¿Qué es la nanoelectrónica y cómo funciona?

El campo de la electrónica dedicado al desarrollo de fundamentos tecnológicos y físicos para la construcción de circuitos electrónicos integrados con tamaños de elementos inferiores a 100 nanómetros se denomina nanoelectrónica. El término "nanoelectrónica" en sí refleja la transición de la microelectrónica a los semiconductores modernos, donde los tamaños de los elementos se miden en unidades de micrómetros, a elementos más pequeños con tamaños de decenas de nanómetros.

Con la transición a la nanoescala, los efectos cuánticos comienzan a dominar en los esquemas, revelando muchas propiedades nuevas y, en consecuencia, marcando las perspectivas para su uso útil. Y si para la microelectrónica los efectos cuánticos a menudo permanecían parasitarios, porque, por ejemplo, con la disminución del tamaño del transistor, el efecto del túnel comienza a interferir con su funcionamiento, entonces la nanoelectrónica, por el contrario, debe utilizar tales efectos como base para la electrónica nanoheterostructurada.

Cada uno de nosotros usa la electrónica todos los días, y seguramente muchas personas ya notan algunas tendencias definidas. La memoria en las computadoras está aumentando, los procesadores se están volviendo más eficientes, el tamaño de los dispositivos está disminuyendo. ¿Cuál es la razón de esto?

En primer lugar, con un cambio en las dimensiones físicas de los elementos de los microcircuitos, a partir de los cuales se construyen esencialmente todos los dispositivos electrónicos. Aunque la física de los procesos sigue siendo aproximadamente la misma hoy en día, los tamaños de los dispositivos son cada vez más pequeños. Un dispositivo semiconductor grande funciona más lentamente y consume más energía, y un nanotransistor, y funciona más rápido y consume menos energía.

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Se sabe que todos los cuerpos materiales están compuestos de átomos. ¿Y por qué la electrónica no alcanza la escala atómica? Este nuevo campo de la electrónica permitirá resolver problemas que sobre una base de silicio convencional simplemente fundamentalmente imposible de resolver.

De gran interés es el grafeno y materiales similares de monocapa (ver artículo - Propiedades inesperadas del carbono familiar.) Dichos materiales, de un átomo de espesor, tienen propiedades notables que se pueden combinar para crear varios circuitos electrónicos.

Por ejemplo, las tecnologías relacionadas con la microscopía de sonda permiten construir varias estructuras de átomos individuales en la superficie de un conductor en ultra alto vacío simplemente reorganizándolos. ¿Cuál no es la base para crear dispositivos electrónicos monatómicos?

Las manipulaciones de materia a nivel molecular ya han afectado a muchas industrias, no han pasado por alto la electrónica. Los microprocesadores y los circuitos integrados se construyen de esa manera. Los principales países están invirtiendo en el desarrollo de esta ruta tecnológica, de modo que la transición a la nanoescala se realice más rápido, más amplio y mejore aún más.

Por cierto, algunos éxitos ya se han logrado. Intel en 2007 anunció que se desarrolló un procesador basado en un elemento estructural con un tamaño de 45 nm (presentado por VIA Nano) y el siguiente paso sería alcanzar los 5 nm. IBM logrará 9 nm gracias al grafeno.

Nanotubos de carbono (grafeno) - Uno de los nanomateriales más prometedores para la electrónica. Permiten no solo reducir el tamaño de los transistores, sino también otorgar a la electrónica propiedades verdaderamente revolucionarias, tanto mecánicas como ópticas. Los nanotubos no atrapan la luz, son móviles, conservan las propiedades electrónicas de los circuitos.

Los optimistas especialmente creativos ya están ansiosos por crear computadoras portátiles que se puedan sacar de un bolsillo como un periódico, o usar en forma de brazalete en una mano y, si se desea, se pueden expandir como un periódico, y toda la computadora será como un grosor de papel de pantalla táctil plegable de alta resolución.

Otra perspectiva para la aplicación de la nanotecnología y el uso de nanomateriales es el desarrollo y la creación de discos duros de próxima generación.En 2007, Albert Firth y Peter Grunberg recibieron el Premio Nobel por el descubrimiento del efecto mecánico cuántico de la resistencia magnética ultra alta (efecto GMR), cuando las películas delgadas de metal de capas conductoras y ferromagnéticas alternas cambian significativamente su resistencia magnética con un cambio en la dirección recíproca de la magnetización.

Al controlar la magnetización de la estructura con la ayuda de un campo magnético externo, es posible crear sensores de campo magnético tan precisos y realizar un registro tan preciso en el portador de información que su densidad de almacenamiento alcanzará el nivel atómico.

La nanoelectrónica y la plasmatrónica no han pasado por alto. Las vibraciones colectivas de electrones libres dentro de un metal tienen una longitud de onda de resonancia de plasmón característica de aproximadamente 400 nm (para una partícula de plata de 50 nm de tamaño). El desarrollo de la nanoplasmónica, podemos suponer, comenzó en 2000, cuando se aceleró el progreso en la mejora de la tecnología de creación de nanopartículas.

Resultó que es posible transmitir una onda electromagnética a lo largo de una cadena de nanopartículas metálicas, excitando oscilaciones de plasmón. Dicha tecnología permitirá introducir circuitos lógicos en la tecnología informática que puede funcionar mucho más rápido y transmitir más información que los sistemas ópticos tradicionales, y el tamaño de los sistemas será mucho más pequeño que los ópticos aceptados.

Los líderes en el campo de la nanoelectrónica y la electrónica en general, hoy son Taiwán, Corea del Sur, Singapur, China, Alemania, Inglaterra y Francia.

La electrónica más moderna se fabrica hoy en los EE. UU., Y el fabricante más grande de electrónica de alta tecnología es Taiwán, gracias a las inversiones de empresas japonesas y estadounidenses.

China es un líder tradicional en el campo de la electrónica de presupuesto, pero aquí la situación está cambiando gradualmente: la mano de obra barata atrae a inversores de empresas de alta tecnología que planean establecer su nanoproducción en China.

Rusia también tiene buen potencial. La base en el campo de microondas, estructuras de radiación, fotodetectores, paneles solares y electrónica de potencia permite, en principio, la creación de ciudades científicas de nanotecnología y su desarrollo.

Este potencial requiere condiciones económicas y organización para la investigación básica y el desarrollo científico. Todo lo demás es: la base tecnológica, personal prometedor y un entorno científico calificado. Solo se necesitan grandes inversiones, y esto a menudo resulta ser el talón de Aquiles ...

Un ejemplo de la aplicación de la nanotecnología:Nanoantenas para recibir energía solar