دانلود مقاله نانوتکنولوژی

نانو تکنولوژی علم خواص عجیب مواد

از نانوتکنولوژی، بیوتکنولوژی و فناوری اطلاع رسانی به عنوان سه قلمرو علمی نام می برند که انقلاب سوم صنعتی را شکل می دهد. از همین روست که کشورهای در حال توسعه که اغلب از دو انقلاب قبل جا مانده اند، می کوشند با سرمایه گذاری در این سه قلمرو، عقب ماندگی خود را جبران کنند. همان گونه که در این گزارش می خوانید، نانوتکنولوژی کاربردهای گسترده ای در تمام حیطه های زندگی دارد و از این رو توسعه آن می تواند به بهبود و تسهیل زندگی کمک فراوان کند.

اتم سنگ بنای بنیادی ماده است و در نتیجه اتم ها بسیار کوچک هستند. توصیف و تصور جهان در سطح اتم و ملکول دشوار است. این حیطه از علم به قدری عجیب است که بخشی خاص از فیزیک به آن اختصاص یافته شده که مکانیک کوانتم نام دارد. هدف این علم برای توصیف رخدادها در سطح اتم است.اگر قرار بود توپ تنیس را به طرف دیوار پرتاب کنید و توپ از آن بگذرد و به سوی دیگر دیوار برود، حتماً تعجب می کردید. اما این دقیقاً همان اتفاقی است که در مقیاس کوانتم رخ می دهد. در مقیاس بسیار کوچک، خواص ماده مانند رنگ، مغناطیس و توانایی انتقال برق نیز به شکل غیرمنتظره تغییر می کند. دیدن جهان اتم به معنای عادی کلمه میسر نیست، چون خواص آن کوچکتر از طول موج نور قابل دیدن است. اما در سال 1981 پژوهشگران شرکت آی بی ام نوعی میکروسکوپ ساختند که نام آن STM بود. اسم این میکروسکوپ در واقع از یک خاصیت در مکانیک کوانتم گرفته شده بود که در میکروسکوپ یاد شده به کار می رود. این دستگاه می توانست پستی و بلندی های در مقایس جهان نانو را نشان دهد. میکروسکوپ STM این امکان را به دانشمندان داد که برای اولین بار اتم ها و ملکول ها را ببینند. تصاویر این میکروسکوپ به زیبایی و وضوح تصاویر طبیعت اما در مقیاس تصورناپذیر نانومتر بود.

یک نانومتر یک میلیاردیم متر یا حدوداً به طول 10 اتم هیدروژن است. با وجودی که دانشمندان از سال های دهه 1950 درباره بررسی مواد در این مقیاس تلاش کرده بودند، آنان ناچار شدند تا اختراع میکروسکوپ STM صبر کنند تا به هدف خود برسند.

عموماً در این باره توافق وجود دارد که نانوتکنولوژی اشیاء بین یک تا 100 نانومتر را در بر می گیرد، هر چند که این تعریف تا حدی قراردادی است. برخی افراد اجسامی به کوچکی یک دهم نانومتر را نیز در نظر می گیرند که به اندازه پیوند بین دو اتم کربن است. در دیگر سوی این گستره در اجسام بزرگتر از 50 نانومتر قوانین فیزیک کلاسیک صدق می کند.

مواد بسیاری هستند که دارای خواص اجسام در مقیاس نانو هستند اما اسم نانوتکنولوژی به آنها اطلاق نمی شود. نانوتکنولوژی در پی آن است تا از خواص عجیب اجسام در مقیاس بسیار کوچک استفاده کند.

جورج اسمیت سرپرست بخش علم مواد در دانشگاه آکسفورد گفت در مقیاس نانو، خواص «جدید، هیجان انگیز و متفاوتی» یافت می شود. با کوچک تر شدن اجسام، نسبت بین فضای سطح و حجم آن افزایش می یابد. این امر بدان علت مهم است که اتم های موجود در سطح یک ماده معمولاً بیشتر از اتم های مرکز آن واکنش نشان می دهند. از این رو، اگر نقره به ذرات بسیار کوچک تبدیل شود، خواص ضدمیکروبی پیدا می کند که در حجم انبوه آن وجود ندارد. یک شرکت با تولید ذرات ریز از ترکیب اکسید سدیم از این خاصیت استفاده می کند و ماده ای تولید می کند که خاصیت کاتالیزوری آن بیشتر است.

در این جهان نادیدنی، ذرات کوچک طلا در دمای چند صد درجه پایین تر ذوب می شود و مس که معمولاً رسانای خوب الکتریسیته است، ممکن است در لایه های نازک و در مجاورت میدان مغناطیسی مقاوم شود.

الکترون ها (مانند همان توپ تنیس خیالی) می توانند از نقطه ای به نقطه دیگر بجهند و ملکول ها می توانند همدیگر را از مسافت های متوسط جذب کنند. این خاصیت به برخی حشرات اجازه می دهد روی سقف راه بروند، چون موهای ریز کف پایشان به سقف می چسبد.

اما یافتن خواص جدید در مقیاس نانو گام نخست است. گام بعدی استفاده از این دانش است. توانایی ساخت اجسام با دقت اتمی این امکان را به دانشمندان می دهد که موادی با خواص بهتر یا جدید نوری، مغناطیسی، حرارتی یا الکتریک تولید کنند.

اکنون انواع جدیدی از ماده تولید می شود. مثلاً شرکت نانوسونیک در ویرجینیا لاستیک فلزی تولید کرده است. این ماده مانند لاستیک انعطاف و انحنا می پذیرد اما الکتریسیته را مانند فلزی محکم منتقل می کند. مرکز تحقیقاتی جنرال الکتریک در پی ساخت سرامیک انعطاف پذیر است. در صورت موفقیت، از این ماده می توان در ساخت قطعات موتور جت استفاده کرد و موتورهایی ساخت که در دمای بیشتر با کارایی بهتری کار کند. چندین شرکت مشغول کار روی موادی هستند که روزی به صورت رنگ به سلول های خورشیدی بدل خواهد شد.

از آنجایی که نانوتکنولوژی کاربردهای گسترده ای دارد، بسیاری از افراد فکر می کنند این علم اهمیتی به مانند برق یا پلاستیک پیدا کند. مطالعات نشان می دهد نانو تکنولوژی با بهبود مواد و محصولات و تولید مواد کاملاً جدید بر تمام صنایع تأثیر خواهد گذاشت. افزون براین، فعالیت در حد کوچکترین مقیاس ها به پیشرفت های مهم در عرصه هایی مانند الکترونیک، انرژی و پزشکی زیستی خواهد انجامید.

آغاز نانوتکنولوژی

نانو تکنولوژی از یک رشته علمی خاص مشتق نمی شود. با وجودی که نانو تکنولوژی بیشترین وجه مشترک را با علم مواد دارد، خواص اتم و ملکول شالوده بسیاری از علوم است و در نتیجه دانشمندان حوزه های علمی به آن جذب می شوند. برآورد می شود در سراسر جهان حدود 000/20 نفر در نانو تکنولوژی کار می کنند. تحقیقات در مقیاس بسیار ریز در رشته های الکترونیک، نوروبیوتکنولوژی به ترتیب نانوالکترونیک، نانو اپتیکس و نانو بیوتکنولوژی نیز نامیده می شود.

پیشوند نانو از کلمه یونانی به معنای کوتوله مشتق می شود. براساس برآورد شرکت لاکس ریسرچ در نیوریورک، بودجه کل تحقیق و توسعه نانو تکنولوژی دولت ها و شرکت ها در سراسر جهان در سال 2004 بیش از 6/8میلیارد دلار بود. نیمی از این بودجه از جانب دولت ها تأمین می شد. اما به پیش بینی لاکس ریسرچ در سال های آینده، شرکت ها احتمالاً بودجه بیشتری از دولت ها صرف این علم خواهند کرد.

در آمریکا، پس از طرح فرستادن انسان به کره ماه، نانو تکنولوژی بیشترین بودجه را از دولت فدرال دریافت کرده است. در سال ،2004 دولت آمریکا 6/1میلیارد دلار صرف نانو تکنولوژی کرد، یعنی دو برابر بودجه طرح ژنوم انسان در اوج انجام آن. در سال 2005 قرار است 982میلیون دلار دیگر صرف آن شود. در مکان دوم بودجه نانو تکنولوژی ژاپن قرار دارد. بسیاری از کشورهای در حال توسعه مانند هند، چین، آفریقای جنوبی و برزیل جزو کشورهایی هستند که بیشترین بودجه را در این زمینه صرف می کنند.

در خلال شش سال پیش از ،2003 سرمایه گذاری در نانو تکنولوژی توسط سازمان های دولتی هفت برابر شده است. این حجم سرمایه گذاری انتظارات را به اندازه ای افزایش داده است که شاید قابل تحقق نباشد. برخی معتقدند شرکت های نانو تکنولوژی مانند حباب شرکت های اینترنت در سال های اخیر از بین خواهند رفت. اما دلایلی وجود دارد که نشان می دهد درباره مخاطرات آن گزافه گویی شده است. سرمایه گذاران خصوصی اکنون بسیار محتاط تر از دوره رونق شرکت های اینترنت هستند و بیشتر پولی که دولت ها در این زمینه اختصاص می دهند، صرف علوم پایه و فناوری هایی می شود که تا سال ها در اختیار همگان قرار نخواهد گرفت.

با این حال کیفیت برخی محصولات موجود با کاربرد نانو تکنولوژی بهبود یافته است و در چند سال آینده بر تعداد آنها افزوده خواهد شد. مثلاً با افزودن ذرات ریز نقره، بانداژ ضد سوختگی خاصیت ضد میکروبی پیدا کرده است. با اتصال ملکول های ایجاد کننده مانع به فیبر پنبه، پارچه هایی تولید شده است که ضد لکه و بو است. راکت های تنیس با افزودن ذرات ریز تقویت شده است. در درازمدت نانو تکنولوژی به نوآوری های بزرگتری خواهد انجامید، از جمله انواع جدید حافظه کامپیوتر، فناوری پزشکی و روش های تولید انرژی بهتر مانند سلول های خورشیدی.

طرفداران این فناوری می گویند نانو تکنولوژی به تولید انرژی پاک و تولید بدون مواد زائد و غیره خواهد انجامید. مخالفان آن معتقدند نانوتکنولوژی باعث ایجاد نوعی نظام شناسایی بین المللی و آسیب به فقرا، محیط زیست و سلامت انسان خواهد شد. به نظر می رسد هر دو گروه در مورد استدلال های خود گزافه گویی می کنند، اما به هرحال باید از نانو تکنولوژی استقبال کرد.

نانوتکنولوژی در صنایع نیمه‌هادی

صنایع نیمه‌هادی در سیر تکامل خود در حال رسیدن به نقط‌های است که توانایی آن برای تولید نقاط کوچکتر با مشکلاتی جدی همچون اثرات کوانتومی و نوسانات سطوح اتمی روبرو خواهد شد. 

مشکلات دیگر در راه پیشرفت عبارتند از مصرف بالا، اتلاف حرارت و هزینه بسیار بالای ساخت. این مسائل در آینده مانعی سخت برای تولید نیمه‌هادی‌های کارآمد خواهد بود. به گفته ، نانوتکنولوژی به ادامه پیشرفت و تولید کمک خواهد کرد و همچنین فناوری‌های جدید را قادر خواهد ساخت تا گوی سبقت را در جلب رضایت بازار از بربایند.غول‌های بزرگ صنعتی همچون فری‌اسکیل ‌، آی‌بی‌اِم، اینفینئون و اینتل پشتوانه مهمی برای نانوحافظه‌ها به حساب می‌آیند. 

یک گزارش جدید از بیانگر این مطلب است که همان‌طورکه روش‌های کنونی لیتوگرافی به پایان راه خود رسیده‌اند، ابزار‌هایی که برای توسعه، تولید و آزمایش به کار می‌روند، نیز باید بر پایه نانوتکنولوژی طرح‌ریزی گردند. پرتوافکن مستقیم الکترونیکی که در تولید Aبه کار می‌رود، نمونه‌های از ابزاری است که به کمک نانوتکنولوژی بوجود آمده‌است. اما نانومارکتز معتقد است که کاربرد واقعی نانوتکنولوژی در تولید محصولات جدید، با توجه به خصوصیات مواد مقیاس نانو می‌باشد. بخش‌هایی از صنعت نیمه‌هادی که بیشترین تأثیر نانوتکنولوژی در آنها دیده می‌شود خارج از مقوله قرار دارند. به گفته نانومارکتز این موضوع در موارد زیر به وضوح دیده می‌شود: 

حافظه غیرفرار: حافظه غیرفرار یکی از عوامل تقویت محاسبات سیار است. اما با توجه به اینکه حجم و سرعت فناوری محدود می‌باشد، حافظه‌های جدید که در طراحی آنها از نانوتکنولوژی بهره گرفته شده است، کارایی بهتری را از خود نشان داده‌اند. وM نمونه‌هایی از این نوع حافظه‌ها هستند. 

الکترونیک پلیمری: سونی، زیراکس و سایرین آماده‌اند که محصولات الکترونیک لایه نازک را وارد بازار کنند. الکترونیک پلیمری، برخلاف ، از خصوصیات حرارتی بسیار خوبی برخوردار است و هزینه‌ تولید در حجم کم را پایین می‌آورد. این خصوصیات امکان تولید محصولات جدیدی را به وجود می‌آورد. در سال 2006 نمایشگر‌های بزرگ رولی و همچنین برچسب‌های با قیمت پایین تولید خواهد شد که امکان استفاده از آنها برای اجناس یک‌بار‌مصرف فراهم خواهد شد. 

o نانوحسگر: نانوحسگرها نسبت به رقبای خود از آستانه تشخیص بسیار پایین‌تری برخوردارند. آنها قادرند در زمینه کشف امراض بیولوژیک نقش مهمی را ایفا کنند. به گونه‌ای که در مورد اعلام وجود سرطان، از سرعت بسیار زیادی برخوردارند. 

گزارش بیانگر این مطلب است که نانوتکنولوژی به‌زودی می‌تواند در مدیریت حرارتی و اتصالات داخلی پر‌سرعت، به میزان قابل‌توجهی کمک نماید. در زمینه اتصالات داخلی پرسرعت می‌توان از نانولوله‌ها استفاده نمود زیرا توانایی آنها در انتقال جریان از مس خیلی بیشتر است و می‌توان آنها را به روش‌های قابل انطباق با ها رشد داد (اینفینئون در سال 2002 این قابلیت را نشان داد). از نانولوله‌ها می‌توان خنک‌کننده‌های بسیار خوبی برای رفع مشکلات حرارتی ساخت (همانند قطعاتی که اینتل از سال 2002 به بعد به کارشان گرفت) و یا می‌توان با ایجاد جرقه بین آنها جریانی از هوای خنک تولید نمود. 

از این گزارش چنین نتیجه گرفته می‌شود که فرصت‌های قابل توجهی در نانوالکترونیک وجود دارد. به‌گونه‌ای که در سال 2006 نانوحافظه‌ها به تنهایی 1/3 میلیارد دلار سودآوری خواهند داشت. همان‌گونه که در بالا توضیح داده‌شد، این امر هم‌اکنون در قالب روش‌های جدید برای تکمیل ها آغاز شده‌است. این گزارش نشان می‌دهد که سازندگان نیمه‌هادی‌ها از هم‌اکنون باید به فکر طرح ریزی برای به‌کارگرفتن نانوتکنولوژی در تولیدات خود باشند. در غیر این‌صورت باید از دست دادن تولیدات بزرگ آینده را بپذیرند، که البته پذیرفتن این ریسک بسیار دور از ذهن به‌نظر می‌رسد.

نانو فیزیک

اصولاً اتصالات نیم رسانا - فلز جزو لازمه تمامی قطعات الکترونیکی اند. چگونگی و رفتار اتصالات الکتریکی به غلظت سطح نیم رسانا (Si) ، تمیزی سطح و واکنش های بین فصل مشترک فلز - نیم رسانا بستگی دارد. بعد از ابداع ترانزیستور توسط جان باردین ، مفهوم و اهمیت مدارهای مجتمع روشن شد.

پس از آن موفقیت بزرگ تجمع و اتصال تعداد بسیار زیادی از قطعات کوچک و اجزای الکترونیکی بر سطح زیر لایه تحول عظیمی در ساخت عملی مدارهای مجتمع بوجود آورد. با ابداع و رشد فناوری مینیاتور کردن قطعات الکترونیکی بشر به یکی از مهمترین دستاوردهای خود در قرن گذشته نائل آمد.

● سیر تکاملی و رشد:

با گسترش ، طراحی و ساخت مدارهای مجتمع به ویژه افزایش انباشت قطعات در مقیاس خیلی بزرگ در دهه ۱۹۸۰ تلاش برای کوچکتر کردن قطعات میکرو الکترونیکی ادامه یافت. از طرف دیگر تقاضای جدید برای ساخت مدارهای مجتمع به ویژه مدارهای حافظه شامل حافظه دینامیکی و حافظه استاتیکی با ویژگی هایی نظیر سرعت عمل بالا توأم با کاهش اتلاف توان روزبه روز بیشتر شد.

در روند تکاملی فناوری فرامینیاتور کردن قطعات الکترونیکی بویژه در هندسه و مقیاس زیر میکرونی کمتر از ۰.۲ میکرو متر یعنی حوزه فناوری طراحی قطعات نانو الکترونی و فناوری ساخت مدارهای مجتمع از پیچیدگی خاصی برخوردار است.

بطور متوسط در هر شش سال ابعاد و اندازه قطعات الکترونیکی به نصف تقلیل یافته است.

امروزه با استفاده از مزیت های مجتمع سازی کوچکی قطعات ، بطور مشخص فناوری نانو الکترونیک ساختار این گونه مدارهای مجتمع گسترده تر و پیچیده تر است. بطوری که این مدارها از ده ها میلیون ترانزیستور ، دیود ، مقاومت الکتریکی و خازن تشکیل شده است.

عرض خطوط اتصالات بین قطعات مختلف در سال ۲۰۰۰ میلادی ۰.۱۸ میکرومتر بود، که کاهش آن همچنان ادامه دارد. در راستای پیشرفت این فناوری ، در همین سال مجموع فروش مدارهای مجتمع در دنیا حدود ۱۵۰ میلیارد دلار بر آورد شده است. به این دلیل پیچیدگی و ویژگیهای خاص مدارهای مجتمع با ساختار نانومتری بکار گیری مواد جدید و ‏فرآیند های بهتر تولید و همچنین استفاده روشهای دقیقتر ساخت.