکترونیکی است. بعضی از نانوسیم ها، نیمه هادی ها و یا رساناهای خوبی هستند و اندازه بسیار کوچک آنها به معنی این است که تولید کنندگان می توانند میلیونها ترانزیستور بیشتر را بر روی یک ریزپردازنده واحد جا دهند. در نتیجه، سرعت کامپیوترها بطور چشمگیری افزایش خواهد یافت.
نانوسیم ها احتمالاً نقش مهمی را در حوزه کامپیوترهای کوانتومی ایفا خواهند کرد. یک تیم از محققین در هلند، نانوسیم هائی را از “indium arsenide” ایجاد کرده و آنها را به الکترودهای آلومینیومی متصل نموده اند. در دمائی نزدیک به صفر مطلق، آلومینیوم به یک ابررسانا تبدیل می شود و این بدان معنی است که الکتریسیته را بدون هیچ مقاومتی از خود عبور می دهد. نانوسیم ها نیز به خاطر تأثیر مجاورت به ابررسانا تبدیل می شوند. محققین می توانند ابررسانائی نانوسیم ها را با عبور ولتاژهای مختلف از زیر لایه ای که نانوسیم ها بر روی آن قرار گرفته اند، کنترل نمایند.
دانشمندان نانو با استفاده از مواد پیزوالکتریک توانسته اند نانوسیم هائی را ایجاد کنند که از انرژی جنبشی الکتریسیته تولید می نمایند.تأثیر پیزوالکتریک، پدیده ای است که مواد معینی از خود نشان می دهند: هنگامی که شما نیروی فیزیکی را بر روی یک ماده پیزوالکتریک اعمال می کنید، ماده مذکور یک شارژ الکتریکی تولید می نماید. اگر یک شارژ الکتریکی را بر روی همین ماده اعمال کنید، خواهد لرزید. نانوسیم های پیزوالکتریک در آینده می توانند تغذیه برق نانوسیم هائی با اندازه های نانو را فراهم کنند، هر چند که در حال حاضر هیچ کاربرد عملی برای آنها وجود ندارد.
در دنیای الکتریک ، صدها کاربرد احتمالی دیگر برای نانوسیم ها وجود دارد. محققین در ژاپن بر روی سوئیچ های اتمی کار می کنند که می توانند روزی جایگزین سوئیچ های نیمه هادی در ابزارهای الکتریکی شوند. دانشمندان آزمایشگاه ملی انرژی تجدید پذیر امیدوارند که نانوسیم های کواکسیال ( هم محور ) بتوانند بازدهی انرژی سلول های خورشیدی را بهبود بخشند. از آنجائیکه ما هنوز مشغول یادگیری درباره خصوصیات نانوسیم ها و سایر ساختارها در مقیاس نانو هستیم، احتمالاً هزاران کاربرد دیگر برای آنها وجود دارند که ما حتی نمی توانیم آنها را تصور کنیم.

نانوسیم ها در پزشکی
تمام کاربردهای نانوسیم ها در حوزه الکتریک نخواهند بود. محققین در دانشگاه آرکانزاس تلاش می کنند تا از نانوسیم ها برای روکش ایمپلنتهای تیتانیومی استفاده نمایند. پزشکان کشف کرده اند که بافت ماهیچه گاهی اوقات بخوبی به تیتانیوم نمی چسبد، اما وقتی که این ایمپلنتها با نانوسیم ها روکش شوند، بافت می تواند خودش را به آنها متصل نموده و ریسک عدم موفقیت ایمپلنت را کاهش دهد.
دانشمندان در انستیتوی بیماری های قلب – عروقی Gladstone در حال تجربه نانوسیم ها با سلولهای بنیادی هستند. آنها امیدوارند که با گذراندن یک جریان الکتریکی از طریق نانوسیم ها به سلول بنیادی، بتوانند نحوه تمایز آن را کنترل کنند.

http://www.e-pedian.com/articles/%d9%86%d8%a7%d9%86%d9%88%d8%b3%d9%8a%d9%85%e2%80%8c%d9%87%d8%a7/

صفحات جانبی

نظرسنجی

    لطفاً نظرات خود را درمورد وبلاگ با اینجانب در میان بگذارید.(iman.sariri@yahoo.com)نتایج تاکنون15000مفید و 125غیرمفید. با سپاس


  • آخرین پستها

آمار وبلاگ

  • کل بازدید :
  • تعداد نویسندگان :
  • تعداد کل پست ها :
  • آخرین بازدید :
  • آخرین بروز رسانی :