لیتوگرافی نوری یا به اختصار لیتوگرافی، فرآیندی شبیه عکاسی است. در این فرآیند، نور یا پرتوهای الکترومغناطیس دیگر نظیر پرتوری فرابنفش (UV) با عبور از یک الگو یا ماسک، به سطح ویفری برخورد می‌کند و بدین ترتیب الگویی را که بر روی ماسک طراحی شده به سطح ویفر منتقل می‌کند. لیتوگرافی نوری اولین قدم درانتقال اطلاعات مربوط به الگوی مدار بر روی ویفر است. به طور خلاصه، زنجیره‌ی مربوط به لیتوگرافی در هر لایه شامل یک ماسک و سه مرحله پردازش است که عبارت است از:
1. پوشاندن ویفر با فوتورزیست 2. تنظیم ماسک روی ویفر و تابش نور 3. زُدودن فوتورزیست ظاهر شده دو نوع فوتورزیست در فرآیند لیتوگرافی به کار می‌رود: فوتورزیست منفی که در نواحی که نور به آن تابیده می‌شود، سفت می‌شود. در حالی که فوتورزیست مثبت در نواحی که نور به آن نخورده، سفت می‌شود. در فرایند ساخت مدارهای مجتمع از هر دو نوع این فوتورزیست ها استفاده می شود.
مقدمه
در مقاله‌ی قبل آموختیم که فرآیند ساخت مدار مجتمع را می‌توان در چهار گام خلاصه کرد. گام اول را که عبارت است از پردازش ویفر برای تولید یک زیر بنای مناسب، در مقاله‌ی قبل به اختصار توضیح دادیم. درادامه، به گام دوم که لیتوگرافی نوری است می‌پردازیم. لیتوگرافی نوری1 یا به اختصار لیتوگرافی، فرآیندی شبیه عکاسی است. در این فرآیند، نور یا پرتوهای الکترومغناطیس دیگر نظیر پرتوری فرابنفش (UV) با عبور از یک الگو یا ماسک به سطح ویفری که درگام قبل تهیه شده، برخورد می‌کند، و بدین ترتیب الگویی را که بر روی ماسک طراحی شده به سطح ویفر منتقل می‌کند. در این مقاله با جزئیات فرآیند لیتوگرافی نوری بیشتر آشنا می‌شویم.
گام دوم: لیتوگرافی نوری
لیتوگرافی نوری اولین قدم درانتقال اطلاعات مربوط به الگوی مدار بر روی ویفر است. همان‌طور که در نمای بالایی در شکل (1) می‌بینید، ترانزیستور شامل چند ضلعی‌هایی است که نمایان‌گر لایه‌های مختلف هستند نظیر چاهn، نواحی سورس و درین، پلی‌زسیلیکون، اتصالات و لایه‌های فلزی.
شکل 1. نمای یک بالایی و کناری یک ترانزیستور NMOS و یک ترانزیستور PMOS
برای ساخت، ترانزیستورها را به این لایه‌های مختلف تجزیه می‌کنیم. برای مثال چینش شکل (1) را می‌توان به صورت 5 لایه‌ی مختلف که در شکل (2) نشان داده شده است در نظر گرفت. هر کدام از آنها باید با دقت بسیار بالا روی ویفر ایجاد شوند.
در شکل (2) منظور از ناحیه‌یn-، ناحیه‌ای است که ترانزیستور PMOS قرار است روی آن ساخته شود. همچنین، منظور از ناحیه‌ی فعال، نواحی سورس و درین و سوراخ‌های n+ وP+ هستند.
شکل 2. 5 لایه‌ی مختلف ترانزیستورهای شکل(1)
برای اینکه دریابیم چگونه یک لایه از چینش به ویفر منتقل می‌شود، الگوی چاه n در شکل 2- الف را به عنوان مثال در نظر بگیرید. این الگو ابتدا بر روی یک ماسک شیشه‌ای شفاف به وسیله‌ی یک پرتوی الکترونی که دقیقاً کنترل شده است، نوشته می‌شود. (شکل 3- الف را ببینید.)
همین‌طور مطابق شکل 3- ب، قبل از انتقال الگو از شیشه یه سطح ویفر، سطح ویفر نیز با یک لایه‌ی نازک از ماده‌ای به نام فوتورزیست پوشانده می‌شود. فوتورزیست2 ماده‌ای است که میزان حلالیت آن با تابش نور تغییر می‌کند (یعنی با تابش نور نرم یا سخت می‌شود). بعد از آن، ماسک بالای ویفر قرار می‌گیرد و الگو با تابش پرتوی فرابنفش روی ویفر منتقل می‌شود. (شکل 3- ج را ببینید) فوتورزیست در نواحی‌ای که تحت تابش پرتوی فرابنفش قرار گرفته سِفت شده در زیر مستطیل سیاه نرم باقی می‌ماند (یعنی ناحیه‌ی مستطیلی روی شیشه چون تحت تاثیر نور قرار نمی‌گیرد بر روی ویفر ایجاد می‌شود). سپس ویفر در یک زُداینده قرار می‌گیرد که نواحی نرم فوتورزیست را حل می‌کند و سطح سیلیکون را بدون پوشش می‌سازد. حال می‌توان یک چاه n- را در این ناحیه درست کرد (دقت کنید ما هنوز چاه n را درست نکرده‌ایم، بلکه جای آن را آماده کرده‌ایم. در مقالات بعدی نحوه‌ی درست کردن چاه n را بیان خواهیم کرد). به مجموعه‌ی این فرایندها، زنجیره‌ی لیتوگرافی نوری می‌گوییم.
شکل (3)
به طور خلاصه، زنجیره‌ی مربوط به لیتوگرافی در هر لایه شامل یک ماسک و سه مرحله پردازش است که عبارت است از:
1. پوشاندن ویفر با فوتورزیست
2. تنظیم ماسک روی ویفر و تابش نور
3. زُدودن فوتورزیست ظاهر شده
بنابراین، مثال شکل (2) حداقل به 5 ماسک و در نتیجه 15 زنجیره‌ی لیتوگرافی نیاز دارد. باید خاطر نشان کرد که دو نوع فوتورزیست در فرآیند لیتوگرافی به کار می‌رود: فوتورزیست منفی3 در نواحی که نور به آن تابیده می‌شود، سفت می‌شود. در حالی که فوتورزیست مثبت 4 در نواحی که نور به آن نخورده، سفت می‌شود. همان‌طور که بعدتر خواهیم دید، در فرآیند ساخت مدارهای مجتمع از هر دو نوع فوتورزیست استفاده می‌شود.
تعداد ماسک‌های یک فرآیند تاثیر چشم‌گیری بر هزینه‌ی کلی ساخت دارد، که در نهایت بر قیمت تراشه هم تاثیر می‌گذارد. دو دلیل بر این امر وجود دارد: هر ماسک چند هزار دلار قیمت دارد و به دلیل دقت لازم، لیتوگرافی فرآیند کُند و گرانی است. در حقیقت فناوری CMOS به دلیل تعداد نسبتا پایین ماسک‌ها، در حدود 7، در ابتدا مورد توجه واقع شد. اگر چه در فرآیندهای جدید CMOS این تعداد به 25 می‌رسد و کل هزینه‌ی ماسک‌ها بالاتر از 200 هزار دلار است، قیمت هر IC باز هم پایین است. زیرا هم تعداد ترانزیستورها بر واحد سطح و هم اندازهی ویفر به طور پیوسته افزایش یافته است.
فرآیند لیتوگرافی نوری مشابه فرآیندی است که در عکاسی بر روی فیلم عکاسی اتفاق می‌افتد. برای آن که با لیتوگرافی نوری بیشتر آشنا شوید، آزمایش ساده‌ی زیر را انجام دهید.
یک آزمایش ساده
مواد و وسایل مورد نیاز
یک کاغذ سفید A4 یا یک قطعه پارچه‌ی سفید تقریبا در همین ابعاد، یک بخاری روشن، مقداری فویل آلومینیومی، یک عدد قیچی.
شرح آزمایش
ابتدا شعله‌ی بخاری را کم کنید، سپس کاغذ سفید یا پارچه‌ی سفید را بر روی بخاری قرار دهید. به گونه‌ای که شیارهای روی بخاری را بپوشاند. مراقب باشید که کاغذ یا پارچه آتش نگیرد. پس از حدود یک دقیقه کاغذ را بردارید و با دقت نگاه کنید. مشاهده می‌شود که تصویر شیارهای بخاری بر روی کاغذ منتقل شده است. اگر بخواهید، می‌توانید تصاویر دلخواه خود را با استفاده از قیچی بر روی فویل آلومینیومی ببرید. سپس این تصاویر را با همین روش بر روی صفحه‌ی کاغذی منتقل کنید.
پرسش‌های آزمایش
1. مراحل این آزمایش را با روش لیتوگرافی نوری مقایسه کنید.
2. یک آزمایش ساده‌ی دیگر طراحی کنید که روش لیتوگرافی نوری را تشریح کند. این آزمایش را انجام دهید.
پس از انجام مرحله‌ی لیتوگرافی، قرص سیلیسیومی آماده‌ی انجام گام‌های بعدی است. گام‌های اکسیداسیون، کاشت یونی، لایه‌نشانی و زُدایش مواد زائد را در مقاله‌ی بعدی دنبال کنید.
اکسیداسیون یکی از مراحل ساخت مدارهای مجتمع است که این امکان را به ما می دهد تا بتوانیم روی پایه ی سیلیسیوم، گیت را بنا کنیم. در بسیاری از مراحل ساخت مدار مجتمع، باید آلاینده‌ها به طور انتخابی وارد ویفر شوند. رایج‌ترین روش افزودن آلاینده روش «کاشت یونی» است که به وسیله‌ی آن اتم‌های آلاینده به صورت یک پرتوی متمرکزِ پر انرژی شتاب داده می‌شود و به سطح ویفر برخورد کرده و در نواحی بدون پوشش نفوذ می‌کند. ساخت مدار مجتمع نیاز به نشاندن مواد مختلفی نظیر پلی‌سیلیکون دارد. یک روش رایج برای تشکیل پلی‌سیلیکون روی لایه‌های ضخیم عایق، روش لایه‌نشانی با بخار شیمیایی (CVD) است. زدایش مواد نیز یک گام حیاتی است. بسته به سرعت، دقت و قابلیت انتخاب لازم در مرحله‌ی زدایش و نوع ماده‌ای که باید زدوده شود، یکی از این روش‌ها را می‌توان به کار برد:
1. زدایشِ تر: یعنی ویفر در یک مایع شیمیایی قرار می‌گیرد. (دقت کمی دارد) 2. زدایش با پلاسما: که در آن ویفر با گاز پلاسما بمباران می‌شود. (دقت بالایی دارد) 3. زدایش با یون واکنش دهنده: که در آن یون‌های تولید شده در گاز، ویفر را بمباران می‌کنند. یکی از این فرآیندهای نهایی ساخت مدار مجتمع، ایجاد اتصال روی پلی‌سیلیکون و نواحی فعال (منظور سورس، درین و نواحی n+ و P+ است) می‌باشد. آخرین مرحله در ساخت، پوشاندن ویفر با یک لایه‌ی شیشه یا غیر فعال است که سطح را از خطرات ناشی از حمل و نقل مکانیکی و برش مصون می‌دارد.
مقدمه
در دو مقاله‌ی قبل راجع به فرآیند ساخت مدار مجتمع با استفاده از فناوری CMOS سخن گفتیم. همان طور که بیان کردیم، در گام اول به آماده‌سازی و پردازش ویفر می‌پردازیم و سپس در گام دوم، ویفر سیلیسیومی را با استفاده از فرآیندی به نام لیتوگرافی نوری به محدوده‌های موردنظر برای ساخت مدار مجتمع تقسیم می‌کنیم. در واقع، لیتوگرافی روشی است که ما با استفاده از آن لایه‌های مختلف یک مدار مجتمع را می‌سازیم. پس از لیتوگرافی مراحل اکسیداسیون، کاشت یونی، لایه‌نشانی و زُدایش نیز برای ساخت مدار مجتمع انجام می‌شود.
اکسیداسیون
ویژگی منحصر به فرد سیلیکون آن است که به ما امکان می‌دهد تا یک لایه‌ی بسیار یکنواخت اکسید روی سطح آن ایجاد کنیم تا بتوان لایه‌های اکسید گیت را با ضخامت چند ده انگستروم (فقط چند لایه‌ی اتمی) با آن ساخت. این ویژگی سیلیکون به علت آن است که اکسید سیلیکون هنگامی که ساخته می‌شود دارای نقص بلوری کمی است. دی‌اکسیدسیلیکون علاوه بر آن که به صورت عایق گیت به کار می‌رود، می‌تواند به صورت پوشش محافظ در بسیاری از مراحل ساخت عمل کند. همچنین در قسمت‌های بین ترانزیستورها یک لایه‌ی ضخیم SiO2 که اکسیداسیون (FOX) نامیده می‌شود، رشد می‌دهند تا سیم‌های فلزی اتصال که در گام‌های بعدی ایجاد می‌کنند، روی آن ساخته شود.
دی‌اکسیدسیلیکون با قرار دادن سیلیکون بدون پوشش در یک محیط اکسید کننده مثل اکسیژن با دمایی در حدود 1000 درجه سانتی‌گراد رشد داده می‌شود. در واقع؛ قسمت‌هایی را که می‌خواهند از دی‌اکسیدسیلیکون پوشش دهند با استفاده از فرآیند لیتوگرافی، مشخص می‌کنند و سپس IC را در محیط اکسید کننده قرار می‌دهند. بدین ترتیب فقط قسمت‌هایی که با استفاده از لیتوگرافی فاقد پوشش هستند، اکسید می‌شوند.
کاشت یونی
در بسیاری از مراحل ساخت، باید آلاینده‌ها (همان ناخالصی‌هایی که به دلیل تغییر خواص نیمه‌رسانا به آن اضافه می‌کنیم) به طور انتخابی وارد ویفر شوند. برای مثال، بعد از تکمیل زنجیره لیتوگرافی در شکل (1)، چاه n با افزودن آلاینده به ناحیه‌ی بدون پوشش تشکیل می‌شود. به طور مشابه نواحی سورس و درین ترانزیستورها نیز نیاز به افزودن انتخابی آلاینده به ویفر دارند.
شکل (1)
رایج‌ترین روش افزودن آلاینده روش «کاشت یونی» است که به وسیله‌ی آن اتم‌های آلاینده به صورت یک پرتوی متمرکزِ پر انرژی شتاب داده می‌شود و به سطح ویفر برخورد کرده و در نواحی بدون پوشش نفوذ می‌کند. (شکل 2 را ببینید) میزان آلایش با شدت و طول عملیات کاشت معین می‌شود و عمق ناحیه‌ی آلاییده با انرژی پرتو تنظیم می‌شود
کاشت یونی باعث تخریب قابل ملاحظه‌ی شبکه‌بلوری سیلیکون می‌شود. به همین دلیل، ویفر بعد از این فرآیند باید به مدت 15 تا 30 دقیقه تا دمای تقریبی 1000 درجه سانتی‌گراد گرم شود تا اجازه دهد که پیوندهای شبکه دوباره شکل بگیرند. این عملیات، تابکاری نامیده می‌شود.
تابکاری ویفر یک بار و آن هم بعد از آن که همه‌ی نواحی کاشته شدند انجام می‌شود. یک پدیده‌ی جالب در کاشت یونی، کانال زدن است. همان طور که در شکل 3- الف نشان داده شده است، اگر جهت پرتوی کاشت با محور کریستال در یک جهت باشد، یون‌ها تا عمق بسیار زیادی در داخل ویفر نفوذ می‌کنند. برای همین منظور دستگاه تابنده‌ی پرتو (یا ویفر) را به اندازهی 7 تا 9 درجه کج می‌کنند. (شکل 3- ب را ببینید.)
شکل(3)
لایه نشانی و زُدایش
همان طور که از ساختار ترانزیستورها و مدار مجتمع نتیجه می‌شود، ساخت مدار مجتمع نیاز به نشاندن مواد مختلفی نظیر پلی‌سیلیکون دارد. یک روش رایج برای تشکیل پلی‌سیلیکون روی لایه‌های ضخیم عایق، روش لایه‌نشانی با بخار شیمیایی (CVD) است، که در آن ویفرها در یک کوره شامل گازی که مواد مطلوب را از طریق واکنش شیمیایی ایجاد می‌کند، قرار می‌گیرند. در فرآیندهای جدید، CVD در فشار پایین انجام می‌شود تا یکنواختی بیش‌تری به دست آید.
زدایش مواد نیز یک گام حیاتی است. برای مثال پنجره‌های اتصال با ابعاد خیلی کوچک مثل 3/0 میکرومتر در 3/0 میکرومتر و عمق نسبتا زیاد مثل 2 میکرومتر باید با دقت بالایی زدوده شود. بسته به سرعت، دقت و قابلیت انتخاب لازم در مرحله‌ی زدایش و نوع ماده‌ای که باید زدوده شود، یکی از این روش‌ها را می‌توان به کار برد:
1. زدایشِ تر: یعنی ویفر در یک مایع شیمیایی قرار می‌گیرد. (دقت کمی دارد)
2. زدایش با پلاسما: که در آن ویفر با گاز پلاسما بمباران می‌شود. (دقت بالایی دارد)
3. زدایش با یون واکنش دهنده: که در آن یون‌های تولید شده در گاز، ویفر را بمباران می‌کنند.
فرآیندهای انتهایی همین که ترانزیستورهای پایه ساخته شدند، ویفرها باید بعد از آن یک فرآیند انتهایی بگذرانند. زنجیره‌ای که عمدتا ارتباطات الکتریکی مختلف روی تراشه را از طریق سیم و اتصال فلزی برقرار می‌کند.
یکی از این فرآیندهای نهایی، ایجاد اتصال روی پلی‌سیلیکون و نواحی فعال (منظور سورس، درین و نواحی n+ و P+ است) می‌باشد. این کار ابتدا با پوشاندن ویفر با یک لایه‌ی نسبتا ضخیم (3/0 تا 5/0 میکرومتر) از اکسید و پس از آن اجرای زنجیره‌ی لیتوگرافی انجام می‌شود. سپس سوراخ‌های اتصال با زدایش پلاسما به وجود می‌آیند. (شکل 4-الف را ببینید) بعد از ایجاد پنجره‌های اتصال، اولین لایه از ارتباط فلزی که فلز 1 نامیده می‌شود روی کل ویفر نشانده می‌شود. لایه‌ی فلزی از جنس آلومینیوم یا مس است. یک رشته عملیات لیتوگرافی بعد از آن انجام می‌شود و لایه‌ی فلزی به طور انتخابی زدوده می‌شود. از آن جایی که تعداد ترانزیستورها در فناوری‌های جدید بسیار زیادتر شده، برای اتصالات میانی مدارات مجتمع بیش از یک لایه‌ی فلز لازم است. در واقع پیچیدگی اتصالات این قدر زیاد است که با یک لایه نمی‌توان اتصالات را انجام داد. در حال حاضر اتصالات میانی فلزی در هفت لایه انجام می‌شود. سطوح بالاتر اتصال فلزی نیز با استفاده از همین روند ساخته می‌شوند. برای هر لایه‌ی اضافی فلزی، دو ماسک لازم است. یکی برای سوراخ‌های اتصال و دیگری برای خود اتصالات فلزی.
آخرین مرحله در فرآیند انتهایی، پوشاندن ویفر با یک لایه‌ی شیشه یا غیر فعال است که سطح را از خطرات ناشی از حمل و نقل مکانیکی و برش مصون می‌دارد. بعد از یک رشته عملیات لیتوگرافی، شیشه فقط از قسمت‌هایی که روی پایه‌ی اتصال قرار دارد، باز شده و امکان اتصال با دنیای بیرون را فراهم می‌کند.
در مقاله‌ی بعدی راجع به چالش‌های فرآیند ساخت مدار مجتمع در مقیاس نانو سخن می‌گوییم. همچنین خلاقیت‌ها و ابتکاراتی که به منظور حل این چالش‌ها انجام شده را بیان می‌کنیم.
برای دریافت فایل پاورپوینت مراحل ساخت CMSO، اینجا (حجم kb 400 ) را کلیک کنید.
مور بیان می کند که ابعاد ترانزیستورها هر دو سال یکبار تقریبا نصف می شود. حال اینکه چرا هر دو سال یکبار ابعاد نصف می شود بدلیل چالش هایی است که با ورود به ابعاد کوچک با آنها مواجه می شویم. یکی از این چالش ها تغییر رفتار نور در ابعاد کوچک است چون شگرد اصلی ساخت مدار، لیتوگرافی نوری است. خاصیت موجی نور یکی دیگر از مسائلی است که در ابعاد کوچک مشکل ساز می شود .هنگام لیتوگرافی نوری در ابعاد کوچک باید از ماسک های کوچک استفاده کرد و موقع تاباندن نور به روزنه های ماسک، خاصیت موجی نور خود را نشان داده و مانع درست شدن نواحی در ویفرهای سیلیکونی می شود. یک راه برای رفع این مشکل استفاده از پرتوی فرابنفش به جای نور مرئی است، البته این روش هم معایب خود را دارد . یک روش لیتوگرافی نوری در محیط مایع است که این روش تا حدودی مشکل ما را حل کرده است. همچنین می توان از پرتوهای الکترونی به جای نور مرئی استفاده کرد.
مقدمه
در 30 سال گذشته، مدارهای مجتمع از ساختارهای کم‌سرعت با پیچیدگی کم، به سیستم‌های پرسرعت و پیچیده که شامل تعداد بی‌شماری مدار الکترونیکی می‌باشد، توسعه یافته است. همان‌طور که در مقالات قبلی متوجه شدیم با کاهش ابعاد ترانزیستورها در مدارهای الکترونیکی و افزایش تعداد آنها در یکای سطح، سرعت مدارهای الکترونیکی به صورت قابل‌توجهی افزایش می‌یابد و به دنبال آن گستره‌ی بازدهی و سودمندی آنها تحول چشم‌گیری می‌یابد. همچنین، توانایی ذخیره‌ی اطلاعات درون حافظه‌ها در حجم معین نیز زیاد می‌شود.
در این میان «گوردون مور» موفق به کشف یک قانون تجربی شد که در صنعت الکترونیک بسیار مورد توجه قرار گرفت. او بیان کرد که تقریبا در هر دو سال، ابعاد ترازیستورها در مدارهای الکترونیکی نصف می‌شود و یا به بیان دیگر در هر دو سال تعداد ترانزیستورهای موجود در یکای سطح یک مدار الکترونیکی دو برابر می‌شود.
اکنون این پرسش مطرح می‌شود که با وجود مزایای بسیار فناوری در ابعاد کوچک‌تر، چرا انتقال فناوری به نسل‌های کوچک‌تر هر دو سال اتفاق می‌افتد؟ یعنی چرا از همان ابتدا سراغ فناوری‌های کوچک مقیاس نرفتیم؟ ما در این مقاله به همین موضوع می‌پردازیم. در واقع؛ می‌خواهیم بگوییم که ورود به فناوری کوچک مقیاس یا همان فناوری نانو چالش‌ها و مسائلی را پیش رو دارد که اکنون بخشی از این چالش‌ها حل شده، اما چالش‌ها و مسائل بسیاری هم‌چنان حل نشده باقی مانده و محدودیت‌های بی‌شماری فرا روی دانشمندان و شرکت‌های عظیم فعال در حوزه‌ی صنایع الکترونیک قرار دارد. ورود به دنیای نانو الکترونیک اگر چه مزایا و محاسن بسیاری دارد اما مستلزم مقابله با محدودیت‌های بسیاری نیز می‌باشد.
چالش اصلی
همان‌طور که در مقالات ساخت مدار مجتمع (مقالات هشتم تا دهم نانوالکترونیک) ملاحظه شد، شگرد اصلی در ساخت مدارهای الکترونیکی استفاده از روش لیتوگرافی نوری است. در واقع علت رشد سریع صنعت الکترونیک نیز همین شیوه‌ی ساده، اما بسیار پرکاربرد بود که امکان ساخت تعداد بی‌شماری ترانزیستور را در مدت زمان کم، ممکن می‌سازد.
برای کوچک‌تر کردن ابعاد ترانزیستورها لازم بود ماسک‌هایی با ابعاد کوچک‌تر تهیه شود تا با تابانیدن پرتوهای نور بر این ماسک‌ها، قسمت‌های گوناگون مدارهای الکترونیکی بر روی ویفر سیلیکونی ساخته شود. ساخت ماسک‌های کوچک‌تر با استفاده از پرتوهای الکترونی اگر چه بسیار گران و پرهزینه بود اما امکان‌پذیر می‌نمود؛ لیکن چالش اصلی رفتار پرتوهای نور در ابعاد کوچک بود. در واقع پرتوهای نور در ابعاد کوچک، رفتار دیگری در مقایسه با ابعاد بزرگ از خود نشان می‌دادند و این مسئله کار ساختن مدارهای نانو مقیاس را دشوار می‌کرد.
رفتار موجی نور
همان‌طور که می‌دانید امروزه دانشمندان معتقدند ماهیت نور از نوع امواج الکترومغناطیس است که دارای طیف وسیعی است که از پرتوهای رادیویی با سطح انرژی کم و طول موج زیاد شروع می‌شود و به پرتوهای گاما با سطح انرژی زیاد و طول موج کم می‌انجامد. نور مرئی بخش کوچکی از طیف امواج الکترومغناطیس را در بر می‌گیرد. در تصویر(1) طیف امواج الکترومغناطیس را مشاهده می‌کنید.
تصویر (1)- طیف امواج الکترومغناطیس که نور مرئی بخش کوچکی از آن است.
اما قبل از این که رفتار موجی نور از سوی دانشمندان پذیرفته شود، نظریه‌ی ذره‌ای بودن نور مورد توجه و پذیرش دانشمندان بود. در قرن هفدهم میلادی، نیوتن نور را متشکل از ذرات ریزی می‌دانست که از منبع نور جدا می‌شوند. یعنی او برای نور خاصیت ذره‌ای قائل بود. اگر چه در همان زمان افرادی هم بودند که نور را موجی تصور می‌کردند، اما نظریه‌ی نیوتن نظریه‌ی غالب بود. تا این که در اوایل قرن نوزدهم یانگ و فرنل هر کدام با انجام آزمایش‌هایی، موجی بودن نور را ثابت کردند.
یانگ مقابل یک منبع نورانی، روزنه‌ای (S) قرار داد که مانند یک چشمه‌ی نور عمل می‌کند. در مقابل این روزنه صفحه‌ای گذاشت که روی آن دو روزنه‌ی S1 و S2 به فاصله‌ی کمی از هم قرار گرفته بودند. فاصله‌ی روزنه‌های S1 و S2 از روزنه‌ی S یکسان بود، یعنی روزنه‌ی S روی محور تقارن دو روزنه‌ی S1 و S2 قرار میگرفت. در مقابل این دو روزنه هم پرده‌ای برای تشکیل تصویر جای داده شد. تصویری که روی پرده تشکیل شد مشابه تصویر (2) بود.
تصویر (2)- آزمایش یانگ برای اثبات رفتار موجی نور
آن چه در تصویر (2) مشاهده می‌شود، تشکیل نوارهای روشن و تیره بر روی پرده است که تنها با پذیرفتن رفتار موجی نور قابل توضیح است. چرا که وجود نوارهای روشن و تیره بر روی پرده را به هیچ طریق نمی‌توان با رفتار ذره‌ای نور توضیح داد. اگر رفتار نور ذره‌ای می‌بود، باید شدت نور در فضای روبروی دو روزنه‌ی S1 و S2 بیشینه بود و با دور شدن از آن، شدت نور کاهش می‌یافت (و نه به صورت نوارهای روشن و تیره)
اکنون دانشمندان معتقدند نور در مواردی رفتار ذره‌ای و در مواردی رفتار موجی دارد. یکی از مواردی که نور رفتار موجی نشان می‌دهد، هنگام عبور از دو روزنه‌ی بسیار کوچک که در مجاورت یکدیگر قرار دارند، است.
نانو لیتوگرافی نوری
همان‌طور که بیان کردیم، برای ساخت ترانزیستورهای کوچک‌تر باید از ماسک‌های کوچک‌تر هم استفاده شود. اما مشکل اصلی این بود که هنگامی که پرتوهای نور از روزنه‌های این ماسک‌ها عبور می‌کردند تا به ویفر سیلیکونی برخورد کنند و ناحیه‌ی مورد نظر ترانزیستور را بسازند، رفتار موجی نور به شدت ظاهر می‌شد و مانع تشکیل درست نواحی مورد نظر بر روی ویفر می‌شد.
برای کم کردن اثر رفتار موجی نور، شگردهای گوناگونی در صنایع الکترونیک استفاده می‌شود. یک راه استفاده از پرتوهای فرابنفش با طول موج کم‌تر از نور مرئی است (طول موج نور مرئی بین 400 تا 700 نانومتر است و برای ساخت ترانزیستورهای با ابعاد نانومتری به شدت رفتار موجی نشان می‌دهد). البته پرتوهای فرابنفش به دلیل سطح انرژی بالا، هم به سرعت ماسک را از بین می‌برد، و هم نمی‌توان ویفر سیلیکونی را مدت زیادی در معرض تابش آن قرار داد. راه دیگر برای کاهش اثر رفتاری موجی نور، انجام لیتوگرافی نوری در محیط مایع است. این تکنیک نیز تا حدودی رفتار موجی نور را کم اثرتر می‌کند. البته می‌توان به جای استفاده از پرتوهای نور از پرتوهای الکترونی هم استفاده کرد، اما این کار هم بسیار گران است و هم کُندتر از لیتوگرافی نوری است و استفاده از آن در مقیاس صنعتی مقرون به صرفه نیست.
اکنون دانشمندان و مهندسین الکترونیک به دنبال کشف تکنیک‌ها و شگردهایی هستند که با استفاده از آن، بتوانند رفتار موجی نور را در ابعاد کوچک کاهش دهند. بدین ترتیب می‌توانیم منتظر ساخت ترانزیستورهایی در ابعاد کوچک‌تر و در مقیاس صنعتی با استفاده از فناوری نانو باشیم.
یکی از چالش های پیش رو در بحث کوچک کردن ابعاد ترانزیستور ها ، تغییر رفتار اتم ها در ابعاد کوچک است که این چالش ها را چالش های کوانتومی می گوییم. کم شدن تعداد اتم‌های سیلیسیوم در ترانزیستور موجب می‌شود که مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل شود. یکی دیگر از چالش های پیش رو، افزایش چگالی جریان الکتریکی است که باعث وقوع دو اتفاق منفی در ترانزیستور ها می گردد: مسئله ی تونل زنی اتم ها و قطبیده شدن نواحی عایق ترانزیستور در نتیجه تخلیه ی الکتریکی در این قطعه.
مقدمه
دنارد و همکارانش در مقاله‌ای که در سال 1974 میلادی منتشر کردند به پتانسیل بالای ترانزیستورهای MOS در کوچک شدن پی بردند. آن ها پیش‌بینی کردند که با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها، سرعت آن ها افزایش و تلفات توان یا همان انرژی مصرفی آن ها کاهش می‌یابد. همچنین اکنون می‌دانیم که کاهش ابعاد ترانزیستورها، موجب افزایش ظرفیت حافظه‌ها در همان ابعاد قبلی نیز می‌شود. (البته در سال 1974 هنوز کسی به ابعاد زیر 100 نانومتر یعنی محدوده‌ی مربوط به فناوری نانو فکر نمی‌کرد. ابعاد ترانزیستور در آن سال‌ها بیش از 0/4 میکرون یعنی 400 نانومتر بود.)
ملاحظه می‌کنیم که با وجود مزایایی که در کوچک کردن ابعاد ترانزیستورها در مدارهای مجتمع متصور بود، اما این امر به سادگی میسر نبود و با محدودیت‌های گسترده‌ای روبرو بود. بخشی از این محدودیت‌ها به فناوری ساخت مدارهای مجتمع مربوط می‌شود که درباره‌ی آن در مقاله‌ی یازدهم نانوالکترونیک اشاراتی کردیم. همان طور که در آن مقاله گفتیم رفتار موجی نور در ابعاد کوچک، محدودیت‌هایی را در ساخت ترانزیستورها به روش لیتوگرافی نوری ایجاد می‌کند. اما بخشی از محدودیت‌های ورود به ابعاد کوچک و مخصوصا ابعاد زیر 100 نانومتر، به اتفاقات پیش‌بینی شده و پیش‌بینی نشده‌ای باز می‌گشت که ناشی از رفتار اتم‌ها در ابعاد کوچک است. ما این محدودیت‌ها را چالش‌های کوانتومی می‌نامیم و در این مقاله بیشتر راجع به این چالش‌ها صحبت می‌کنیم.
رفتار اتم‌ها در ابعاد کوچک
مطالعه راجع به چگونگی ساختار اتم پیشینه‌ی طولانی دارد. اما می‌توان گفت تامسون اولین فردی بود که یک نظریه‌ی علمی راجع به ساختار اتم مطرح کرد. پس از او افراد دیگری با رفع اشکالات و تکمیل نواقص نظریه‌ی او دانش ما را راجع به ساختار اتم گسترده‌تر کردند. بور و رادرفورد دو نفر از این افراد هستند که با انجام آزمایش‌هایی نظریات قبلی را تکمیل کردند. اما هر کدام از این نظریات نیز با چالش‌هایی روبرو بودند و در توجیه برخی پدیده‌ها با محدودیت‌هایی روبرو بودند. با ورود نظریات گوناگون به حوزه‌ی ساختار اتم، نظریات قبلی بسیار متحول و دگرگون شد به گونه‌ای که اکنون نظریه‌ی کوانتومی راجع به ساختار اتم از مقبولیت بیش‌تری برخوردار است.
طبق نظریه‌ی کوانتومی، شعاع اتم محدوده‌ای اطراف آن است که احتمال حضور الکترون در آن بسیار زیاد (تقریبا 100 درصد) است. همان طور که ملاحظه می‌کنید، می‌گوییم احتمال حضور الکترون! این عدم اطمینان مطابق اصل عدم قطعیت که از اصول مورد پذیرش نظریه‌ی کوانتوم است، می‌باشد.
تصویر 1- نمایی از یک تفسیر کوانتومی از اتم هیدوروژن
ظهور آثار کوانتومی
با کوچک شدن ابعاد ترانزیستور و ورود به محدوده‌ی زیر 100 نانومتر، رفتار تک تک اتم‌ها به تدریج قابل توجه و مهم می‌شود. با توجه به ابعاد اتم سیلیسیوم که حدود 46/1 آنگستروم (146/0 نانومتر ) است و با در نظر گرفتن فاصله‌ی پیوندهای بین اتمی به این نتیجه می‌رسیم که هنگامی که در ابعاد زیر 100 نانومتر قرار داریم، تنها با چند ده اتم سیلیسیوم سر و کار داریم.
کم شدن تعداد اتم‌های سیلیسیوم در ترانزیستور موجب می‌شود که مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل شود. چرا که اندکی نقص بلوری چه ناشی از اتم‌های سیلیسیوم و چه ناشی از اتم‌های ناخالصی که به سیلیسیوم افزوده شده، موجب تغییرات بسیار در رفتار الکتریکی ترانزیستور خواهد شد و ترانزیستور را از کاربری مورد نظر خارج می‌کند. (برای آشنایی با مفهوم نقص بلوری می‌توانید به بخش "مقالات مرتبط" این مقاله مراجعه کنید.)
با کوچک کردن تمامی ابعاد افقی و عمودی ترانزیستور، چگالی بار الکتریکی در نواحی گوناگون ترانزیستور افزایش می‌یابد یا به بیان دیگر تعداد بار الکتریکی در یکای سطح ترانزیستور زیاد می‌شود. این اتفاق دو پیامد منفی دارد: اولا با افزایش چگالی بار الکتریکی امکان تخلیه‌ی بار الکتریکی از نواحی عایق ترانزیستور افزایش می‌یابد و این اتفاق موجب آسیب رسیدن به ترانزیستور و خرابی آن می‌شود. (این اتفاق مشابه تخلیه‌ی بار الکتریکی اضافی بین ابر و زمین در پدیده‌ی آذرخش یا صاعقه است که موجب یونیزه شدن مولکول‌های هوا به یون‌های منفی و مثبت می‌شود.)
تصویر2- تخلیه بار الکتریکی بین ابر و زمین
ثانیا با افزایش چگالی بار الکتریکی، ممکن است الکترون‌ها تحت تاثیر نیروهای رانشی یا ربایشی که هم اکنون مقدار آن افزایش یافته، از محدوده‌ی شعاع یک اتم خارج شوند و به محدوده‌ی شعاع اتم مجاور وارد شوند. این اتفاق را در فیزیک کوانتوم، تونل زدن می‌گویند. تونل زدن الکترون از یک اتم به اتم مجاور، پدیده‌ای است که در ابعاد کوچک بین الکترون‌ها بسیار اتفاق می‌افتد. این پدیده اساس کار بعضی قطعات الکترونیکی و بعضی نانوسکوپ‌ها هم هست.
تصویر3- نوک "میکروسکوپ تونل‌زنی روبشی" بر اساس پدیده‌ی تونل زدن الکترون‌ها کار می‌کند
اما در ترانزستور این پدیده، پدیده‌ی مفیدی نیست، چرا که تونل زدن الکترون از یک اتم به اتم مجاور ممکن است هم‌چنان ادامه یابد و یک جریان الکتریکی را موجب شود. این جریان الکتریکی اگر چه ممکن است بسیار کوچک باشد اما چون ناخواسته و پیش‌بینی نشده می‌باشد، همچون یک مسیر نشتی برای جریان الکتریکی رفتار می‌کند و موجب تغییر رفتار الکتریکی ترانزیستور می‌شود.
نتیجه
کوچک کردن ترانزیستورها و ورود به ابعاد زیر 100 نانومتر (محدوده‌ی عملکرد فناوری نانو) اگر چه مزایای بسیاری دارد اما با چالش‌های گوناگونی روبرو است. ما در مقاله‌ی یازدهم نانو الکترونیک به برخی چالش‌های مربوط به فناوری ساخت مدارات الکترونیکی در این ابعاد اشاره کردیم و در این مقاله نیز برخی چالش‌های فرا روی دانشمندان و مهندسین الکترونیک را در این امر بیان کردیم. علاوه بر چالش‌های بیان شده، مسائل و دشواری‌های دیگری نیز وجود دارد که درک آن ها مستلزم کنکاش عمیق‌تر این دانش است. این دشواری‌ها و چالش‌ها موضوع پژوهش‌های بسیاری است که دانشمندان و غول‌های صنعت الکترونیک در پی حل آن ها هستند.
نانو لوله‌های کربنی، پاسخی برای چالش‌های نانو الکترونیک؟!
نانو لوله‌های کربنی، پاسخی برای چالش‌های نانو الکترونیک؟!
مقدمه رشد سریع فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و ورود به مرز فناوری نانو (ابعاد زیر 100 نانو متر)، همراه با مزایا و شگفتی‌های دور از انتظاری که برای این فناوری به دنبال داشته، چالش‌ها و پرسش‌های فراوانی را نیز فرا روی متخصصین الکترونیک و پژوهشگران فناوری نانو قرار داد. برخی از این چالش‌ها مربوط به فرآیند و فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی است و بخشی نیز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است که پایه و اساس مدارهای الکترونیکی می‌باشد. محدودیت‌های فناوری و چالش‌های کوانتومی مهم‌ترین چالش‌های نانو الکترونیک است.
افزایش این مسائل پژوهشگران را به فکر جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی انداخت. در واقع آنان به این موضوع می‌اندیشیدند که آیا به جای استفاده از ترانزیستورها و ابزارهای سیلیکونی (یعنی از جنس سیلیسیوم) که با چنین محدودیت‌هایی روبرو است، می‌توان از مواد دیگری استفاده کرد. کشف نانو لوله‌های کربنی Carbon Nano Tube) یا (CNT در سال 1991 توسط ایجمیا رؤیای آنان را به واقعیت نزدیک کرد. نانو لوله‌های کربنی با خواص خاص و چشم‌گیر الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارد، هم از دیدگاه بنیادی و هم از دیدگاه کاربردی به سرعت کانون توجه پژوهشگران حوزه‌های گوناگون دانش قرار گرفت. پژوهشگران نانو الکترونیک نیز از این کشف جدید غافل نشدند و به بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی پرداختند. ما در این مقاله بخشی از نتایج این پژوهش‌ها را به اختصار بیان می‌کنیم. تحلیل و بررسی تفصیلی این پژوهش‌ها مستلزم دانش بیشتر در زمینه‌ی فیزیک الکترونیک و کوانتوم و ریاضیات است که خارج از موضوع نوشتار ما است.
چالش‌های نانو ترانزیستورها همان طور که در مقاله‌ی قبل بیان کردیم با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورهای سیلیکونی، مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل می‌شود. همچنین با افزایش چگالی بار الکتریکی، ظهور پدیده‌های کوانتومی همچون تخلیه‌ی بار الکتریکی و تونل‌زنی الکترونی و در نتیجه ایجاد جریان‌‌های مخرب و نشتی نیز مشکلاتی را می‌آفریند. علاوه بر این با افزایش چگالی جریان الکتریکی، دمای ترانزیستورها به شدت افزایش می‌یابد و در ابعاد بسیار کوچک (ابعاد نانو متری) ممکن است دمای این نانو ترانزیستورها به چندین هزار درجه‌ی سلسیوس هم برسد! و بدین ترتیب این نانو ترانزیستورها در چند لحظه ذوب می‌شوند.
جایگزینی نانو ترانزیستورها با ...؟ با وجود مشکلات و مسائلی که بیان شد، پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچک‌تر هستند. یک گام اساسی در انجام کوچک سازی مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکول‌های منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین منظور بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی، نتایج امیدوار کننده‌ای را به دنبال داشته است.
برای ساخت نانو لوله‌های کربنی نیازی به فرآیند لیتوگرافی نوری نیست. بنابراین مشکلات و مسائل لیتوگرافی نوری در این جا وجود نخواهد داشت. همچنین نانو لوله‌های کربنی می‌توانند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کنند و عبور دهند بدون آن که دمای آنها به صورت غیر عادی بالا رود. علت این مسئله ساختار مولکولی خاص نانو لوله‌های کربنی است.
در سال 1998 برای اولین بار از نانو لوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره که دارای خواص نیمه‌رسانایی بودند برای ساخت نانو ترانزیستور استفاده شد. برای ساخت این نانو ترانزیستورها که آنها را CNTFET (که مخفف واژه‌ی Carbon Nano Tube Field Effect Transistor است و معنای آن ترانزیستور اثر میدانی با نانو لوله‌های کربنی می‌باشد) می‌گویند، نمی‌توان از نانو لوله‌های کربنی که خواص فلزی دارند استفاده کرد، چرا که این نانو لوله‌ها همواره رسانا هستند و ویژگی‌های عملکردی ترانزیستورها را ندارند. (شکل 1)
شکل 1- نمای یک نانوترانزیستور واقعی
همان طور که در مقالات چهارم و پنجم نانو الکترونیک ملاحظه کردیم، ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانه‌ی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایه‌ی سیلیسیومی اتصال بین آن را برقرار می‌کند. اما در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند این اتصال توسط یک نانو لوله‌ی کربنی که خواص نیمه رسانایی دارد برقرار می‌شود. این ترانزیستور که با نانو لوله‌های کربنی ساخته شده، می‌تواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی همچون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد. (شکل 2)
شکل 2- پایانه های سورس و درین در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند
چالش‌هایCNTFET ها با وجود توسعه و گسترش پژوهش‌ها درباره‌ی ترانزیستورهای نانو لوله‌ی کربنی، چالش‌های بسیاری فرا روی پژوهشگران الکترونیک به منظور جایگزینی ترانزیستورهای سیلیسیومی با این نانو ترانزیستورها وجود دارد. اولا هزینه‌ی ساخت نانو لوله‌های کربنی گران است و تولید آن در مقیاس زیاد هم به فناوری پیشرفته و هم به هزینه‌ی بسیار نیاز دارد. ثانیا خواص نانو لوله‌های کربنی بسیار وابسته به فرآیند ساخت است و تغییرات اندکی در فرآیند ساخت موجب تفاوت‌های بسیاری در خواص آنها می‌شود. لذا اگر چه ترانزیستورهای نانو لوله‌ی کربنی به صورت منفرد ساخته شده‌اند، اما قرار گرفتن آنها در مدارات الکترونیکی مستلزم تلاش‌ها و پژوهش‌های بسیاری است.
نتیجه و جمع‌بندی نانو لوله‌های کربنی به دلیل خواص شگفت‌انگیز الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارند، بسیار مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است. هم اکنون یافتن روش‌های تجاری مقرون به صرفه برای ساخت، تولید و تصفیه‌ی نانو لوله‌های کربنی از ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت در آن ایجاد می‌شود، در مقیاس بزرگ و صنعتی، تلاش اصلی پژوهشگران است. همچنین بررسی خواص نانو لوله‌های کربنی و بهینه‌سازی فرآیند ساخت و تولید آنها مورد توجه بسیاری از پژوهشگران است. با توجه به موارد ذکر شده، به نظر می‌رسد استفاده از نانو لوله‌های کربنی در صنعت الکترونیک به زودی مورد توجه جدی پژوهشگران و صنعت‌گران قرار خواهد گرفت.
اتصالات میانی مدارهای مجتمع، چالشی دیگر برای نانو الکترونیک!
اتصالات میانی مدارهای مجتمع، چالشی دیگر برای نانو الکترونیک!
در اولین نسل‌های مدارهای مجتمع به دلیل بزرگی ابعاد ترانزیستورها و تبعا تعداد کم ترانزیستورها در مدار مجتمع، اتصالات میانی از پیچیدگی بسیاری برخوردار نبودند. اما به تدریج با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستورها و افزایش تعداد آنها در مدارهای مجتمع، اتصالات میانی آنها نیز بیشتر شد و نقش آنها در طراحی مدارهای مجتمع بیش از گذشته با اهمیت گردید. عملکرد مدارهای مجتمع پیشرفته‌ی امروزی به کیفیت اتصالات میانی بسیار وابسته است. با توجه به کوچک شدن ترانزیستور ها و مدار های الکتریکی دیگر نمی توان از فلزات برای اتصالات میانی استفاده کرد زیرا تعداد لایه های میانی زیاد است و بر اثر جریان الکتریکی دمای مدار زیاد شده و حتی ممکن است این اتصالات ذوب شوند. پیش بینی می شود با جایگزین کردن نانولوله های کربنی به جای فلز می توان تا حد زیادی این مشکلات را برطرف کرد.
مقدمه
همان طور که می‌دانیم مدارهای مجتمع امروزی از تعداد بسیار زیادی ترانزیستور تشکیل می‌شوند. نقش ترانزیستور در ساخت مدارهای مجتمع همانند نقش آجر در بنای یک ساختمان است. یعنی همان گونه که بنای یک ساختمان با کنار هم قرار گرفتن تعداد بسیار زیادی آجر انجام می‌پذیرد، ساخت یک مدار مجتمع نیز با اتصال تعداد بسیار زیادی ( مثلا چند میلیون! ) ترانزیستور انجام می‌گیرد. به همان ترتیب که برای اتصال آجرها در یک ساختمان به مصالح ساختمانی دیگری نظیر شن و ماسه و سیمان نیاز داریم، برای برقراری اتصالات ترانزیستورها هم به سیم‌های فلزی که خواص رسانایی الکتریکی دارند، احتیاج است. سیم‌های فلزی که اتصالات داخلی ترانزیستورها را برقرار می‌کنند، اتصالات میانی یا interconnects می‌نامیم.
شکل1- برای اتصال آجرها در یک ساختمان به مصالح ساختمانی دیگری نظیر شن و ماسه و سیمان نیاز داریم
شکل2- برای برقراری اتصالات ترانزیستورها هم به سیم‌های فلزی که خواص رسانایی الکتریکی دارند، احتیاج است
در اولین نسل‌های مدارهای مجتمع به دلیل بزرگی ابعاد ترانزیستورها و تبعا تعداد کم ترانزیستورها در مدار مجتمع، اتصالات میانی از پیچیدگی بسیاری برخوردار نبودند. اما به تدریج با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستورها و افزایش تعداد آنها در مدارهای مجتمع، اتصالات میانی آنها نیز بیشتر شد و نقش آنها در طراحی مدارهای مجتمع بیش از گذشته با اهمیت گردید. پیچیدگی، گستردگی و افزایش تعداد اتصالات میانی به تدریج تا آن جا پیش رفت که پژوهشگران را با چالش جدی در طراحی و ساخت مدارهای مجتمع روبرو ساخت. پژوهشگران راه حل کاهش پیچیدگی اتصالات میانی را در فرآیند طراحی و سپس فرآیند ساخت، در چند لایه کردن اتصالات میانی یافتند. یعنی آنها سعی می‌کردند همه‌ی اتصالات میانی را در یک لایه قرار ندهند، بلکه در بیش از یک لایه طراحی کنند و بسازند. بدین ترتیب در حالی که مدارهای مجتمع در سال 1985 فقط شامل یک لایه اتصالات میانی بودند، در سال 2000 تعداد لایه‌های اتصالات میانی فلزی به عدد 5 رسید و هم اکنون در فناوری‌های جدید تعداد لایه‌های اتصالات میانی بیش از 8 می‌باشد.
شکل3- پژوهشگران راه حل کاهش پیچیدگی اتصالات میانی را در فرآیند طراحی و سپس فرآیند ساخت، در چند لایه کردن اتصالات میانی یافتند (الف- تصویر شماتیک و ب- تصویر واقعی)
لذا از آن جایی که عملکرد مدارهای مجتمع پیشرفته‌ی امروزی به کیفیت اتصالات میانی بسیار وابسته است، فرآیند طراحی و ساخت اتصالات میانی جایگاه مهم و خاصی را در صنعت ساخت مدارهای الکتریکی مجتمع پیدا کرد.
اتصالات میانی فلزی
در فناوری امروزی، اتصالات میانی معمولا از فلز مس (Cu) ساخته می‌شود. طول این اتصالات در یک مدار مجتمع به دلیل زیاد بودن تعداد ترانزیستورها، به کیلومترها می‌رسد! در گذشته اتصالات میانی را از فلز آلومینیوم (Al) می‌ساختند اما آلومینیوم در فناوری‌های امروزی در دمای بالای فرآیند ساخت، ذوب می‌شود. بنابراین امروزه استفاده از مس جایگزین استفاده از آلومینیوم شده است. به منظور پرهیز از افزایش مقاومت الکتریکی اتصالات میانی و نیز رعایت مسائل دیگر، قطر این اتصالات را نمی‌توان از حد معینی کوچک‌تر کرد. کوچک کردن قطر اتصالات میانی موجب افزایش مقاومت الکتریکی اتصالات میانی فلزی و بنابراین افزایش دمای مدار مجتمع می‌شود که اتفاق خوبی نیست. چرا که این افزایش دما، موجب ذوب شدن یا حتی تبخیر شدن اتصالات میانی می‌شود. البته در شرایط فعلی هم مقاومت الکتریکی اتصالات میانی موجب مصرف توان الکتریکی زیادی در مدار مجتمع می‌شود که این هم اتفاق خوبی نیست. مشکلات و مسائل اتصالات میانی فلزی با حرکت به سمت فناوری‌های کوچک‌تر، مخصوصا فناوری نانو، بیشتر می‌شود و پژوهشگران الکترونیک را برای حل این مسائل به فکر فرو می‌برد.
نانو لوله‌های کربنی، یک جایگزین مناسب؟!
نانو لوله‌های کربنی بسته به کایرالیتی‌شان، دارای خواص نیمه‌رسانایی یا رسانایی هستند (اگر مفهوم کایرالیتی را نمی‌دانید می‌توانید به مقاله‌ی دوم ساختار نانو لوله‌های کربنی که در سایت قرار دارد، مراجعه کنید). تفاوت در میزان رسانایی الکتریکی نانو لوله‌های کربنی به راحتی از خواص صفحه‌ی گرافنی به دست می‌آید. دانشمندان نشان دادند که هر گاه در نانو لوله‌ی (n,m)، رابطه ی n=m یا n-m=3i برقرار باشد، به طوری که در آن i یک عدد صحیح و (n,m) بردار تعریف کننده‌ی نانو لوله است، آن گاه نانو لوله دارای خواص فلزی خواهد شد (اگر با مفاهیمی که در این پاراگراف درباره‌ی نانو لوله‌های کربنی مطرح شد آشنا نیستید، می‌توانید به مقالات نانو لوله‌های کربنی که در سایت قرار دارد، مراجعه کنید). میزان مقاومت الکتریکی نانو لوله‌های کربنی هم از طریق قوانین مکانیک کوانتومی به دست می‌آید و مستقل از طول نانو لوله است.
نانو لوله‌های کربنی که خواص رسانایی دارند، جریان الکتریکی را بهتر از فلزات عبور می‌دهند. هنگامی که الکترون‌ها در فلز حرکت می‌کنند مقداری مقاومت الکتریکی در برابر حرکت آنها وجود دارد. این مقاومت هنگامی اتفاق می‌افتد که الکترون‌ها به طور تصادفی با اتم‌های فلزی برخورد می‌کنند. اما هنگامی که الکترون‌ها از یک نانو لوله‌ی کربنی عبور می‌کند، بدون هر گونه برخورد با اتم‌های کانال عبور می‌کنند. این حرکت کوانتومی الکترون‌ها را در نانو لوله‌های کربنی، در اصطلاح انتقال بالستیک می‌گوییم.
شکل 4- از آن جایی که نانو لوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانو لوله‌های کربنی چند جداره (MWCNTs) توانایی رسانایی جریان الکتریکی با چگالی زیاد را دارند، به صورت خاص می‌توانند به عنوان اتصالات میانی مدارات الکتریکی مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند
از آن جایی که نانو لوله‌های کربنی تک جداره (SWCNTs) و نانو لوله‌های کربنی چند جداره (MWCNTs) توانایی رسانایی جریان الکتریکی با چگالی زیاد را دارند، به صورت خاص می‌توانند به عنوان اتصالات میانی مدارات الکتریکی مجتمع مورد استفاده قرار بگیرند. هم اکنون پژوهش‌های بسیاری برای این منظور انجام شده است و در حال انجام است که به نتایج مورد پذیرشی نیز رسیده‌اند. مخصوصا استفاده از نانو لوله‌های کربنی در اتصالات میانی کوتاه بسیار مورد توجه قرار گرفته است. با توجه به این که حدود 70 درصد توان الکتریکی مدارهای مجتمع در اتصالات میانی مصرف می‌شود و بخش قابل توجهی از این توان در اتصالات میانی کوتاه مورد مصرف قرار می‌گیرد، با جایگزین کردن اتصالات میانی فلزی با نانو لوله‌های کربنی می‌توان مصرف توان الکتریکی را نیز در مدارهای الکتریکی مجتمع کاهش داد.
نتیجه
هم اکنون پژوهشگران الکترونیک، پژوهش‌های بسیاری را برای بررسی جایگزینی اتصالات میانی فلزی با نانو لوله‌های کربنی انجام می‌دهند. در همین راستا بررسی خواص الکتریکی نانو لوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره نیز با سرعت بسیاری در حال انجام است. شاید بتوان گفت مهم‌ترین چالش در این جایگزینی، ساخت نانو لوله‌های کربنی استاندارد است. همان طور که در مقاله‌ی نانو الکترونیک 13 نیز بیان کردیم، خواص نانو لوله‌های کربنی بسیار متاثر از فرآیند ساخت است و آن چه اندیشه‌ی پژوهشگران را مشغول و تلاش آنان را معطوف به خود کرده، تلاش به منظور کنترل بهینه‌ی خواص نانو لوله‌های کربنی در فرآیند ساخت است. همچنین تصفیه‌ی نانو لوله‌های کربنی از ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت، در آن رشد می‌کند، نیز بسیار مورد توجه قرار دارد.
مقدمه
ایده‌ی ترانزیستورهای سیلیکونی از آن جایی که توانایی قرار گرفتن در دو وضعیت روشن (on) و خاموش (off) را دارند، پس از طرح در دنیای الکترونیک به سرعت مورد نظر صنایع الکترونیک قرار گرفت. در واقع؛ در حالی که مکانیسم عملیات مدارهای مجتمع رایانه‌ها تا قبل از این، بر اساس روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء انجام میگرفت؛ ترانزیستورهای سیلیکونی به عنوان ابزارهای کوچک‌تر و ارزان‌تری که ساخت میلیون‌ها عدد از آن در زمان اندکی میسر بود، جایگزین لامپ‌های خلاء شد. لذا در اندک زمانی ایده‌ی روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء به کلی فراموش شد و ترانزیستورهای سیلیکونی دنیای الکترونیک را از آنِ خود کرد. سیلیکون (همان عنصر سیلیسیوم یا Si) نیز به عنوان ماده‌ای که خواص نیمه‌رسانایی دارد و به فراوانی در طبیعت یافت می‌شود، ماده‌ی اصلی ساخت ترانزیستورها گردید.
شکل1- مکانیسم عملیات مدارهای مجتمع رایانه‌ها تا قبل از این، بر اساس روشن و خاموش شدن لامپ‌های خلاء انجام میگرفت
شکل2- ترانزیستورهای سیلیکونی به عنوان ابزارهای کوچک‌تر و ارزان‌تری که ساخت میلیون‌ها عدد ازآن در زمان اندکی میسر بود، جایگزین لامپ‌های خلاء شد.
به تدریج و با کوچک‌تر شدن ابعاد ترانزیستورها، از سویی محدودیت‌های بسیاری در فرآیند ساخت آنها ایجاد می‌گردید و از سوی دیگر، چالش‌های بسیاری در عملکرد ترانزیستورها مشاهده می‌شد. پژوهشگران و دانشمندان الکترونیک بخشی از این محدودیت‌ها و چالش‌ها را با نوآوری‌ها و ابداعاتی برطرف کردند. اما ورود به دنیای نانو، همان قدر که مزایای شگفت‌انگیزی را به دنبال داشت، محدودیت‌ها و چالش‌های بسیاری را نیز در پی داشت (بخشی از این چالش‌ها و محدودیت‌ها و نیز راه‌حل‌های پژوهشگران برای پاسخ به آنها در مقالات یازدهم تا چهاردهم نانوالکترونیک مطرح شده است.)
یک ایده‌ی جدید!
در مقاله‌ی چهارم نانوالکترونیک راجع به ساختار و چگونگی عملکرد ترانزیستور توضیح دادیم. همچنین، در مقاله‌ی پنجم و ششم نانوالکترونیک با بیان مثال‌هایی چگونگی قرار گرفتن ترانزیستور را در مدارات الکترونیکی مشاهده کردیم و بدین ترتیب نقش و جایگاه ترانزیستور را در مدارات الکترونیکی متوجه شدیم. اما پس از کشف نانولوله‌های کربنی در سال 1991 و پی بردن به خواص شگفت‌انگیز آن، اکنون برخی پژوهشگران الکترونیک ایده‌ی جایگزینی نانولوله‌های کربنی را به جای ترانزیستورهای سیلیکونی مطرح می‌کنند. گویا به زودی ترانزیستورهای سیلیکونی گرفتار همان سرنوشتی خواهند شد که خود برای لامپ‌های خلاء رقم زدند، خداحافظی از دنیای الکترونیک!
مکانیسم جدید مورد نظر پژوهشگران بدین ترتیب است که تعداد زیادی از نانو لوله‌های کربنی به صورت موازی بر روی یک بستر قرار خواهد گرفت. در لایه‌ی بالای آن اما بدون تماس با لایه‌ی پایینی و در فاصله‌ی کم از آن، تعداد زیادی نانو لوله‌ی کربنی به صورت عمودی بر نانو لوله‌های لایه‌ی زیرین، قرار می‌گیرند.
شکل3- مکانیسم جدید مورد نظر پژوهشگران بدین ترتیب است که تعداد زیادی از نانو لوله‌های کربنی به صورت موازی بر روی یک بستر قرار خواهد گرفت. در لایه‌ی بالای آن اما بدون تماس با لایه‌ی پایینی و در فاصله‌ی کم از آن، تعداد زیادی نانو لوله‌ی کربنی به صورت عمودی بر نانو لوله‌های لایه‌ی زیرین، قرار می‌گیرند.
در این مکانیسم کنترل جریان الکتریکی در نانولوله‌های کربنی از طریق الکترودی است که به هر نانولوله متصل است. نقاط تقاطع همان نقش کلیدهای ترانزیستوری را دارند. وقتی نانولوله‌ها در نقاط تقاطع با یکدیگر تماس ندارند، کلید در حالت قطع (off) قرار دارد و هنگامی که نانولوله‌ها در نقاط تقاطع با یکدیگر در تماس هستند، کلید در حالت وصل (on) قرار دارد. قطع و وصل کردن کلیدها با عبور جریان الکتریکی از نانولوله‌های کربنی کنترل می‌شود. همان طور که مشاهده می‌شود این مکانیسم نظیر مکانیسم استفاده از ترانزیستور، منجر به تولید کلیدهایی می‌شود که در دو حالت قطع و وصل قرار دارند و لذا می‌تواند اساس عملکرد مدارهای الکتریکی مجتمع قرار گیرد.
پژوهشگران برآورد می‌کنند که با استفاده از این مکانیسم در یک تراشه‌ی یک سانتی‌متر مربعی در حدود یک تریلیارد (10[SUP]12[/SUP])کلید می‌توان جای داد. این در حالی است که با استفاده از مکانیسم ترانزیستورهای سیلیکونی در تراشه‌ای مشابه، تنها یک صد میلیون (10[SUP]8[/SUP])کلید می‌توان قرار داد. لذا برآورد می‌شود که سرعت مدارهای مجتمع که با استفاده از این مکانیسم ساخته می‌شوند بیش از 100 برابر بیشتر از مدارهای مجتمعی باشد که با ترانزیستورهای سیلیکونی ساخته می‌شوند.
چالش‌های تراشه‌های ساخته شده با نانو لوله‌های کربنی
استفاده از نانولوله‌های کربنی به جای ترانزیستورهای سیلیکونی اگر چه ایده‌ی بسیار جالبی است و احتمالا موجب جهش عظیمی در صنعت الکترونیک خواهد شد، لیکن هنوز یک ایده‌ی اولیه است و جوانب آن چندان مورد بررسی و کنکاش قرار نگرفته است. یکی از بزرگ‌ترین محدودیت‌ها بر سر راه آن، فناوری ساخت نانولوله‌های کربنی به شکل مورد نظر در این مکانیسم است. اگر چه امروزه روش‌های متعددی برای ساخت نانولوله‌های کربنی وجود دارد، اما روش‌های تولید ارزان قیمت آنها در مقیاس وسیع بر روی یک تراشه، هنوز توسعه نیافته است. ضمنا کاهش ناخالصی‌هایی که هنگام فرآیند ساخت در نانولوله‌ها جای می‌گیرند نیز مورد توجه است. همچنین چگونگی برقراری اتصالات میانی (Interconnects) و نیز گسترش و توسعه‌ی تجهیزات و ابزارهای طراحی و ساخت تراشه‌ها با استفاده از نانولوله‌های کربنی نیز باید مورد توجه قرار گیرد. در واقع حرکت از یک فناوری قدیمی به سمت یک فناوری جدید مستلزم کنکاش و بررسی همه‌ی ابعاد این انتقال است.
نتیجه در هنگام ابداع ترانزیستورهای سیلیکونی، پژوهشگران از این که برای استفاده در مدارات الکترونیکی جایگزین مناسبی برای لامپ‌های خلاء یافته‌اند، بسیار هیجان‌زده بودند. آنها اکنون به جای استفاده از لامپ‌های خلاء می‌توانستند از ترانزیستورهایی استفاده کنند که هم ارزان‌تر و کوچک‌تر بودند و هم ساخت آنها در مقیاس وسیع بسیار ساده‌تر بود. بدین ترتیب بود که صنعت الکترونیک با یک جهش عظیم روبرو شد. به تدریج دانشمندان به منظور افزایش سرعت مدارهای الکترونیکی، شروع به کوچک کردن ابعاد ترانزیستورها کردند. این ماجرا آن قدر با جدیت پیش می‌رفت که گوردون مور بر اساس آن، یک قانون تجربی را بیان کرد؛ نصف شدن ابعاد ترانزیستورها در هر 18 ماه. اما این کوچک شدن تا جایی پیش رفت که محدودیت‌های فناوری و چالش‌های کوانتومی، مسائل اساسی و چالش‌های جدی‌ای را پیش روی پژوهشگران قرار داد. در این میان ایده‌ی جدیدی به تدریج شکل گرفت و آن جایگزینی نانولوله‌های کربنی به جای ترانزیستورهای سیلیکونی بود که در این نوشتار تا حدودی ابعاد گوناگون آن مورد بررسی قرار گرفت. اکنون باید منتظر باشیم و نظاره کنیم که آیا همان طور که ترانزیستورهای سیلیکونی، لامپ‌های خلاء را به فراموشی سپردند؛ نانولوله‌های کربنی نیز ترانزیستورهای سیلیکونی را از دنیای الکترونیک بیرون خواهند راند یا نه؟!
اگر یک بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما دو بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختاری پدید می‌آید که آن را چاه کوانتومی می‌گوییم. هر گاه دو بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما یک بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختار حاصل را سیم کوانتومی می‌گوییم. و در نهایت، هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی می‌نامیم. رفتار نوری نقاط کوانتومی بدین ترتیب است که با تاباندن پرتوی فرا بنفش به آنها، نور مرئی با طول موج‌های گوناگون از آنها ساطع می‌شود. در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، گاف انرژی کوچک‌تر است. با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی کوچک‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی بزرگ‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی بیشتر، و متمایل به رنگ آبی است. همچنین با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی کوچک‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی کم‌تر بوده، و متمایل به رنگ قرمز است.
مقدمه
هنگامی که ابعاد یک ماده به صورت پیوسته از مقیاس بزرگ به مقیاس کوچک کاهش یابد، خواص ماده در ابتدا ثابت می‌ماند، اما به تدریج با نزدیک شدن این ابعاد به محدوده‌ی فناوری نانو (محدوده‌ی بین 1 تا 100 نانو متر) خواص ماده تغییرات چشم‌گیری می‌یابد. این تغییرات شدید در خواص ماده دلایل گوناگونی دارد که تا کنون در تعدادی از مقالات سایت به برخی از آنها اشاراتی شده است.
همان طور که می‌دانیم همه‌ی مواد پیرامون ما دارای سه بعد هستند. اگر یک بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما دو بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختاری پدید می‌آید که آن را چاه کوانتومی (Quantum Well) می‌گوییم. هر گاه دو بعد ماده تا مقیاس نانو کوچک شود اما یک بعد دیگر در مقیاس بزرگ باشد، ساختار حاصل را سیم کوانتومی (Quantum Wire) می‌گوییم. و در نهایت، هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) می‌نامیم. در واقع؛ نقاط کوانتومی کریستال‌هایی در حد نانو هستند که ویژگی اصلی آن انتشار نور است. البته باید توجه کنیم که فقط ورود یک یا دو یا سه بعد از ابعاد یک ماده به محدوده‌ی نانومتری، موجب نمی‌شود که ما آن ساختار را کوانتومی بنامیم؛ بلکه این ابعاد باید آن قدر کوچک شوند که خواص ماده از قوانین فیزیک کلاسیک قابل توجیه نباشند و فقط فیزیک کوانتوم بتواند رفتار ماده را توجبه کند.
شکل1- هر گاه هر سه بعد ماده در مقیاس نانومتری قرار گیرد، ساختار حاصل را نقطه‌ی کوانتومی (Quantum Dot) می‌نامیم. در این شکل یک نقطه کوانتومی در سطح ساختار اتمی نشان داده شده است (شکل نقطه کوانتومی سیلیکون)
ما در این مقاله قصد داریم راجع به مبانی فیزیکی رفتار نوری نقاط کوانتومی صحبت کنیم. روش‌ها و تکنیک‌های گوناگون ساخت نقاط کوانتومی و کاربردهای مختلف آن در گذشته در قالب مقالاتی بر روی سایت قرار گرفته است. برای توجیه رفتار نوری نقاط کوانتومی از نظریه‌ی باندی استفاده می‌کنیم (برای آشنایی با مبانی نظریه‌ی باندی می‌توانید به مقالات اول و دوم نانو الکترونیک مراجعه کنید.)
مکانیسم انتشار نور در جامدات
بر اساس نظریه‌ی باندی همه‌ی جامدات شامل تعدادی نوار انرژی هستند. هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است و در هر تراز انرژی، فقط دو الکترون می‌تواند قرار گیرد. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد. این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم.
شکل2- هر نوار انرژی نیز دارای تعدادی تراز انرژی است و در هر تراز انرژی فقط دو الکترون می‌تواند قرار گیرد. بین نوارهای انرژی، فاصله‌ای وجود دارد که هیچ الکترونی نمی‌تواند درون آن قرار گیرد. این فاصله را گاف انرژی می‌گوییم
هنگامی که پرتوی فرا بنفش به جسم جامد برخورد می‌کند، الکترون‌ها با جذب انرژی آن، از یک نوار انرژی به نوار انرژی بالاتر می‌روند. اندکی بعد، الکترون‌ها با از دست دادن انرژیِ جذب شده، به حالت پایدار خود بر می‌گردند و بدین ترتیب، انرژی جذب شده را به صورت پرتوهای نور مرئی (یا همان فوتون) ساطع می‌کنند. هر چه گاف انرژی بزرگ‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، بیشتر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ آبی تمایل می‌یابند. در مقابل، هر چه گاف انرژی کوچک‌تر باشد، انرژی پرتوهای نور مرئی که از جسم ساطع می‌شود، کم‌تر است و پرتوهای نور مرئی به سمت رنگ قرمز تمایل می‌یابند.
رفتار نوری نقاط کوانتومی
نقاط کوانتومی شامل موادی از قبیل سولفید سرب، سولفید روی، سلنید کادمیوم و فسفات ایندیوم هستند. رفتار نوری نقاط کوانتومی بدین ترتیب است که با تاباندن پرتوی فرا بنفش به آنها، نور مرئی با طول موج‌های گوناگون از آنها ساطع می‌شود. نکته‌ی مورد توجه این است که طول موج نوری که از نقاط کوانتومی ساطع می‌شود به اندازهی نقاط کوانتومی بستگی دارد.
هر چه نقاط کوانتومی کوچک‌تر باشند، ساختار باندی آن به گونه‌ای است که فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن بیشتر است و هر چه نقاط کوانتومی بزرگ‌تر باشند، ساختار باندی آن به گونه‌ای است که فاصله‌ی بین نوارهای انرژی در آن کم‌تر است. یعنی در نقاط کوانتومی کوچک‌تر، گاف انرژی بزرگ‌تر است و در نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، گاف انرژی کوچک‌تر است.
بنابراین، با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی کوچک‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی بزرگ‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی بیشتر، و متمایل به رنگ آبی است. همچنین با تاباندن پرتوی فرا بنفش به نقاط کوانتومی بزرگ‌تر، الکترون‌هایی که به نوار انرژی بالاتر می‌روند، هنگام از دست دادن انرژی اضافی و بازگشت به حالت پایدار، گاف انرژی کوچک‌تری را طی می‌کنند و لذا پرتوی نور مرئی‌ای که ساطع می‌کنند دارای انرژی کم‌تر بوده، و متمایل به رنگ قرمز است.
شکل3- با بزرگ شدن ابعاد نقاط کوانتومی، طیف نور تابشی آنها از رنگ آبی به سمت رنگ قرمز میل می‌کند.
آزمایش رها کردن تخم مرغ‌ها
به منظور بهتر به خاطر سپردن رفتار نوری نقاط کوانتومی می‌توانید آزمایش زیر را انجام دهید. (البته تبعات آن با خودتان است!) یک تخم بلدرچین، یک تخم مرغ و یک تخم غاز تهیه کنید (قطر متوسط تخم بلدرچین، تخم مرغ و تخم غاز به ترتیب 5/1 سانتی‌متر، 5 سانتی‌متر و 8 سانتی‌متر است). هر سه را در ارتفاع تقریباً 25 سانتی‌متری سطح زمین بگیرید و هم زمان رها کنید. بهتر است از شخص دیگری هم کمک بخواهید. نتیجه را به دقت مشاهده کنید (برای مشاهده‌ی دقیق‌تر می‌توانید با دوربین گوشی تلفن همراه خود از صحنه فیلم بگیرید و آن را چند بار مشاهده کنید). تخم غاز که از همه بزرگ‌تر است می‌شکند، اما شکنندگی آن زیاد نیست. تخم غاز مانند نقطه‌ی کوانتومی بزرگ است که نور مرئی‌ای که از آن ساطع می‌شود در محدوده‌ی طیف نور کم انرژی است (متمایل به قرمز). تخم مرغ که اندازهی متوسطی دارد نیز می‌شکند، و مانند نقطه‌ی کوانتومی متوسط که نور مرئی در محدوده‌ی طیف نوری با انرژی متوسط ساطع می‌کند، رفتار می‌کند. در نهایت تخم بلدرچین بیش از دیگران می‌شکند و آسیب می‌بیند. تخم بلدرچین مانند نقطه‌ی کوانتومی کوچک است که نور مرئی‌ای که از آن ساطع می‌شود در محدوده‌ی طیف نوری پر انرژی است (متمایل به آبی.)
شکل4- آزمایش رها کردن تخم غاز، تخم مرغ و تخم بلدرچین
نتیجه
نقاط کوانتومی به عنوان یک ساختار پر کاربرد در فناوری نانو بسیار مورد توجه است. کاربردهای گوناگون آن از علوم پزشکی، علوم زیستی و فناوری زیستی گرفته تا الکترونیک، لیزر، آشکارساز و ... موجب اهمیت زیاد این ساختارها در فناوری نانو شده است.
*تصویر ابتدای مقاله، مربوط به محلول‌های نقطه کوانتومی سلنید کادمیم در زیر نور فرابنفس (محلول‌های ردیف بالا) و نور مرئی (محلول‌های ردیف پایین) می‌باشد، که با تغییر اندازه، رنگ آنها نیز متفاوت خواهد بود.
سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs)
سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs)
مقدمه
نخستین بار ریچارد فاینمن، در سال 1959 در سخنرانی معروف خود با عنوان «آن پایین فضاهای بسیاری وجود دارد» ایده‌ی فناوری نانو را مطرح کرد. او در همین سخنرانی جایزه‌ای 1000 دلاری را برای اولین شخصی که یک موتور الکتریکی در مقیاس یک شصت و چهارم (64/1) اینچ بسازد، تعیین کرد. بر همین اساس، می‌توان گفت او اولین فردی است که ایده‌ی طراحی و ساخت یک سامانه‌ی الکتریکی- مکانیکی را در مقیاس میکرو مطرح نموده است. البته، این جایزه‌ی 1000 دلاری در نهایت به شخصی به نام مک لیلان رسید که موفق شد اولین موتور الکتریکی بسیار کوچک را بسازد. ایده‌ی فاینمن اگرچه در ابتدا چندان جدی گرفته نشد، اما به تدریج تحولی عظیم در مهندسی الکترونیک و مهندسی مکانیک ایجاد کرد و موجب شکل‌گیری ایده‌ی سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو گردید.
شکل1- فاینمن در حال مشاهده اولین موتور الکتریکی کوچک‌تر از اینچ
«سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو» یا همان «سیستم‌های میکروالکترومکانیکی» معادل فارسی واژه‌ی Micro ElectroMechanical Systems است، که به اختصار MEMSs نامیده می‌شود. سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو، کاربردهای بسیاری در صنایع گوناگون دارند؛ از صنایع الکترونیک و خودروسازی گرفته تا صنایع دارورسانی هوشمند و حتا پزشکی. اگرچه سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو، همان‌طور که معرفی شد، در محدوده‌ی مقیاس میکرومتر قرار دارند، اما به دلیل گسترش و توسعه‌ی فرآیندهای ساخت و کاربردهای آن، در آستانه‌ی ورود به محدوده‌ی فناوری نانو قرار دارند؛ لذا، بررسی و کنکاش درباره‌ی مکانیسم عملکرد و روش‌های ساخت آن بسیار مورد توجه علاقه‌مندان و پژوهشگران فناوری نانو قرار دارد. ما در این مقاله با بیان یک مثال، به چگونگی عملکرد سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو خواهیم پرداخت.
مکانیسم عملکرد سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو
سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs) متشکل از تعدادی ابزارها و قطعات الکتریکی و مکانیکی است که در مقیاس میکرومتر قرار دارد. مکانیسم عملکرد آن بدین ترتیب است که، در مقابل هر سیگنال الکتریکی که از قبل تعریف شده (مثلا جریان الکتریکی مشخص یا ولتاژ الکتریکی معین) یک پاسخ مکانیکی،که این هم از قبل تعریف شده، (مثلا تغییر مکان یک قطعه) روی می‌دهد. گاهی نیز برعکس این اتفاق، رخ می‌دهد؛ یعنی یک پاسخ الکتریکی در مقابل یک تغییر شکل مکانیکی.
مزایای اصلی سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs)، کوچک‌سازی، کاهش هزینه و دقت زیاد از طریق جمع‌آوری مستقیم داده‌ها از مقیاس میکرو است.
شکل2- یک سامانه‌ی الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو که به دلیل بسته‌بندی بزرگ‌تر از مقیاس میکرو دیده می‌شود!
یک مثال معروف
ابداع شتاب‌سنج‌ها در ابعاد میکرومتر، برای فعال کردن کیسه‌های هوا در خودروها، یکی از معروف‌ترین مثال‌های سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو است. قبل از ابداع و استفاده از این شتاب‌سنج‌های میکرومتری، از ابزار دیگری که در ابعاد یک جعبه‌ی دستمال کاغذی و به جرم چند کیلوگرم بود، استفاده می‌شد. در این بخش می‌خواهیم به شرح چگونگی عملکرد شتاب‌سنج‌های میکرومتری، به عنوان یک سامانه‌ی الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو بپردازیم. شکل3 یک شتاب‌سنج MEMS را که برای فعال کردن کیسه‌های هوا در خودروها به کار می‌رود، به صورت شماتیک نشان می‌دهد.
شکل 3- الف ابزاری را نشان می‌دهد که شامل یک میله‌ی افقی از جنس سیلیکون با طول چند میکرومتر است، و به دو میله‌ی میان تهی با سطوح داخلی قابل‌انعطاف متصل شده است. با فرض این که خودرو از سمت چپ به سمت راست در حال حرکت است، هنگامی که خودرو در اثر تصادف به طور ناگهانی متوقف می‌شود، میله‌ی افقی به سمت راست شتاب می‌گیرد و این امر موجب تغییر در فاصله‌ی صفحات خازن می‌شود (شکل 3- ب را ملاحظه کنید)
شکل3- ساختار شتاب‌سنج میکرو متری
علت این شتاب گرفتن میله‌ی افقی به سمت راست در هنگام توقف خوردو، بر مبنای اصل اینرسی یا لَختی در فیزیک قابل‌توجیه است. بر اساس اصل لَختی، اجسام همواره تمایل دارند حالت سکون یا حرکت با سرعت ثابت بر مسیر مستقیم را حفظ کنند. لذا میله‌ی افقیِ در حال حرکت نیز، تمایل دارد با همان سرعت به سمت جلو حرکت کند.
خازن یک ابزار الکتریکی است و از دو صفحه‌ی رسانای الکتریکی تشکیل شده که بین آن یک نارسانا، مثلا هوا، قرار دارد. خازن ابزاری است که برای ذخیره‌ی بار الکتریکی درون مدار الکتریکی مورد استفاده قرار می‌گیرد. ظرفیت الکتریکی خازن یک کمیت مربوط به خازن است و مفهوم آن این است که به ازای یک ولتاژ معین که بر روی صفحات خازن اعمال می‌شود، خازن چه مقدار بار الکتریکی را می‌تواند بر روی صفحات خود تحمل کند.
تغییر در فاصله‌ی صفحات خازن موجب تغییر در ظرفیت الکتریکی خازن می‌شود، چرا که ظرفیت الکتریکی خازن با فاصله‌ی صفحات آن از یکدیگر، رابطه‌ی معکوس دارد. این تغییر در ظرفیت الکتریکی خازن موجب شارش یک جریان الکتریکی درون سیم‌پیچ حرارتی متصل به آن می‌شود. این سیم‌پیچ حرارتی، از درون ماده‌ای به نام سدیم آزید (NaN3) می‌گذرد. گرم شدن آنی سیم‌پیچ، موجب تجزیه‌ی سریع سدیم آزید و انتشار گاز نیتروژن (N2)از طریق واکنش (1) خواهد شد. در نهایت؛ گاز نیتروژن تولید شده، کیسه‌های هوای خودرو را پُر می‌کند، و کیسه‌های هوا باز می‌شود. البته باید توجه کنیم که همه‌ی این ماجرا در کسری از ثانیه اتفاق می‌افتد.
نتیجه
سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو (MEMSs)، که حدود 30 سال است به صورت جدی مورد توجه پژوهشگران قرار گرفته است، علاوه بر کوچک سازی ابعاد و صرفه‌جویی در هزینه‌های ساخت، موجب افزایش دقت و کارآیی محصولات تولید شده نیز می‌شود. اگر چه MEMSs در محدوده‌ی فناوری نانو قرار نمی‌گیرد، اما مطالعه‌ی مختصری از آن ذهن ما را برای آشنایی با سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs) آماده می‌کند.
سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs)
سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs)
مقدمه
سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو یا همان سیستم‌های نانو الکترومکانیکی ترجمه‌ی واژه‌ی Nano ElectroMechanical Systems است که در اختصار NEMSs گفته می‌شود. ما در مقاله‌ی قبل به مزایا و محدودیت‌های این سامانه‌ها در مقیاس میکرو اشاره کردیم. بدیهی است تمامی آن مزایا و محدودیت‌ها البته با شدت بیش‌تری در سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو نیز وجود دارد. رؤیای کاربرد این سامانه‌ها در آینده‌ی نزدیک در صنایع گوناگون به منظور کسب اطلاعات در مقیاس نانو و نیز انجام مأموریت‌های خاص در این مقیاس، انگیزه‌ی پژوهشگران را به توسعه‌ی آن بیشتر می‌کند.
اگر چه عده‌ای از دانشمندان در آزمایشگاه‌ها موفق شده‌اند نمونه‌هایی از سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو را طراحی کرده و بسازند، لیکن استفاده از آنها در کاربردهای صنعتی هنوز اتفاق نیفتاده است. در واقع توسعه‌ی بیشتر این سامانه‌ها مستلزم تلاش و پژوهش بیشتر است. ما در این مقاله به بررسی مختصر دو مثال معروف از سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو می‌پردازیم. هدف از بررسی این دو مثال آشنایی بیشتر شما با ساز و کار عملکرد این سامانه‌ها و ایده‌هایی است که در این سامانه‌ها مطرح و دنبال می‌شود.
در مثال اول مشاهده می‌کنیم که چگونه یک میدان الکتریکیِ خارجی موجب چرخشِ یک چرخِ مقیاسِ نانومتری می‌شود و در مثال دوم مشاهده خواهیم کرد که چگونه با تابیدن پرتوهای نور فرابنفش، حرکت‌های رفت و برگشتیِ منظمی در یک مولکول پلیمری در ابعاد نانو ایجاد می‌شود.
مثالِ اول، چرخشِ چرخِ نانومتری
چرخ نانومتری که می‌خواهیم آن را به چرخش واداریم همان مولکول C60 یا باکی‌بال است. همان طور که می‌دانیم C60 یک اَبَرمولکول است که از 60 اتم کربن تشکیل شده و به دلیل این که قطر آن در مقیاس چند نانومتر است از ساختارهای نانومتری شمرده می‌شود. در شکل1 ساختار یک مولکول C60 را ملاحظه می‌کنید.
شکل 1- ساختار یک مولکول C60
در واقع می‌خواهیم یک مولکول C60 را بر روی سطح یک بلور مانند پتاسیم کلرید (KCl) به چرخش واداریم. همان طور که می‌دانیم نوع برهم‌کنش‌ها در ساختار پتاسیم کلرید از نوع یونی است. یعنی یون‌های مثبتِ پتاسیم و یون‌های منفیِ کلر با قرار گرفتن کنار یکدیگر، ساختار بلور پتاسیم کلرید را تشکیل می‌دهد. اکنون اگر بتوانیم مولکول C60 را با استفاده از یک میدان الکتریکی خارجی باردار کنیم، مولکول C60 قطبی می‌شود (یعنی دارای قطب مثبت و منفی می‌شود) و بدین ترتیب بر روی سطح باردار پتاسیم کلرید شروع به حرکت می‌کند(شکل2 را ملاحظه کنید). این همان چیزی است که به دنبال آن بودیم، چرخش یک چرخ در مقیاس نانومتری!
شکل 2- چرخش یک مولکول C60 بر روی سطح یک بلور پتاسیم کلرید (چرخش یک چرخ در مقیاس نانومتری)
مثالِ دوم، حرکتِ رفت و برگشتی در پلیمر نانومتری
مولکول آزوبنزن از ترکیب دو مولکول بنزن و دو اتم نیتروژن تشکیل می‌شود. این مولکول دارای دو ایزومِر مختلف است. ایزومرها، مولکول‌های دارای اتم‌های یکسان هستند که از تعداد برابری پیوند برخوردارند ولی تعادل هندسی متفاوتی دارند. در شکل3 دو ایزومر سیس و ترانس مولکول آزوبنزن را مشاهده می‌کنید. همان طور که مشاهده می‌شود ایزومر سیس کوتاه‌تر از ایزومر ترانس است.
شکل 3- ایزومر سیس و ترانس مولکول آزوبنزن. همان طور که مشاهده می‌شود ایزومر سیس کوتاه‌تر از ایزومر ترانس است.
یکی از ویژگی‌های جالب مولکول آزوبنزن تغییر شکل آن هنگام قرار گرفتن در جلوی تابش پرتوی نور است. هنگامی که مولکول آزوبنزن در جلوی تابش نور با طول موج 313 نانومتر قرار می‌گیرد، از ایزومر ترانس به ایزومر سیس تغییر شکل می‌دهد و هنگامی که ایزومر سیس در جلوی تابش نور با طول موج بزرگ‌تر از 380 نانومتر قرار می‌گیرد، موجب می‌شود که ایزومر سیس به ایزومر ترانس تغییر شکل یابد. شکل4 را ملاحظه کنید.
شکل 4- هنگامی که مولکول آزوبنزن در جلوی تابش نور با طول موج 313 نانومتر قرار می‌گیرد، از ایزومر ترانس به ایزومر سیس تغییر شکل می‌دهد و هنگامی که ایزومر سیس در جلوی تابش نور با طول موج بزرگ‌تر از 380 نانومتر قرار می‌گیرد، موجب می‌شود که ایزومر سیس به ایزومر ترانس تغییر شکل یابد.
آزوبنزن همچنین می‌تواند پلیمری متشکل از زنجیره‌ای از مولکول‌های آزوبنزن تشکیل دهد. در شکل پلیمری نیز آزوبنزن می‌تواند با قرار گرفتن در جلوی تابش نور 365 نانومتری از حالت ترانس به حالت سیس تغییر شکل دهد. همچنین با قرار گرفتن در جلوی تابش نور 420 نانومتری از حالت سیس به حالت ترانس تغییر شکل می‌دهد. همان طور که گفتیم ایزومر سیس کوتاه‌تر از ایزومر ترانس است، بنابراین با تغییر حالت آزوبنزن از سیس به ترانس و برعکس، اندازهی طول این زنجیره‌ی پلیمری نیز تغییر می‌کند.
گروهی از پژوهشگران با اتصال زنجیره‌ی پلیمری آزوبنزن در حالت ترانس به بازوی یک میکروسکوپ نیروی اتمی، موفق به ساخت یک ماشین مولکولی در مقیاس نانومتری شده‌اند. با قرار دادن نوک این میکروسکوپ در جلوی تابش نور 365 نانومتری، زنجیره‌ی پلیمری از حالت ترانس به حالت سیس تغییر شکل می‌دهد و کوتاه‌تر می‌شود. همچنین هنگامی که نوک میکروسکوپ در جلوی تابش نور 420 نانومتری قرار گیرد، زنجیره‌ی پلیمری از حالت سیس به حالت ترانس تغییر شکل می‌دهد و بلندتر می‌شود. شکل5 را ملاحظه کنید. با قرار دادن متناوب این زنجیره‌ی پلیمری در جلوی تابش پالس‌هایی از نورهای 420 و 365 نانومتری، میله می‌تواند به حالت نوسان درآید. بدین ترتیب انرژی نورانی به کار فیزیکی تبدیل می‌شود. نکته‌ی قابل توجه در این فرآیند، این است که در مقیاس نانومتری اتفاق می‌افتد.
شکل 5- با قرار دادن نوک این میکروسکوپ در جلوی تابش نور 365 نانومتری، زنجیره‌ی پلیمری از حالت ترانس به حالت سیس تغییر شکل می‌دهد و کوتاه‌تر می‌شود. همچنین هنگامی که نوک میکروسکوپ در جلوی تابش نور 420 نانومتری قرار گیرد، زنجیره‌ی پلیمری از حالت سیس به حالت ترانس تغییر شکل می‌دهد و بلندتر می‌شود.
نتیجه و جمع‌بندی
ما در این مقاله در ادامه‌ی مقاله سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس میکرو، کوشیدیم تا با ویژگی‌ها، مزایا و محدودیت‌های این سامانه‌ها در مقیاس نانو بیشتر آشنا شویم. همچنین با بررسی دو مثال واقعی تلاش کردیم تا بگوییم سامانه‌های الکتریکی- مکانیکی در مقیاس نانو (NEMSs) اگرچه هنوز با کاربرد در دنیای واقعی و صنعت فاصله‌ی زیادی دارد و محدودیت‌های بسیاری را پیش رو دارد، لیکن فکر کردن درباره‌ی کاربرد آن در آینده‌ی نزدیک و در صنایع گوناگون چندان دور از انتظار و رؤیاپردازانه نیست.
ما در مقاله‌ی بعد یک گام پیش‌تر خواهیم رفت و از حوزه‌ی جدیدی در دانش الکترونیک به نام الکترونیک مولکولی سخن خواهیم گفت. الکترونیک مولکولی مرز دانش و فناوری نانوالکترونیک است و بسیاری از محدودیت‌های الکترونیکِ امروزی را پشت سر می‌گذارد.
مقدمه
همان طور که می‌دانیم روش لیتوگرافی نوری برای ساخت مدارات الکترونیکی مجتمع با چالش‌های اساسی و جدی روبرو شده است. محدودیت‌های فناوری از یک سو و چالش‌های کوانتومی از سوی دیگر توسعه‌ی نانوالکترونیک را با دشواری روبرو کرده است (برای آشنایی بیشتر می‌توانید به مقالات نانوالکترونیک 11 و 12 مراجعه کنید). در این میان دانشمندان به ایده‌ها و روش‌های جایگزین و جدیدی می‌اندیشند که محدودیت‌های روش لیتوگرافی نوری را ندارد. یکی از این روش‌ها، ساخت و استفاده از مولکول‌هایی است که رفتاری مشابه رفتار کلید زدن ترانزیستورها داشته باشند. در واقع دانشمندان قصد دارند با طراحی، ساخت و استفاده از این مولکلول‌ها، آنها را جایگزین ترانزیستورهای سیلیکونی کنند. این ایده را الکترونیک مولکولی می‌گوییم. این رفتار می‌تواند مبنایی برای پردازش اطلاعات در رایانه‌ها و ذخیره‌ی اطلاعات در حافظه‌ها قرار گیرد.
ما در این مقاله ابتدا راجع به ویژگی‌های مولکول‌هایی که در الکترونیک مولکولی می‌تواند مورد استفاده قرار گیرد، سخن می‌گوییم. سپس به بررسی یک مثال معروف در الکترونیک مولکولی می‌پردازیم و نشان می‌دهیم که رفتار این مولکول در محدوده‌ی ولتاژ معینی مشابه رفتار یک ترانزیستور است. در نهایت چالش‌های توسعه‌ی الکترونیک مولکولی را به اختصار بیان خواهیم کرد.
کدام مولکول‌ها مفیدند؟! مولکول‌هایی که در الکترونیک مولکولی مورد استفاده قرار می‌گیرند بایستی شرایطی داشته باشند. این مولکول‌ها باید دارای دو شکل متفاوت باشند که توسط یک محرک خارجی نظیر نور یا ولتاژ تغییر شکل دهد. این تغییر شکل باید برگشت‌پذیر هم باشد. در واقع مولکول در یک حالت به عنوان صفر (zero) و در یک حالت به عنوان یک (one) رفتار می‌کند. رفتار برگشت‌پذیری مولکول هم باید بسیار سریع باشد به گونه‌ای که بتواند در مدارات الکترونیکی مجتمع، مفید واقع شود. همچنین پایداری و مخصوصا پایداریِ گرمایی نیز عامل مهمی است. یعنی این مولکول‌ها در برابر تغییرات دمایی نباید از شکلی به شکل دیگر تغییر شکل دهند. چرا که در مدارات مجتمع محدوده‌ی تغییرات دمایی بسیار زیاد است و در صورت تغییر شکل مولکول‌ها، اطلاعات آنها از دست می‌رود.
مثلا مولکول آزوبنزن که در مقاله‌ی قبلی معرفی شد، در ابتدا نمونه‌ای مناسب به نظر می‌رسد. همان طور که در مقاله‌ی قبل ملاحظه کردیم مولکول آزوبنزن دارای دو ایزومر سیس و ترانس است که هر کدام دارای دو طول متفاوت است. با تابیدن نور فرابنفش با طول موج 313 نانومتر، ایزومر ترانس به ایزومر سیس تغییر شکل می‌دهد و با تابیدن نور فرابنفش با طول موج بیشتر از 380 نانومتر، ایزومر سیس به ایزومر ترانس تغییر شکل می‌دهد. بنابراین در مدار الکتریکی یکی از ایزومرها می‌تواند به عنوان صفر و دیگری به عنوان یک رفتار کند. لیکن مشکل آزوبنزن عدم پایداری گرمایی آن است. در واقع ایزومر سیس آزوبنزن از نظر گرمایی پایدار نیست و اندک گرمایشی موجب تغییر شکل آن به ایزومر ترانس می‌شود.
یک مثالِ معروف مولکول 2-آمینو-4- اتیلنیل فنیل -5- نیترو -1- بنزن تیولات (2-Amino -4- ethylenylphenyl -5- nitro -1- benzenethiplate)، یک مثال معروف است که ما در این قسمت به بررسی رفتار الکتریکی آن می‌پردازیم. این مولکول از 3 حلقه‌ی بنزن به هم پیوسته با پیوندهای سه‌گانه از طریق اتم‌های کربن تشکیل شده است. شکل1 را ملاحظه کنید. در شکل1 مولکول مذکور به دو الکترود از جنس طلا متصل شده است و در یک مدار الکتریکی قرار گرفته است.
شکل1- مولکول 2-آمینو-4- اتیلنیل فنیل -5- نیترو -1- بنزن تیولات (2-Amino -4- ethylenylphenyl -5- nitro -1- benzenethiplate)، یک مثال معروف است که ما در این قسمت به بررسی رفتار الکتریکی آن می‌پردازیم. این مولکول از 3 حلقه‌ی بنزن به هم پیوسته با پیوندهای سه‌گانه از طریق اتم‌های کربن تشکیل شده است.
شکل2 نمودار ولتاژ- جریان این مولکول را نشان می‌دهد. همان طور که در شکل2 ملاحظه می‌شود، با افزایش ولتاژ تا 6/1 ولت، جریان عبوری تقریبا صفر است. در ولتاژ 6/1 ولت جریان ناگهان شروع به افزایش می‌کند و این روند تا ولتاژ 1/2 ولت ادامه می‌یابد. در ولتاژ 1/2 ولت، جریان به صورت ناگهانی افت می‌کند و تقریبا صفر می‌شود.
شکل2- نمودار ولتاژ- جریان مولکول مذکور. با افزایش ولتاژ تا 6/1 ولت، جریان عبوری تقریبا صفر است. در ولتاژ 6/1 ولت جریان ناگهان شروع به افزایش می‌کند و این روند تا ولتاژ 1/2 ولت ادامه می‌یابد. در ولتاژ 1/2 ولت، جریان به صورت ناگهانی افت می‌کند و تقریبا صفر می‌شود.
خوب دقت کنید! این رفتار مشابه رفتار یک ترانزیستور سیلیکونی است. در ترانزیستورهای سیلیکونی نیز با افزایش ولتاژ پایانه‌ی گِیت و رسیدنِ آن به ولتاژِ آستانه، جریان الکتریکی بین دو سر ترانزیستور یعنی پایانه‌های سورس و دِرِین برقرار می‌شود (برای آشنایی با ساز و کار ترانزیستورهای MOS می‌توانید به مقالات سوم و چهارم مراجعه کنید). برقراری جریان به منزله‌ی یک (one) و عدم برقراری جریان به منزله‌ی صفر (zero) است. در مولکولِ مذکور ولتاژ آستانه مقدار 6/1 ولت است. با رسیدن ولتاژ دو سر مولکول به این مقدار، جریانی در مولکول برقرار می‌شود. این جریان را می‌توان به منزله‌ی یک (one) و عدم برقراری جریان را می‌توان به منزله‌ی صفر (zero) در نظر گرفت.
چالش‌های الکترونیک مولکولی
البته این رفتار در مولکول مذکور در دمای 60 کلوین مشاهده می‌شود، یعنی تقریبا 213- درجه‌ی سلسیوس و در دمای اتاق ظاهر نمی‌شود. همان طور که مشاهده می‌کنید این دما بسیار پایین و دسترسی به آن دشوار است. لذا استفاده از آن در شرایط دمای معمولی مستلزم توسعه‌ی بیشتر این دانش است. همچنین لازم به یادآوری است که نشان دادن این که یک مولکول می‌تواند جریان الکتریکی را هدایت کند و رسانایی و عدم رسانایی آن قابل کنترل است، برای توسعه‌ی دانش الکترونیک کفایت نمی‌کند. آن چه اکنون در اختیار داریم یک کلید مولکولی بسیار کوچک و در ابعاد چند نانومتر است که جریان الکتریکی عبوری از آن با استفاده از یک ولتاژ قابل کنترل است. مزیت اصلی آن نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی ابعاد کوچک‌ترِ آن است. لیکن توسعه‌ی رایانه‌ها و استفاده از الکترونیک مولکولی در صنایع الکترونیک و رایانه مستلزم اتصال این مولکول‌ها به یکدیگر و ساخت گِیت‌های منطقی است (برای آشنایی با نقش ترانزیستور و گِیت‌های منطقی در الکترونیک می‌توانید به مقالات 5ام و 6ام مراجعه کنید). همچنین روش‌های ساخت و تولید آن در مقیاس انبوه نیز چالشی است که باید قبل از توسعه‌ی الکترونیک مولکولی حل شود.
نتیجه
الکترونیک مولکولی یک ایده‌ی جالب و بسیار هیجان‌انگیز برای پشت سر گذاشتن محدودیت‌های نانوالکترونیک و نزدیک شدن به مقیاس بسیار کوچک مولکول‌ها است. تلاش برای رسیدن به سرعت بیشتر در پردازشگر مرکزی رایانه‌ها و نیز ساخت حافظه‌های بزرگ‌تر از یک سو و کشف رفتار شگفت‌انگیز مولکول‌ها از سوی دیگر، دانشمندان و غول‌های عظیم صنعت الکترونیک را ترغیب به پژوهش و توسعه در حوزه‌ی الکترونیک مولکولی می‌کند.
در مقاله‌ی نانوالکترونیک 20 به بررسی یک مثال دیگر از الکترونیک مولکولی می‌پردازیم و پس از معرفی مولکول مذکور، ساز و کار یک مدار منطقی ساده را نیز با استفاده از این مولکول نشان می‌دهیم.
