GİRİŞ
Bu bölümün hazırlığı, güncel ve geleceğe yönelik bilimsel, endüstriyel ve “yol haritası” niteliğindeki bakış açıları üzerinde kapsamlı bir kaynak araştırması ve derleme süreci gerektirmiştir.
“Nanoteknolojinin elektronik uygulamaları”, “nanoelektronik uygulamaları” ile eş anlamlı olarak değerlendirilmelidir. Dolayısıyla bu bölüm de buna uygun şekilde organize edilmiştir ve nanoelektroniğin temel kavramlarına giriş ile başlamaktadır. Nanoelektronik aslında nanomalzemeler ve/veya nanoölçekte nanoüretim teknikleri kullanılarak üretilen yeni nanoelektronik cihazlar için bir “ön gereklilik” olarak düşünülmelidir. Bu gelişmelerin neticesinde elde edilecek temel kompakt “nanoteknoloji kullanan nanoelektronik cihazlarının” başında “nanobilgisayarlar” (bir varyasyonu da quantum bilgisayarıdır) olduğu artık yaygın olarak kabul edilen bir gerçektir. Dolayısıyla bu bölümde, nanoelektroniğe kısa bir girişin ardından nanobilgisayar kavramına yer verilmiştir. Ardından sırasıyla mevcut nanoelektronik çalışmaları/uygulamaları açıklanmıştır. Bu bölümde, nanoelektronik gelişim alanları ayrı bir kısımda sunulmuştur. Nanoelektronik, kendine özgü araştırmaların yürütüldüğü başlı başına yeni bir alan olduğu için farklı kısımlarda bahsedilen çalışmaların büyük bölümü, nanoelektroniğin de gelişim alanlarını oluşturmaktadır. Bölüm, bir nanoelektronik yol haritası raporunun da yer aldığı sonuç kısmıyla son ermektedir.
Şekil 4.2.1 elektroniğin, nanoparçacıkların ana uygulama alanlarından biri olduğunu açıkça göstermektedir. Nanosensörler, nanotransistörler, nanobilgisayarlar, nano ölçekli (1-100 nm uzunlukta) entegre devreler (IC) ve
~ 146 ~
nano ölçekli/nanoteknoloji ürünü veri depolama çalışmaları, nanoteknolojinin Şekil 4.2.1 de yer verilen dikkat çekici alt bileşenlerinden bazılarıdır.
Şekil 4.2.1 Nanoparçacık Uygulamaları (Resim Kaynağı: "Commercial scale production of inorganic nanoparticles"[2])
4.2.1 Nanoelektronik
Nanoelektronik, elektronikte ve elektronik bileşenlerde nanoteknolojinin uygulanmasına dayanır. Günümüzde elektroniğin yapı taşlarının transistörler, sensörler ve bellekler olduğunu söyleyebiliriz. Nanoelektronik genellikle elektronik bileşenler alanını anımsatır ancak özellikle transistörlere dikkat edilmelidir.
~ 147 ~
Transistör, akım veya gerilimi kontrol eden ve elektronik sinyaller oluşturan bir cihazdır. Transistörler, akım taşıma kapasitesine sahip yarı iletken malzeme katmanlarından oluşur. Modern entegre devrelerde (IC) biri elektron, diğeri ise elektron boşlukları içeren bir çift transistörün kullanıldığı bütünleyici metal oksit yarı iletken (CMOS) adındaki bir teknik kullanılır. CMOS’ta kullanılan yarı iletken madde silikondur. Ancak silikon içerisinde elektron boşluğu mobilitesi ile yüksek sıcaklıklardaki ve ışık iletimindeki performans son derece düşüktür.
MEMS, Mikro Elektro Mekanik Sistemler’in kısaltmasıdır. Günümüzde MEMS,
mikro üretim teknolojisi kullanılarak üretilen ve bir silikon substrat üzerine entegre edilen insan yapımı mekanik elemanlar, sensörler, aktuatörler ve elektronik bileşenlerden oluşmaktadır. MEMS sözcüğü genellikle silikon teknolojisi ya da kimyasal veya mekanik geleneksel hassas mühendislik ile üretilmiş minyatür cihazlar için kullanılmaktadır.
Grafen transistörler silikonun kısıtlamalarının üstesinden gelebilir ve esnek elektronik bileşenlerin önünü açabilir. Grafen, elektronların son derece yüksek hızlarda hareket etmesini sağlar. Grafen transistörlerden oluşan entegre devreler (ilk olarak IBM tarafından üretilmiştir [10]) bir silikon karbür plaka üzerine inşa edilmiştir ve grafenden yapılmış alan etkili transistörlerden (FET) oluşmaktadır.
NEMS, Nano Elektro Mekanik Sistemler’in kısaltmasıdır. NEMS, bileşenlerin
minyatür hale getirilmesi sürecini atom ve molekül sınırlarına taşımaktadır. NEMS, uzunlukları 1 ila 100 nm ölçeğinde olan fonksiyonel birimlerden oluşmuş insan yapımı cihazlardır. Bazı NEMS’ler nanometre ölçeğindeki bileşenlerin hareketiyle çalışır. NEMS’in “grafen ve ötesi teknolojiler”, geleneksel ve geleneksel olmayan mühendislik çalışmalarına dayalı nanocihazlar için kullanıldığı söylenebilir.
ASIC, Uygulamaya Özgü Entegre Devreler anlamına gelir. Bunlar, belirli bir
kullanıma ya da uygulamaya özel olarak tasarlanan standart dışı entegre devrelerdir. Genellikle bir ASIC, tek bir entegre devre üzerinde gerekli olan elektroniklerin çok büyük bir bölümünü içerebilir. ASIC, tek bir yonga üzerinde çok sayıda devre elemanının yerleştirilmesini sağlar. Devreler, patentli yongalar kullanılarak bir araya getirildiyse kart alanı gereklidir.
Nanoelektronik alanı, bileşenlerin minyatür hale getirilmesi sürecini atom ve molekül sınırlarına taşımaktadır. Bu kadar küçük bir ölçekte tek bir nanoelektronik sistem üzerine milyarlarca cihaz entegre edilebilir. Nanoelektronik, inanılmaz büyük bir hızla gelişerek mevcut teknolojilerin yerini
~ 148 ~
almaktadır çünkü nanoelektronik fonksiyonel bileşenlerin mevcut adayları, gele- geleneksel transistörlerden son derece farklıdır.
Litografi, Nanoteknoloji 1 kitabında Bölüm 2.8’de anlatılmıştır. Fotolitografi, mikroelektronik üretiminde en çok kullanılan tekniktir. Özellikle entegre devrelerin seri üretiminde kullanılmaktadır. Bir maske üzerindeki geometrik şekillerin bir silikon tabakanın yüzeyine aktarılması işlemidir. Nanolitografi ise nanoelektronik üretiminde kullanılan bir tekniktir. Nanolitografi, entegre devreler (nano ölçekli nanodevreler) ile NEMS üretimi ve nano teknoloji araştırmaları sonucunda geliştirilen çok sayıdaki diğer multidisipliner uygulama için kullanılabilir. X ışını litografisi ve nano baskı litografisi, bellek devreleri ile diğer nano ölçekli devre elemanlarının üretimi için kullanılan ve gelecek vaadeden iki nanolitografi tekniğidir.
Nanoelektronik (10 nm ölçeğindeki bileşenlerle üretilmiş devreler) litografi tabanlı entegre devrelerin yerine geçebilir. Nanoölçekli transistörlerin boyutları 100 nanometreden azdır. Bu transistörler o kadar küçüktür ki kuantum mekanik özelliklerini ve atomlar arası tasarımlarının bilinmesi için özelleştirilmiş çalışmalar yürütülmesi gereklidir. Sonuç olarak, transistörler nanometre ölçeğindedir ve nanoteknoloji yöntemleri ile tasarlanmışlardır. Tasarımları da geleneksel transistörlerden çok farklıdır ve tek boyutlu nanotüpler/nanoteller ve hibrit/ileri moleküler elektronik bileşenler ile birlikte değerlendirilmektedirler. Nanoteknoloji alanı, minyatürleştirmeye, yani boyutların küçültülmesine odaklanır. Nanoelektronik, özellikle de nanotransistörler, en iyi uygulama alanlarındadır. Transistörlerin boyutlarının küçültülmesinde ve yonga başına transistör sayısının artırılmasında inanılmaz bir teknolojik ilerleme kaydedilmiştir. Yonga tasarımcıları yonga başına daha fazla sayıda transistör kullanarak çok daha karmaşık entegre devreler geliştirebilmektedir. Bu gelişmeler toplumda çok büyük dönüşümlere yol açmıştır ve mevcut saf mekanik yapılar ile teknolojiler üzerinde kısa vadede evrim, uzun vadede ise devrim yaratma potansiyeline sahiptir. Bu konunun en önemli endüstriyel sonuçları otomotiv sektöründe karşımıza çıkmaktadır. Hepimiz geçmişte tamamen mekanik olan otomobillerin günümüzde artık elektronik özellikleriyle değer kazandığına tanıklık ediyoruz (motor bilgisayarı, hava yastıkları, kayma önleyici fren sistemi vb.).
Nanoelektroniğin mevcut uygulama alanları, elektronik cihazlardaki ekranların geliştirilmesi (ağırlık ve kalınlığı azaltırken güç tüketiminin de en aza
~ 149 ~
indirilmesi), bellek yongalarının yoğunluğunun artırılması ve son derece küçük nanobilgisayarlar üretilebilmesi için entegre devrelerde kullanılan transistörlerin küçültülmesi olarak özetlenebilir.
Gelişmekte olan bazı nanoelektronik uygulamaları:
Esnek elektronik alanında kullanılan ve plastik levhalar üzerinde biriktirilen kadmiyum selenür nano kristallerinden oluşan esnek
elektronik devreler,
Pikselleri aydınlatmak için elektronları yönlendiren karbon nanotüplerin kullanıldığı, hafif ve milimetrik kalınlığa sahip nanoyayımlı ekran
panelleri,
Mevcut ekranlardan daha ince ve daha esnek olmasını sağlayacak nanotellerden yapılmış elektrotların kullanılması,
Mevcut ekranlarda kullanılan floresan noktalar yerine kuantum noktaların kullanıldığı ekranlar. Üretimleri, mevcut ekranlardan daha kolaydır ve daha az enerji tüketirler.