Nanoelektroonika

Põhimõisted

1965. aastal märkas Gordon Moore, et aja jooksul tehakse üha väiksemaid ränipõhiseid transistore ning nende suuruse kahanemine leiab aset kindlas tempos. Seda tähelepanekut hakati hiljem nimetama Moore'i seaduseks. Moore’i avastusest kuni aastani 2011 on transistori väikseim suurus kahanenud 10 mikromeetrist kuni 22 nanomeetrini. Nanoelektroonika lubab sellel seadusel jätkuda, kasutades uusi tehnoloogiaid ja materjale, et ehitada nanoskaalas suurusest sõltumatute omadustega transistore.
Kui mingi objekti mõõte vähendada × korda, siis selle objekti ruumala väheneb x³ korda, kuid objekti pindala vaid x² korda. Sellel põhimõttel on vältimatud ja tohutud tagajärjed. Näiteks ütleme, et trelli (või ükskõik mis muu masina) võimsus on võrdeline tema ruumalaga ning trelli hammasrataste ja laagrite hõõrdejõud võrdeline tema pindalaga. Normaalmõõdus trelli võimsus on piisav, saamaks vabalt üle hõõrdejõust. Aga kui vähendada trelli välismõõtmeid 1000 korda, väheneks trelli ruumala ehk võimsus 1000 × 1000 × 1000 korda, kuid trelli pindala ehk hõõrdejõud vaid 1000 × 1000 korda. Proportsionaalselt oleks sellel trellil 1000 korda vähem võimsust hõõrdejõu kohta kui oli algsel trellil. Kui algse trelli võimsuse-hõõrdejõu suhe on näiteks 1%, tähendab see seda, et väiksel trellil oleks 10 korda väiksem võimsus kui oleks tema hõõrdejõud. Trell oleks kasutu.
Sel põhjusel ei saa nanotehnoloogiat kasutada töötavate mehaaniliste seadmete juures, mille mõõtmeid on vähendatud sedavõrd palju, et seadme hõõrdejõud hakkab ületama seadme võimsust. Samas toimivad nanoskaalas elektroonilised integraallülitused täielikult. Niisiis, kuigi on olemas pildid ja joonised nanomõõdus peentest ränihammasratastest, on need tegelikult tehtud rohkem uudishimust ja lootusest kui reaalsest kasust, näiteks ehitada nanomõõdus reduktor. Hõõrdumisega suureneb ka pindpinevus, mistõttu tekib väikestel osakestel tendents kokku kleepuda. See teeb arvatavasti igasuguse "mikrotehase" ebapraktiliseks, sest kui isegi õnnestuks ehitada nanomõõdus robotkäsi, siis ükskõik mis asja see kätte võtab, kipub see käe külge kleepuma, mistõttu on suhteliselt võimatu seda maha panna. Eelnevat silmas pidades on molekulaarevolutsioon jõudnud vesilahuses töötavate nanoskaalas karvakeste, viburite, lihaskiudude ja pöörlevate mootoriteni. Need seadmed kasutavad ära mikro- ja nanoskaalas suurenenud hõõrdejõude. Erinevalt aerust või propellerist, mis sõltuvad normaalsest hõõrdejõust (hõõrdejõud on risti pinnaga), et saavutada tõukejõud, arendavad nanomõõtu karvakesed tõukejõudu liigsest takistusjõust või laminaarsest jõust (hõõrdejõud pinnaga paralleelne). Nende jõududega peab arvestama, kui ehitada töötavat nanoskaalal masinat. Oleme silmitsi faktiga, et nanoskaalal töötavad masinad ei saa olema tavaliste masinate mikroskoopilised koopiad, vaid peab välja töötama täiesti uue disaini ja tööpõhimõttega seadmeid. Seetõttu tuleb kõiki mõõtkava muutmise küsimusi hinnata põhjalikult nanoskaala iseärasustest lähtuvalt.

Nanoformeerimine

Siia alla kuuluvad näiteks ühe-elektroni transistorid, mis töötavad nagu tavalised transistorid, kuid teevad sisse-väljalülitusi vaid ühe elektroniga. Selle kategooria alla kuuluvad ka nanoelektromehaanilised süsteemid. Nanoformeerimist saab kasutada tootmaks paralleelseid nanojuhtmete massiive, see on alternatiiviks nende ühekaupa sünteesimisele.

Nanomaterjalide elektroonika

Peale selle, et nanotehnoloogia abiga saab mahutada rohkem transistore ühte kiipi, aitavad nanotorude sarnasus ja sümmeetrilisus suuremat elektronide mobiilsust (elektronid liiguvad materjalis kiiremini), transistori dielektrikul on väiksem juhtivus (saab kasutada suuremaid sagedusi) ja transistoridel on sümmeetriline elektroni/augu karakteristika. Samuti saab nanoosakesi kasutada kvantpunktidena.

Molekulaarelektroonika

Veel üks võimalus on molekulaarelektroonika. Molekulaarelektroonika seadmete ehitamise juures on suureks abiks molekulide isekorrastumine. Nii saab ehitada molekulaarelektroonika seadmete suuri struktuure või kasvõi korraga terveid süsteeme. See tehnoloogia võib olla väga kasulik ümberkonfigureeruvate arvutite juures ning tulevikus võib isegi tänase FPGA tehnoloogia välja vahetada.
Molekulaarelektroonika on uus tehnoloogia, mis on ikka veel lapsekingades, kuid annab lootust, et tulevikus hakkavad olema tõelised aatomskaalas elektroonikasüsteemid. Ühe lootustandvama kasutusala molekulaarelektroonikale pakkusid välja IBM-i arendajad Ari Aviram ja teoreetiline keemik Mark Ratner oma 1974. ja 1988. aasta töödes "Molekulid ja mälu" ning "Loogika ja võimendus".
See on üks paljudest võimalustest, kuidas molekulaartasandil sünteesida dioodi või transistori, kasutades selleks vaid orgaanilist keemiat. Pakuti välja süsteem, kus spiraalne süsinikstruktuur annab molekulaarmõõdus dioodile vaheks umbes pool nanomeetrit, mille saab ühendada molekulaarjuhtmega. Teoreetilised arvutused näitasid, et selline disain peaks põhimõtteliselt töötama, järelikult on veel lootust, et selliseid süsteeme saab tulevikus kasutama hakata.

Muud kasutusalad

Nanoioonika uurib nanoskaala süsteemides elektronide liikumise asemel ioonide liikumist.
Nanofotoonika uurib valguse käitumist nanoskaalal. Eesmärgiks on arendada ja välja töötada seadmed, mis kasutavad elektronide asemel footoneid.

Raadiod

Nanoraadioid on arendatud ja üles ehitatud süsiniknanotorudel.

Arvutid

Nanoelektroonikat kasutades on võimalik suurendada protsessorite jõudlust võrreldes pooljuhtelektroonika kasutamisega. Uuritakse mitmeid võimalusi, sealhulgas uut tüüpi nanolitograafiat ning ka nanomaterjalide kasutamist, nagu näiteks nanojuhtmed ja väikesed molekulid traditsiooniliste CMOS-komponentide asemel. Väljatransistorid on valmistatud nii pooljuht-nanotorusid kui ka heterostruktuurseid pooljuht-nanojuhtmeid kasutades.

Energiatootmine

Uuritakse nanojuhtmete ja muude nanomaterjalide kasutusvõimalusi, tootmaks odavamaid ja efektiivsemaid päikesepaneele kui tavalised tasapinnalised ränipäikesepaneelid. Usutakse, et efektiivsemate päikesepaneelide leiutamisega saab rahuldada suures osas tulevast globaalset energiavajadust.
Uuritakse ka energia tootmist seadmetele, mis töötavad in vivo. Neid energiatootmisseadmeid nimetatakse bio-nanogeneraatoriteks. Bio-nanogeneraator on nanoskaalal elektromehaaniline seade, nagu kütuseelement või galvaanielement, kuid toodab energiat organismi veresuhkrust, umbes samamoodi nagu keha toodab energiat toidust. Selleks, et efekti saavutada, kasutatakse ensüümi, mis suudab glükoosi lagundada kuni elektrontasandini, võimaldades neid kasutada elektroonikaseadmetes. Keskmise inimese keha peaks teoreetiliselt suutma genereerida 100 vatti elektrienergiat (umbes 2000 kalorit päevas), kasutades bio-nanogeneraatoreid. Kuid see oletus vastab tõele vaid juhul, kui kogu toit genereeritakse elektrienergiaks. Kuid inimkeha vajab samuti pidevalt energiat. Sellest lähtuvalt on võimalik energiatoodang palju väiksem. Nende generaatorite toodetav energia saaks toita kehasiseseid elektroonikaseadmeid, näiteks südamerütmurit. Bio-nanogeneraatori uuringud on veel paljuski teoreetilised. Selliste uuringute eesotsas on Panasonicu Nanotehnoloogia Uuringute Labor.

Meditsiinilised rakendused

On suur huvi nanoelektrooniliste seadmete vastu, mis suudaksid reaalajas mõõta biomolekulide kontsentratsiooni kehas meditsiiniliseks diagnoosiks. Sellised seadmed kuuluvad nanomeditsiini kategooriasse. Sellega paralleelselt uuritakse ka võimalusi ehitada nanoelektroonikaseadmeid, mis suudaksid suhelda üksikute rakkudega, et neid bioloogiliselt uurida. Selliseid seadmeid nimetatakse nanosensoriteks. Selline nanoelektroonika minimeerimine, kasutamaks neid in vivo, loob meile uusi võimalusi tervise seireks, järelevalveks ja kaitseks.