Наноелектроника се односи на употребу нанотехнологије у електронским компонентама. Термин обухвата разноврстан скуп уређаја и материјала, са заједничком карактеристиком да су толико мали да се међуатомске интеракције и квантномеханичка својства морају екстензивно проучавати. Неки од ових кандидата укључују: хибридну молекуларну/полупроводничку електронику, једнодимензионалне наноцеви/наножице (нпр. угљенична наноцев или силицијумске наножице) или напредну молекуларну електронику.
Наноелектронски уређаји имају критичне димензије са опсегом величине између 1 nm и 100 nm. Новије генерације силицијумске MOSFET (метал-оксид-полупроводнички транзистор са ефектом поља, или МОС транзистор) технологије су већ у овом режиму, укључујући 22-нанометарске CMOS (комплементарни МОС) чворове за производњу полупроводничких уређаја и наредне генерације од 14 nm, 10 nm и 7 nm FinFET (транзистор са ефектом поља са перајем). Наноелектроника се понекад сматра дисруптивном технологијом јер се садашњи кандидати значајно разликују од традиционалних транзистора.
Основни концепти Године 1965, Гордон Мур је приметио да се силицијумски транзистори континуирано смањују, запажање које је касније кодификовано као Муров закон. Од његовог запажања, минималне величине карактеристика транзистора су се смањиле са 10 микрометара на опсег од 10 nm почевши од 2019. године. Имајте на уму да технолошки чвор не представља директно минималну величину карактеристике. Област наноелектронике има за циљ да омогући континуирано остваривање овог закона коришћењем нових метода и материјала за изградњу електронских уређаја са величинама карактеристика на наноскали.
Механички проблеми Запремина објекта опада као трећи степен његових линеарних димензија, али се површина смањује само као његов други степен. Овај донекле суптилан и неизбежан принцип има значајне последице. На пример, снага бушилице (или било које друге машине) пропорционална је запремини, док је трење лежајева и зупчаника бушилице пропорционално њиховој површини. За бушилицу нормалне величине, снага уређаја је довољна да лако савлада свако трење. Међутим, смањење њене дужине за фактор од 1000, на пример, смањује њену снагу за 10003 (фактор од милијарду) док смањује трење за само 10002 (фактор од само милион). Пропорционално, има 1000 пута мање снаге по јединици трења од оригиналне бушилице. Ако је првобитни однос трења и снаге био, рецимо, 1%, то значи да ће мања бушилица имати 10 пута више трења него снаге; бушилица је бескорисна.
Из тог разлога, иако су супер-минијатурна електронска интегрисана кола потпуно функционална, иста технологија се не може користити за прављење функционалних механичких уређаја изван размера где силе трења почињу да премашују доступну снагу. Дакле, иако можете видети микрофотографије деликатно урезаних силицијумских зупчаника, такви уређаји су тренутно нешто више од куриозитета са ограниченим применама у стварном свету, на пример, у покретним огледалима и затварачима. Површински напон се повећава на сличан начин, чиме се повећава тенденција да се веома мали објекти лепе заједно. Ово би могло учинити било коју врсту „микро фабрике” непрактичном: чак и ако би се роботске руке и шаке могле смањити, све што покупе биће немогуће спустити. Уз све горе наведено, молекуларна еволуција је резултирала функционалним цилијама, флагелумима, мишићним влакнима и ротационим моторима у воденим срединама, све на наноскали. Ове машине искоришћавају повећане силе трења које се налазе на микро или наноскали. За разлику од весла или пропелера који се ослањају на нормалне силе трења (силе трења нормалне на површину) за постизање пропулзије, цилије развијају кретање из преувеличаног отпора или ламинарних сила (силе трења паралелне са површином) присутних на микро и нано димензијама. За изградњу смислених „машина” на наноскали, релевантне силе се морају узети у обзир. Суочени смо са развојем и дизајном интринзично релевантних машина пре него са једноставним репродукцијама макроскопских.
Сва питања скалирања стога морају бити темељно процењена приликом евалуације нанотехнологије за практичне примене.
Приступи
Нанофабрикација
На пример, електронски транзистори, који укључују рад транзистора на бази једног електрона. Наноелектромеханички системи такође спадају у ову категорију. Нанофабрикација се може користити за конструисање ултрагустих паралелних низова наножица, као алтернатива појединачној синтези наножица. Одавде посебно истакнуте у овој области, силицијумске наножице се све више проучавају у правцу различитих примена у наноелектроници, конверзији и складиштењу енергије. Такве SiNW се могу произвести термалном оксидацијом у великим количинама како би се добиле наножице са контролисаном дебљином.
Електроника наноматеријала Осим што су мале и омогућавају паковање више транзистора у један чип, уједначена и симетрична структура наножица и/или наноцеви омогућава већу мобилност електрона (брже кретање електрона у материјалу), већу диелектричну константу (бржа фреквенција) и симетричну карактеристику електрон/шупљина.
Такође, наночестице се могу користити као квантне тачке.
Молекуларна електроника
Електронски уређаји са једним молекулом се екстензивно истражују. Ове шеме би у великој мери користиле молекуларно самосастављање, дизајнирајући компоненте уређаја да саме конструишу већу структуру или чак комплетан систем. Ово може бити веома корисно за реконфигурабилно рачунарство, а може чак и потпуно заменити тренутну FPGA технологију.
Молекуларна електроника је технологија у развоју која доноси наду за будуће електронске системе у атомској размери. Обећавајућу примену молекуларне електронике предложили су истраживач IBM-а Ари Авирам и теоријски хемичар Марк Ратнер у својим радовима из 1974. и 1988. године Молекули за меморију, логику и амплификацију (види унимолекуларни исправљач - unimolecular rectifier).
Многе структуре наножица проучаване су као кандидати за међусобно повезивање наноелектронских уређаја: наноцеви од угљеника и других материјала, ланци атома метала, кумулен или полиин ланци атома угљеника, и многи полимери као што су политиофени.
Остали приступи Нанојоника проучава транспорт јона уместо електрона у системима на наноскали.
Нанофотоника проучава понашање светлости на наноскали и има за циљ развој уређаја који искоришћавају ово понашање.
Наноелектронски уређаји Тренутни производни процеси високе технологије заснивају се на традиционалним стратегијама одозго надоле (top down), где је нанотехнологија већ тихо уведена. Критична скала дужине интегрисаних кола је већ на наноскали (50 nm и испод) у погледу дужине гејта транзистора у CPU или DRAM уређајима.
Рачунари мини|десно|500px|Резултат симулације за формирање инверзионог канала (густина електрона) и достизање прага напона (IV) у наножичном MOSFET-у. Имајте на уму да је праг напона за овај уређај око 0,45 V.
Наноелектроника обећава да ће рачунарске процесоре учинити моћнијим него што је то могуће са конвенционалним техникама производње полупроводника. Тренутно се истражује низ приступа, укључујући нове облике нанолитографије, као и употребу наноматеријала као што су наножице или мали молекули уместо традиционалних CMOS компоненти. Транзистори са ефектом поља су направљени коришћењем полупроводничких угљеничних наноцеви и са хетероструктурираним полупроводничким силицијумским наножицама (SiNW).
Складиштење меморије Дизајни електронске меморије у прошлости су се углавном ослањали на формирање транзистора. Међутим, истраживања електронике засноване на crossbar прекидачима понудила су алтернативу користећи реконфигурабилне интерконекције између вертикалних и хоризонталних низова жица како би се створиле меморије ултра високе густине. Два лидера у овој области су компанија Nantero која је развила crossbar меморију засновану на угљеничним наноцевима названу Nano-RAM и Hewlett-Packard који је предложио употребу мемристорског материјала као будућу замену за флеш меморију.
Пример оваквих нових уређаја заснива се на спинтроници. Зависност отпора материјала (услед спина електрона) од спољашњег поља назива се магнетоотпорност. Овај ефекат се може значајно појачати (GMR - џиновска магнетоотпорност) за објекте нано величине, на пример када су два феромагнетна слоја одвојена немагнетним слојем, који је дебео неколико нанометара (нпр. Co-Cu-Co). GMR ефекат је довео до снажног повећања густине складиштења података на чврстим дисковима и омогућио гигабајтни опсег. Тунелска магнетоотпорност (TMR) је веома слична GMR-у и заснива се на тунеловању електрона зависном од спина кроз суседне феромагнетне слојеве. И GMR и TMR ефекти се могу користити за креирање неволатилне главне меморије за рачунаре, као што је магнетна меморија са случајним приступом или MRAM.
Нови оптоелектронски уређаји У модерној комуникационој технологији традиционални аналогни електрични уређаји се све више замењују оптичким или оптоелектронским уређајима због њиховог огромног пропусног опсега и капацитета. Два обећавајућа примера су фотонски кристали и квантне тачке. Фотонски кристали су материјали са периодичном варијацијом индекса преламања са константом решетке која је половина таласне дужине коришћене светлости. Они нуде изборни појасни размак за пропагацију одређене таласне дужине, тако да личе на полупроводник, али за светлост или фотоне уместо за електроне. Квантне тачке су објекти наноразмере, који се могу користити, између осталог, за конструкцију ласера. Предност ласера са квантним тачкама над традиционалним полупроводничким ласером је у томе што њихова емитована таласна дужина зависи од пречника тачке. Ласери са квантним тачкама су јефтинији и нуде већи квалитет зрака од конвенционалних ласерских диода.
мини|лево|Нанозупчаници од фулерена
Екрани Производња екрана са ниском потрошњом енергије могла би се остварити коришћењем угљеничних наноцеви (CNT) и/или силицијумских наножица. Такве наноструктуре су електрично проводљиве и због свог малог пречника од неколико нанометара могу се користити као емитери поља са изузетно високом ефикасношћу за екране са емисијом поља (FED). Принцип рада подсећа на катодну цев, али у много мањој размери.
Квантни рачунари
Потпуно нови приступи за рачунарство искоришћавају законе квантне механике за нове квантне рачунаре, који омогућавају употребу брзих квантних алгоритама. Квантни рачунар има меморијски простор квантних битова назван „кјубит” за неколико израчунавања у исто време. У наноелектронским уређајима, кјубит је кодиран квантним стањем спина једног или више електрона. Спин је ограничен или полупроводничком квантном тачком или допантом.
Радио-уређаји Нанорадији су развијени и структурирани око угљеничних наноцеви.
Производња енергије У току су истраживања за коришћење наножица и других наноструктурираних материјала са надом да ће се створити јефтиније и ефикасније соларне ћелије него што је то могуће са конвенционалним планарним силицијумским соларним ћелијама. Верује се да би проналазак ефикасније соларне енергије имао велики утицај на задовољавање глобалних енергетских потреба.