Titlul întreg al proiectului

CAPITOLUL 4: Aplicaţii pentru circuite integrate

Dispozitivele electronice şi calculatorul au devenit parte din viaţa noastră de zi cu zi. Componentele electrice ale acestor dispozitive (cum ar fi procesorul sau memoria RAM a calculatorului) sunt fabricate printr-un proces de sus în jos. Acesta porneşte de la un material brut din care structuri mici sunt fabricate prin eliminarea selectivă a o parte din acest material. Procese cum ar fi litografierea şi gravarea sunt utilizate pentru fabricarea acestor structuri fine. În viitor, procesoare cu un număr mai mare de tranzistori mai mici şi cu memoriile calculatoarelor care vor stoca cantităţi mai mari de informaţii vor fi produse pentru a satisface nevoile noastre de mici, dar mai rapid şi mai multe dispozitive complexe. Pentru a realiza acest lucru, noi materiale şi procese vor fi necesare, cel mai probabil pornite de nanotehnologie. Dar evolutia sectorului CI va fi cel mai probabil dincolo de ceea ce noi considerăm astăzi "electronice" (de ex. dispozitive care efectuează o sarcină pentru noi). Există viziuni de a avea electronice încorporate în hainele noastre, în mediul din jurul nostru, în ceea ce este conceput ca o reţea de dispozitive care creează o "inteligenţă ambiantă".

CIRCUITE INTEGRATE

De la apariţia calculatoarelor a fost o căutare continuă pentru dispozitive cu o densitate mai mare de componente şi cu dimensiuni reduse. Ruta principala a fost să se dezvolte procese îmbunătăţite de sus în jos capabile de a fabrica componente mai mici şi tot mai mici. Micşorarea tranzistorilor a fost forţa motrică deoarece aceştia sunt baza blocurilor de construcţie a elementelor într-un circuit integrat (microprocesor, memoria, porţi logice, etc). Nivelul la scara nanometrica a fost deja atins; cei mai recenţi tranzistori de la Intel (Penryn si Nehalem) au 45 nm dimensiune şi într-o configuraţie quad-core au peste 731 milioane de tranzistori!

Micşorarea tranzistorilor nu poate merge la infinit cu instrumentele şi materialele pe care le avem acum. În cele din urmă vom ajunge la un punct în care tranzistorul este atât de mic încât efectele cuantice încep să predomine. La dimensiuni foarte mici (de exemplu: 1 nm), efectele cuantice vor începe să predomine, cum ar fi efectul tunel, iar electronii vor putea să "sară" prin poarta tranzistorului on / off. O altă problemă este consumul de energie şi generarea de căldură. Din acest motiv va trebui probabil să dezvoltăm noi abordări fundamentale de prelucrare a informaţiei şi de stocare a datelor, dincolo de ceea ce utilizăm noi astăzi, cum ar fi auto-asamblarea sau materiale cu totul noi (cum ar fi electronica moleculară); domeniul acesta se numeşte "Dincolo de CMOS". Ce e interesant este faptul că nanotehnologia oferă posibilitatea de a exploata, mai degrabă, decât să evite efectele cuantice pentru dezvoltarea următoarei generaţii de circuite integrate. Unele concepte noi, care sunt în curs de dezvoltate sunt:

- Spintronics: rotaţia electronului (mai repede decât încărcarea sa) este utilizată pentru a stoca si procesa informaţia. Necesită straturi subţiri de materiale magnetice. Efectul magnetorezistenţă gigant (GMR) reprezintă primul tip din această nouă tehnologie şi este utilizat în noile generaţii de dispozitive de memorie, cum ar fi: Memory Magnetic Random Access, sau MRAM (folosite, de exemplu în Apple iPod).

- Photonics: : O altă posibilitate este utilizarea de fotoni (mai degrabă decât electronii) în spectrul vizibil sau IR pentru a transmite şi a prelucra datele (comunicare optică). În acest caz, semiconductori (cum ar fi siliciu) nu mai pot fi utilizaţi, deoarece aceştia nu pot emite şi nu pot transporta lumina eficient. Alte materiale (cristale fotonice) proiectate la scară nanometrică sunt necesare pentru a fi utilizate. Aceste structuri imită structurile naturale fotonice găsite la aripile de fluturi Morpho, fiind responsabile pentru culorile lor frumoase.

- “Quantum electronics”: acest termen înseamnă utilizarea explicită a efectului de tunelare la transportul de electroni de la sursă la golirea tranzistorului. Un asemenea tranzistor există şi se numeşte tranzistorul cu un singur electron (SET).

- Nanotubul de carbon şi tranzistorii de grafen: În multe cazuri nanotuburile de carbon sunt considerate un material de "vis" atunci când vine vorba de electronice. Acestea pot fi conductoare sau izolatoare, în funcţie de chiralitatea lor (şi atunci când acestea sunt conductoare, ele sunt extrem de bune conductoare electronice, cu o rezistenţă şi disipare a căldurii mici); ele sunt rezistente (mecanic) şi chimic inerte, sunt rezistente la temperaturi ridicate şi pot fi funcţiona cu molecule specifice acţionând ca puncte de ancorare. Nanotuburile de carbon sunt de aproximativ 1-2 nm în lăţime fiind la fel de înguste ca molecula de ADN dublu catenar (molecula care transportă informaţiile noastre genetice). Aranjând nanotuburile în circuitele electronice am putea permite miniaturizarea cu un factor de aproximativ 100 peste limita curentă.

- Electronică moleculară: moleculele în sistemele naturale (plante, animale) sunt aranjate în sisteme macromoleculare (nanostructuri) care efectuează numeroase activităţi: transmiterea de sarcini, fotoni, etc. Electronica moleculară este o ramură a nanoştiinţei care are ca scop explicitarea utilizării ansamblurilor de molecule pentru transportul şi stocarea datelor. Câmpul include fire moleculare, switchere, senzori moleculari şi alte "dispozitive" electronice. Ideea este asamblarea moleculelor în nanostructuri care pot îndeplini o funcţie specifică (cum ar fi transporturile de sarcină) în funcţie de configuraţia acesteia.

STOCAREA DE DATE

Metalele nanocristaline au proprietăţi magnetice excepționale, de exemplu, ele sunt responsabile de efectul de magnetorezistenţă gigant (GMR) care este exploatat în actuala Magnetoresistive Random Access Memory (MRAM) utilizată în ultima generaţie de telefoane inteligente. Prin urmare, nanoştiinţa este deja folosită în sistemele actuale de stocare a datelor, inclusiv memorii flash. Nanomaterialele sunt, de asemenea, investigate ca dispozitive de stocare noi, cum ar fi memoria de tranziţie de fază, cunoscută sub numele de memorie de schimbare de fază (PCM) care utilizează tranziţia de fază a unui material de la forma cristalină la forma amorfă. Un alt concept este nanotubul RAM, o marcă a companiei Nantero (NRAMTM) care foloseste nanotuburi de carbon pentru a determina stările memoriei. Aceste noi forme de RAM sunt susceptibile de a revoluţiona capacitatea de memorie a calculatoarelor şi viteza lor.

AFIŞAJE

Tehnologia de afişare a progresat enorm în ultimul deceniu. Până în urmă cu câţiva ani, am avut televizoare voluminoase prin tehnologia tub catodic (CRT) şi telefoane mobile cu ecrane alb-negru care afişau numai text. In zilele noastre, televizoarele LCD şi telefoanele mobile care pot afişa fotografiile şi filmele devin din ce în ce mai obişnuite, multe sunt chiar cu comutare prin atingere(touch display). Acest progres a pornit de la o cercetare intensă în domeniu, fiind propulsat de o industrie de miliarde de dolari şi de nevoia constantă de dispozitive funcţionale care combină portabilitatea, imaginea, calitatea video, consumul redus de energie şi costul mic de fabricaţie. Tehnologia de afişare evoluează într-un ritm rapid şi unele concepte noi sunt diodele organice emiţătoare de lumină (OLED-uri), în care moleculele organice (cum ar fi chelaţii organo-metalici) sunt direct evaporate, iar matricea de pixeli care rezultă poate emite diferite culori. Pixeli OLED emit lumină direct şi nu necesită iluminare din spate, consumând astfel mai puţină energie decât ecranele LCD. De asemenea, OLED-urile pot fi mult mai subţiri şi mai uşoare decât panourile LCD. Nanotehnologiile sunt folosite pentru a optimiza materialele şi aranjarea straturilor organice. O altă tehnologie este Quantum Dot Light Emitting Diode (QD/ LED-uri) în care sunt utilizate punctele cuantice. Punctele cuantice (zilnic) emit o culoare specifică bazată pe dimensiunea nanoparticulelor.

O schimbare de un minut în dimensiunea particulelor are ca rezultat o emisie într-o altă culoare total diferită, de exemplu, o particulă de 6 nm diametru luminează în roşu, în timp ce o alta din acelaşi material dar numai cu 2 nm mai mare ar lumina albastru. Emisia de lumină de la un QD este monocromatică, prin urmare foarte pură. Utilizarea lor în afişaje ar duce la imagini de o calitate excepţională. Ca si OLED-urile, QD LED-urile emit lumina mai mult decât o filtrează, prin urmare QD-LED-urile sunt de aşteptat să fie mai eficiente energetic. Nanomaterialele sunt utilizate, de asemenea, în ultima generaţie de hârtie electronică (e-paper), de exemplu: încorporarea de nanotuburi de carbon ca electrozi transparenţi. Unul dintre avantajele cheie ale nanomaterialelor în tehnologia de afişare este faptul că unele materiale, cum ar fi nanotuburile de carbon sau grafen, pot fi încorporate în materiale plastice, ducând la un compozit polimer care este la fel de flexibil şi transparent. Aceasta deschide posibilitatea de a dezvolta telefoane mobile flexibile, ecrane flexibile şi laptop-uri. În ingineria acestor suprafeţe poate fi, de asemenea, adăugat un nanosenzor de suprafaţă sau o acoperire la suprafaţă superhidrofobică pentru a menţine aparatul curat. Un prototip a fost dezvoltat de Nokia si Universitatea din Cambridge, denumit telefonul Morph.

DISPOZITIVE DE STOCARE A INFORMAŢIEI

Există acum numeroase dispozitive miniaturizate care pot stoca şi transmite date. O denumire comună de etichetare şi de urmărire se numeşte Identificarea prin frecvenţe radio (RFID). Un RFID este un circuit integrat fără fir (CI), cu un circuit radio şi un cod de identificare încorporat în el. Aceste dispozitive au fost create pentru a satisface nevoia de a colecta şi de a transmite date folosind mai puţin spaţiu (cip-uri) şi tehnologia fără fir. Aplicarea acestor dispozitive acoperă cardurile de date cu caracter personal (e-brevete, e-sănătate, carduri de credit, etc), etichete pentru protecţia pachetului şi urmărire etc., Nanotehnologiile sunt folosite pentru a miniaturiza aceste etichete şi dezvoltarea de noi concepte cum ar fi: criptarea pastilelor pentru monitorizare şi asigurarea transportului şi siguranţa medicamentelor.

DETECTAREA REŢELELOR FĂRĂ FIR ŞI COMUNICAŢII

Una dintre viziunile în industria CI este conceptul de inteligenţă ambiantă: calculatoarele şi comunicaţiile vor fi întotdeauna disponibile şi gata de a servi utilizatorul într-un mod inteligent, în sensul care să satisfacă anumite cerinţe. Viziunea este că electronica va fi încorporată în mediul nostru naturale (haine, cărţi, usi, etc) şi este prezent ori de câte ori avem nevoie de el, activat prin acţiuni simple şi fără efort, acordat la simţurile noastre, adaptat la nevoile şi acţiunile utilizatorilor şi total autonom. Realizarea acestei viziuni va avea nevoie de miniaturizarea în continuare a senzorilor, integrarea electronicii în materiale "uşoare" cum ar fi moleculele organice sau chiar materialele textile. Sursa de alimentare este esenţială pentru toate electronicele încorporate, indiferent daca sunt purtate de utilizator (de exemplu, electronică în îmbrăcăminte, încălţăminte, etc), sau încorporate în obiectele din jurul utilizatorului. De exemplu, în cazul de electronicelor purtate de utilizator, în cazul în care este necesară o sursă de energie mică, aceasta poate fi căldura sau mişcarea corpului. Deşi domeniul este încă în fază incipientă, cercetarea este foarte intensă, iar unele sisteme au fost demonstrate în laboratoare sub formă de termogeneratoare sau sisteme miniaturizate de captură a energiei. Hainele cu senzori portabili de detectare ar putea fi folosite pentru a monitoriza parametrii fundamentali fiziologici, cum ar fi: ritmul cardiac, temperatura, ritmul respirator, etc, cu aplicaţii în monitorizarea şi prevenirea riscului cardiovascular. Unele modele comerciale deja există (mai multe în capitolul următor).