Anasayfa
Nanoelektronik Nedir
Nanoelektronik, nanoteknolojinin elektronik alanındaki uygulamalarına verilen genel isim. Hemen belirtmek gerekir ki, nanoteknoloji, tekniğin100 nanometrenin (nm: metrenin milyarda biri) altındaki uygulamalarına verilen bir isim olmakla birlikte, günümüzde bu boyutlarda üretilen Pentium 4 (65nm) gibi işlemci tümleşik devreleri ya da TSMC-CMOS90 (90 nm) gibi transistörler birer nanoelektronik ürünü sayılmıyor.
Nanoelektronik ağırlıklı olarak nano ölçekte atomlar arası etkileşimin ve kuantum mekaniksel özelliklerin etkin olduğu aygıtlarla ilgileniyor. Bu nedenle nanoelektronik bir “yıkıcı teknoloji” (disruptive technology) alanı. Diğer bir deyişle nanoelektronik, geleneksel tasarım, üretim ve malzeme teknolojilerinden tamamen farklı ve yaygın ticari uygulamalara başlanmasıyla bu geleneksel teknolojileri değersiz kılacak yepyeni bir alan.
Teknoport TeknoBültenNanoelektronik teknolojisi ile sağlanacak faydalardan en büyüğü çok yüksek hızda çok daha az enerji tüketerek çalışacak mikroçiplerin geliştirilmesi olacak. Daha da ötesi nanoelektronik teknolojisi ile 1 bit üzerinde tersinemez işlem için gereken enerjinin teorik limitlerinde (1 bit için 10-21 Joule) çalışan mikroçiplerin yapılması mümkün hale gelecek. Karşılaştırmalı bir örnek vermek gerekirse; günümüzde bir 2,8 MHz’de normal koşullar altında çalışan bir Pentium 4 işlemcisi yaklaşık 70 W termal güç harcıyor. Eğer bu işlemciyi teorik termodinamik limitlerinde çalıştırabiliyor olsaydık harcanacak güç 100 mikrowatt civarında olacaktı. Bu da yaklaşık 1 milyon kat daha düşük güç harcaması anlamına geliyor. Bu aynı zamanda çok yüksek işlem gücüne sahip mikroçiplerin makul güç harcama sınırları içinde üretilebiliyor olması da demek. Örneğin cep telefonlarındaki işlemciler çok az güç harcıyor. Aynı düzeyde güç harcamasına sahip ancak nanoelektronik teknolojisiyle üretilmiş bir mikroçip, günümüzün süper bilgisayarları düzeyinde bir işlem gücünü cep telefonu boyutuna sıkıştırabilmemizi sağlayacak.
Teknoport TeknoBültenGünümüzde nanoelektronikle ilgili çalışmaların en yoğun olduğu alan nanoüretim. Nanoüretimin temel çalışma konusu ise nanodevreler ve bu kapsamda nanotransistörler, arabağlantılar ve devre yapıları. Nanotransistörler geleneksel yarıiletken transistör teknolojisinin yerini alacak. Aday teknolojiler arasında hibrid moleküler/yarıiletken elektroniği, tek boyutlu nanotüpler/nanoteller ya da ileri moleküler elektronik sayılabilir. Nanotüpler arasındaki bağlantı için de tek bir organik molekülün kullanılabileceği gösterildi. Böylece metal bağlantı kullanmayan, dolayısı ile kimyasal olarak üretimi çok daha kolay olan nanotransistörler yapılabilecek. Arabağlantılarda yine nanotüplerden yapılan nanoteller kullanılacak. Devre yapıları açısından en önemli problem, bu boyutta üretilen ve milyarlarca transistörden oluşan mantık devrelerine sahip bir mikroçipte ortaya çıkan üretim hatalarının nasıl tolere edileceği. Bunun için aynı anda uygulanacak iki yaklaşım öngörülüyor. Birincisi mikroçipi gerekenden fazla sayıda mantık kapısıyla ve üretim sonrası yeniden düzenlenebilen arabağlantı mimarisiyle üretmek. ikincisi ise nanoelektronik dışında da çalışılan bir konu: “hata dayanımlı” hesaplama devrelerinin ve algoritmalarının geliştirilmesi.
Teknoport TeknoBültenNano Elektromekanik Sistemler (NEMS) ve nanosensörler nanoüretim ile ilgili diğer önemli çalışma alanları. Nanoteknolojinin tüm dalları ve nanomekanik disiplini ile yakından ilgili olan NEMS, MEMS (Micro Electromechanical Systems) teknoloji ile sağlanan, çok küçük boyutlarda konum ve güç ölçüm gibi yeteneklerini nano ölçeğe taşıyacak. Nanosensörlerin en önemli amacı ise nano ölçekte gerçekleşen olaylara ilişkin bilginin makro ölçeğe taşınması için aracılık yapmak. Gerçekleştirilen çalışmalardan birinde, bir nanotüpün titreşim frekansı, nanotüpün ucunda bir parçacık varken ve yokken ölçülüyor. Böylece bu parçacığın kütlesi hesaplanabiliyor. Belirli bir dalga boyunda ışığa, belirli bir moleküle ya da canlı hücreye tepki veren nanosensörlerin geliştirilebileceği gösterilmiş durumda.
Teknoport TeknoBültenNEMS ve nanosensörler çok farklı üretim tekniklerinin geliştirilmesine ihtiyaç duyuyor. Bunlarda biri yukarıdan aşağıya sıralı üretim yaklaşımı. Buna göre milimetre boyutlarındaki bir üretim hattı mikrometre boyutlarında bir üretim hattını kurar ve o da nanometre boyutlarındaki aygıtları üretir. Diğer bir yaklaşım ise aşağıdan yukarı üretim yaklaşımı. Buna göre ise atomlar ya da moleküller, istenen işlevselliğe sahip aygıt oluşturulana kadar tek tek bir araya getirilir. Kendi kendine moleküler montaj ya da canlı organizmalar taklit eden biyo-taklit yöntemleri bu amaçla kullanılması öngörülen yöntemler. Bu arada yarıiletken üretiminde kullanılan optik litografi (fotolitografi) tekniğinin 100 nm altı ölçekte uygulanabilecek biçimleri çeşitli nanolitografi teknikleri olarak geliştirilmeye ve kullanılmaya devam ediliyor. Bunlardan X-ışını litografisi ile 15 nm hassasiyete kadar inilmiş durumda.
Teknoport TeknoBültenNanoelektroniğin özel bir çalışma alanı olan moleküler elektronikten (molektronik ya da moletronik olarak kısaltılıyor) ayrıca bahsedilmesinde yarar var. Moleküler elektronik, fizik, kimya ve malzeme bilimlerini kapsayan disiplinler arası bir alan. Ana hedefi elektronik devrelerin üretiminde moleküler yapı taşlarının kullanımı olan moleküler elektronik iki alt disiplin altında çalışılıyor. Bunlardan ilki olan “elektronik için moleküler malzemeler” alanı, malzemenin esas özelliklerini etkilemek için moleküllerin özelliklerinin kullanılması yöntemleri üzerinde çalışıyor. Diğer alan olan “moleküler ölçek elektroniği” ise tek moleküllü uygulamalarla ilgileniyor. Moleküler elektroniğin önemli çalışma konuları arasında, organik kristaller, metaller ve yarıiletkenler arasında bir malzeme olan (yarımetal) grafitin tek atom kalınlığındaki türü olan grafenler, moleküler teller, moleküler elektronikte anahtarlama elemanı olarak kullanılabilecek moleküler mantık kapıları ya da moleküler makinalar (moleculator olarak da adlandırılıyorlar) sayılabilir.
Teknoport TeknoBültenNanoelektronikle yakından ilgili diğer önemli teknoloji alanları nanoiyonik, nanofotonik ve nanomekanik. Nanoiyonik, nano ölçekteki yarı iletken sistemlerde elektron yerine “hızlı iyon taşınması” (FIT) olayını inceliyor. Günümüzde lityum bataryalar ya da yakıt pilleri gibi alanlarda uygulamaları mevcut. Nanoiyonik bellekler ise gelişen elektronik araştırma alanı olarak gösteriliyor. Nanoelektronik ve nanoiyonik alanlarının etkileşim bölgesine nanoelionik adı da veriliyor. Nanofotonik ise ışığın nano ölçekteki davranışlarını, bu ölçekte ışık üretim ve kontrolu konularını inceliyor. Nanomekanik alanı malzemelerin nano ölçekteki sıcaklık, esneklik ve hareket gibi fiziksel özelliklerini inceliyor. Nanomalzemeler, nanoakışkanlar, nanotriboloji (malzemelerin nano ölçekteki sürtünme, yırtılma ve temas özellikleri) nanomekaniğin oturmuş alt alanları.
Nanoelektronik, nanoteknolojinin elektronik alanındaki uygulamalarına verilen genel isim. Hemen belirtmek gerekir ki, nanoteknoloji, tekniğin100 nanometrenin (nm: metrenin milyarda biri) altındaki uygulamalarına verilen bir isim olmakla birlikte, günümüzde bu boyutlarda üretilen Pentium 4 (65nm) gibi işlemci tümleşik devreleri ya da TSMC-CMOS90 (90 nm) gibi transistörler birer nanoelektronik ürünü sayılmıyor.
Nanoelektronik ağırlıklı olarak nano ölçekte atomlar arası etkileşimin ve kuantum mekaniksel özelliklerin etkin olduğu aygıtlarla ilgileniyor. Bu nedenle nanoelektronik bir “yıkıcı teknoloji” (disruptive technology) alanı. Diğer bir deyişle nanoelektronik, geleneksel tasarım, üretim ve malzeme teknolojilerinden tamamen farklı ve yaygın ticari uygulamalara başlanmasıyla bu geleneksel teknolojileri değersiz kılacak yepyeni bir alan.
Teknoport TeknoBültenNanoelektronik teknolojisi ile sağlanacak faydalardan en büyüğü çok yüksek hızda çok daha az enerji tüketerek çalışacak mikroçiplerin geliştirilmesi olacak. Daha da ötesi nanoelektronik teknolojisi ile 1 bit üzerinde tersinemez işlem için gereken enerjinin teorik limitlerinde (1 bit için 10-21 Joule) çalışan mikroçiplerin yapılması mümkün hale gelecek. Karşılaştırmalı bir örnek vermek gerekirse; günümüzde bir 2,8 MHz’de normal koşullar altında çalışan bir Pentium 4 işlemcisi yaklaşık 70 W termal güç harcıyor. Eğer bu işlemciyi teorik termodinamik limitlerinde çalıştırabiliyor olsaydık harcanacak güç 100 mikrowatt civarında olacaktı. Bu da yaklaşık 1 milyon kat daha düşük güç harcaması anlamına geliyor. Bu aynı zamanda çok yüksek işlem gücüne sahip mikroçiplerin makul güç harcama sınırları içinde üretilebiliyor olması da demek. Örneğin cep telefonlarındaki işlemciler çok az güç harcıyor. Aynı düzeyde güç harcamasına sahip ancak nanoelektronik teknolojisiyle üretilmiş bir mikroçip, günümüzün süper bilgisayarları düzeyinde bir işlem gücünü cep telefonu boyutuna sıkıştırabilmemizi sağlayacak.
Teknoport TeknoBültenGünümüzde nanoelektronikle ilgili çalışmaların en yoğun olduğu alan nanoüretim. Nanoüretimin temel çalışma konusu ise nanodevreler ve bu kapsamda nanotransistörler, arabağlantılar ve devre yapıları. Nanotransistörler geleneksel yarıiletken transistör teknolojisinin yerini alacak. Aday teknolojiler arasında hibrid moleküler/yarıiletken elektroniği, tek boyutlu nanotüpler/nanoteller ya da ileri moleküler elektronik sayılabilir. Nanotüpler arasındaki bağlantı için de tek bir organik molekülün kullanılabileceği gösterildi. Böylece metal bağlantı kullanmayan, dolayısı ile kimyasal olarak üretimi çok daha kolay olan nanotransistörler yapılabilecek. Arabağlantılarda yine nanotüplerden yapılan nanoteller kullanılacak. Devre yapıları açısından en önemli problem, bu boyutta üretilen ve milyarlarca transistörden oluşan mantık devrelerine sahip bir mikroçipte ortaya çıkan üretim hatalarının nasıl tolere edileceği. Bunun için aynı anda uygulanacak iki yaklaşım öngörülüyor. Birincisi mikroçipi gerekenden fazla sayıda mantık kapısıyla ve üretim sonrası yeniden düzenlenebilen arabağlantı mimarisiyle üretmek. ikincisi ise nanoelektronik dışında da çalışılan bir konu: “hata dayanımlı” hesaplama devrelerinin ve algoritmalarının geliştirilmesi.
Teknoport TeknoBültenNano Elektromekanik Sistemler (NEMS) ve nanosensörler nanoüretim ile ilgili diğer önemli çalışma alanları. Nanoteknolojinin tüm dalları ve nanomekanik disiplini ile yakından ilgili olan NEMS, MEMS (Micro Electromechanical Systems) teknoloji ile sağlanan, çok küçük boyutlarda konum ve güç ölçüm gibi yeteneklerini nano ölçeğe taşıyacak. Nanosensörlerin en önemli amacı ise nano ölçekte gerçekleşen olaylara ilişkin bilginin makro ölçeğe taşınması için aracılık yapmak. Gerçekleştirilen çalışmalardan birinde, bir nanotüpün titreşim frekansı, nanotüpün ucunda bir parçacık varken ve yokken ölçülüyor. Böylece bu parçacığın kütlesi hesaplanabiliyor. Belirli bir dalga boyunda ışığa, belirli bir moleküle ya da canlı hücreye tepki veren nanosensörlerin geliştirilebileceği gösterilmiş durumda.
Teknoport TeknoBültenNEMS ve nanosensörler çok farklı üretim tekniklerinin geliştirilmesine ihtiyaç duyuyor. Bunlarda biri yukarıdan aşağıya sıralı üretim yaklaşımı. Buna göre milimetre boyutlarındaki bir üretim hattı mikrometre boyutlarında bir üretim hattını kurar ve o da nanometre boyutlarındaki aygıtları üretir. Diğer bir yaklaşım ise aşağıdan yukarı üretim yaklaşımı. Buna göre ise atomlar ya da moleküller, istenen işlevselliğe sahip aygıt oluşturulana kadar tek tek bir araya getirilir. Kendi kendine moleküler montaj ya da canlı organizmalar taklit eden biyo-taklit yöntemleri bu amaçla kullanılması öngörülen yöntemler. Bu arada yarıiletken üretiminde kullanılan optik litografi (fotolitografi) tekniğinin 100 nm altı ölçekte uygulanabilecek biçimleri çeşitli nanolitografi teknikleri olarak geliştirilmeye ve kullanılmaya devam ediliyor. Bunlardan X-ışını litografisi ile 15 nm hassasiyete kadar inilmiş durumda.
Teknoport TeknoBültenNanoelektroniğin özel bir çalışma alanı olan moleküler elektronikten (molektronik ya da moletronik olarak kısaltılıyor) ayrıca bahsedilmesinde yarar var. Moleküler elektronik, fizik, kimya ve malzeme bilimlerini kapsayan disiplinler arası bir alan. Ana hedefi elektronik devrelerin üretiminde moleküler yapı taşlarının kullanımı olan moleküler elektronik iki alt disiplin altında çalışılıyor. Bunlardan ilki olan “elektronik için moleküler malzemeler” alanı, malzemenin esas özelliklerini etkilemek için moleküllerin özelliklerinin kullanılması yöntemleri üzerinde çalışıyor. Diğer alan olan “moleküler ölçek elektroniği” ise tek moleküllü uygulamalarla ilgileniyor. Moleküler elektroniğin önemli çalışma konuları arasında, organik kristaller, metaller ve yarıiletkenler arasında bir malzeme olan (yarımetal) grafitin tek atom kalınlığındaki türü olan grafenler, moleküler teller, moleküler elektronikte anahtarlama elemanı olarak kullanılabilecek moleküler mantık kapıları ya da moleküler makinalar (moleculator olarak da adlandırılıyorlar) sayılabilir.
Teknoport TeknoBültenNanoelektronikle yakından ilgili diğer önemli teknoloji alanları nanoiyonik, nanofotonik ve nanomekanik. Nanoiyonik, nano ölçekteki yarı iletken sistemlerde elektron yerine “hızlı iyon taşınması” (FIT) olayını inceliyor. Günümüzde lityum bataryalar ya da yakıt pilleri gibi alanlarda uygulamaları mevcut. Nanoiyonik bellekler ise gelişen elektronik araştırma alanı olarak gösteriliyor. Nanoelektronik ve nanoiyonik alanlarının etkileşim bölgesine nanoelionik adı da veriliyor. Nanofotonik ise ışığın nano ölçekteki davranışlarını, bu ölçekte ışık üretim ve kontrolu konularını inceliyor. Nanomekanik alanı malzemelerin nano ölçekteki sıcaklık, esneklik ve hareket gibi fiziksel özelliklerini inceliyor. Nanomalzemeler, nanoakışkanlar, nanotriboloji (malzemelerin nano ölçekteki sürtünme, yırtılma ve temas özellikleri) nanomekaniğin oturmuş alt alanları.
