مقدمه
در چشم‌انداز پیوسته‌ای در حال تکامل الکترونیک، پیگیری دستگاه‌های کوچکتر، سریع‌تر و کارآمد‌تر منجر به تمرکز قابل‌توجهی بر مدارهای کوچک شده شده است. کوچک‌سازی یک نیروی محرک پشت توسعه الکترونیک مدرن بوده است و امکان ساخت دستگاه‌های پورتابلی، سیستم‌های محاسباتی با عملکرد بالا و فن‌آوری‌های ارتباطی پیشرفته را فراهم کرده است. نانو ماده‌ها با خواص فیزیکی و شیمیایی منحصر به فرد خود در مقیاس نانو به عنوان یک دسته از مواد عوض‌کننده بازی در زمینه مدارهای کوچک شده به‌وجود آمده‌اند. این مقاله به کاربردها، چالش‌ها و رویکردهای آینده نانو ماده‌ها در مدارهای کوچک شده می‌پردازد و پتانسیل آن‌ها را برای متحول کردن صنعت الکترونیک بررسی می‌کند.

II. مبانی پایه مدارهای کوچک شده و نانو ماده‌ها

A. مدارهای کوچک شده
مدارهای کوچک شده، که اغلب به عنوان مدارهای یکپارچه (IC) شناخته می‌شوند، قلب دستگاه‌های الکترونیکی مدرن هستند. از تعداد زیادی از قطعات الکترونیکی مانند ترانزیستورها، مقاومت‌ها، خازن‌ها و وصل‌های الکتریکی تشکیل شده‌اند که بر روی یک زیرلایه نیمه‌رسانا کوچک، معمولاً ساخته‌شده از سیلیکون، fabriquer می‌شوند. کوچک‌سازی مدارها از طریق پیشرفت‌های مداوم در فن‌آوری‌های ساخت نیمه‌رسانا به دست آمده است که امکان بسته‌بندی تعداد فزاینده‌ای از قطعات را در یک ناحیه کوچکتر فراهم می‌کند. این منجر به بهبود‌های قابل‌توجه در عملکرد دستگاه، مصرف برق و پورتabilidade شده است.
محرک‌های اصلی کوچک‌سازی شامل قانون مور است که بیان می‌کند تعداد ترانزیستورها بر روی یک میکروچپ تقریباً هر دو سال دو برابر می‌شود و تقاضا برای دستگاه‌های الکترونیکی کوچکتر، قدرتمند‌تر و کارآمد‌تر از نظر انرژی. با کاهش اندازه قطعات در مدارهای کوچک شده، چالش‌های مربوط به حفظ عملکرد و قابلیت اعتماد آن‌ها افزایش می‌یابد. در اینجا نانو ماده‌ها وارد بازی می‌شوند و خواص منحصر به فردی را ارائه می‌دهند که می‌تواند به غلبه این چالش‌ها کمک کند.
B. نانو ماده‌ها
نانو ماده‌ها موادی هستند که حداقل یک بعد خود را در محدوده نانومتر (1 - 100 نانومتر) دارند. در این مقیاس، مواد اثرات اندازه کوانتومی و خواص مربوط به نسبت سطح به حجم را نشان می‌دهند که به طور قابل‌توجهی با همologue‌های بولک خود متفاوت هستند. برخی از نانو ماده‌های معمولاً مورد استفاده در زمینه مدارهای کوچک شده شامل نانو لوله‌های کربن، گرافن، نقطه‌های کوانتومی، نانوترچه‌ها و نانوترکیبات هستند.
به عنوان مثال، نانو لوله‌های کربن ساختارهای استوانه‌ای ساخته‌شده از اتم‌های کربن هستند. آن‌ها رسانایی الکتریکی عالی، استحکام مکانیکی بالا و نسبت سطح به حجم بالایی دارند. گرافن، یک لایه کربن در قالب یک شبکه شش ضلعی، به خاطر خواص الکتریکی، حرارتی و مکانیکی استثنایی خود شناخته می‌شود. نقطه‌های کوانتومی نانو کریستال‌های نیمه‌رسانا با خواص نوری و الکتریکی وابسته به اندازه هستند. نانوترچه‌ها ساختارهای یک بعدی با قطر در مقیاس نانومتر هستند و می‌توانند از مواد مختلفی مانند فلزات، نیمه‌رساناها یا اکسیدها ساخته شوند. نانوترکیبات موادی هستند که از یک ماتریکس و تقویت‌کننده‌های مقیاس نانو تشکیل شده‌اند و می‌توانند خواص مطلوب مختلف مواد را ترکیب کنند.
III. کاربردهای نانو ماده‌ها در مدارهای کوچک شده
A. نانو ماده‌ها در وصل‌های الکتریکی
وصل‌های الکتریکی مبتنی بر نانو لوله‌های کربن
وصل‌های الکتریکی قطعات حیاتی در مدارهای کوچک شده هستند زیرا مسئول انتقال سیگنال‌های الکتریکی بین قطعات مختلف هستند. در مدارهای یکپارچه سنتی، مس رایج‌ترین ماده مورد استفاده برای وصل‌های الکتریکی است. با این حال، با کاهش اندازه مدارها، وصل‌های الکتریکی مس چندین چالش را بر روبرو می‌آورد، مانند افزایش مقاومت و الکترومیگریشن.
نانو لوله‌های کربن (CNTها) به عنوان یک جایگزین پرامیدانگیز برای وصل‌های الکتریکی مس به‌وجود آمده‌اند. CNTها دارای رسانایی الکتریکی بسیار بالایی هستند و برخی از مطالعات مقدار رسانایی چندین برابر رسانایی مس را گزارش کرده‌اند. ساختار یک بعدی و قطر کوچک آن‌ها را برای استفاده در مدارهای کوچک شده، جایی که فضای محدود است، ідеال می‌کند. علاوه بر این، CNTها نسبت به الکترومیگریشن بسیار مقاوم هستند، پدیده‌ای که حرکت اتم‌های فلز در وصل تحت‌تأثیر جریان الکتریکی می‌تواند منجر به تشکیل حفره‌ها و در نهایت باعث خرابی دستگاه شود.
تحقیقات نشان داده‌اند که استفاده از CNTها به عنوان وصل‌های الکتریکی می‌تواند مقاومت و مصرف برق مدارهای کوچک شده را به طور قابل‌توجهی کاهش دهد. در کاربردهای محاسبات با عملکرد بالا، جایی که نیاز به انتقال مقدار زیادی از داده‌ها به سرعت است، استفاده از وصل‌های الکتریکی مبتنی بر CNT می‌تواند سرعت کلی سیستم را بهبود بخشد. به عنوان مثال، در یک پرو세ور چند هسته‌ای، استفاده از وصل‌های الکتریکی مبتنی بر CNT بین هسته‌ها می‌تواند تاخیر ارتباط را کاهش دهد و منجر به انتقال داده‌های کارآمد‌تر و بهبود عملکرد پردازش می‌شود.
وصل‌های الکتریکی مبتنی بر گرافن
گرافن با رسانایی الکتریکی عالی و انعطاف پذیری مکانیکی، پتانسیل زیادی برای استفاده در وصل‌های الکتریکی دارد. گرافن می‌تواند به صورت فیلم‌های نازک یا نوارها fabriquer شود که می‌توانند به عنوان وصل‌های الکتریکی در مدارهای کوچک شده استفاده شوند. یکی از مزایا وصل‌های الکتریکی مبتنی بر گرافن توانایی آن است که جریان چگالی بالایی را بدون تخریب قابل‌توجه تحمل کند. این خاصیت به ویژه در کاربردهایی که نیاز به انتقال سیگنال‌های با قدرت بالا است، مهم است.
علاوه بر این، انعطاف پذیری گرافن آن را برای استفاده در الکترونیک挠屈 가능، مانند دستگاه‌های پوششی، مناسب می‌کند. در این کاربردها، وصل‌های الکتریکی باید بتوانند بگیرد و کشیده شوند بدون از دست دادن عملکرد الکتریکی خود. وصل‌های الکتریکی مبتنی بر گرافن می‌توانند این نیازها را برآورده کنند و امکان توسعه الکترونیک挠屈 가능 راحت‌تر و پایدارتر را فراهم می‌کنند.
B. نانو ماده‌ها در ترانزیستورها
ترانزیستورهای نانوترچه
ترانزیستورها building blocks بنیادی مدارهای کوچک شده هستند و مسئول تقویت و سوئیچینگ سیگنال‌های الکتریکی هستند. با نزدیک شدن اندازه ترانزیستورهای سنتی مبتنی بر سیلیکون به مقیاس نانو، چالش‌هایی مانند اثرات کوتاه - کانال را بر روبرو می‌آورند که می‌تواند منجر به افزایش جریان نشت و کاهش عملکرد شود.
ترانزیستورهای نانوترچه راه حلی برای این مشکلات ارائه می‌دهند. نانوترچه‌ها می‌توانند به عنوان ماده کانال در ترانزیستورها استفاده شوند و قطر کوچک آن‌ها امکان کنترل بهتری بر جریان الکتریکی را فراهم می‌کند. با استفاده از نانوترچه‌ها، می‌توان اثرات کوتاه - کانال را کاهش داد و عملکرد ترانزیستورها را بهبود بخشد. به عنوان مثال، در یک ترانزیستور اثر میدان (FET)، استفاده از یک نانوترچه به عنوان کانال می‌تواند جریان آن - کورنتی را افزایش دهد و جریان آف - کورنتی را کاهش دهد و منجر به نسبت آن - آف بالاتر و عملکرد سوئیچینگ بهتری می‌شود.
تحقیقات همچنین نشان داده‌اند که ترانزیستورهای نانوترچه می‌توانند با استفاده از انواع مختلفی از مواد، از جمله سیلیکون، जरمانیوم و نیمه‌رساناها III - V fabriquer شوند. این انعطاف پذیری در انتخاب ماده امکان بهینه‌سازی عملکرد ترانزیستور برای کاربردهای مختلف را فراهم می‌کند. برای کاربردهای با سرعت بالا، مانند در دستگاه‌های ارتباطی، ترانزیستورهای نانوترچه نیمه‌رسانا III - V می‌توانند تحرک‌دهنده الکترون بهتری و سرعت سوئیچینگ سریع‌تر نسبت به ترانزیستورهای سیلیکونی سنتی ارائه دهند.
ترانزیستورهای نقطه کوانتومی
ترانزیستورهای نقطه کوانتومی نوع دیگری از ترانزیستور مبتنی بر نانو ماده با خواص منحصر به فرد هستند. نقطه‌های کوانتومی نانو کریستال‌های نیمه‌رسانا هستند که می‌توانند الکترون‌ها را به خود می‌کشند و سطوح انرژی مجزا ایجاد می‌کنند. در یک ترانزیستور نقطه کوانتومی، نقطه‌های کوانتومی به عنوان منبع الکترون‌ها عمل می‌کنند و جریان الکترون‌ها بین نقطه‌های کوانتومی و الکترودهای اطراف می‌تواند توسط یک ولتاژ خارجی کنترل شود.
یکی از مزایا ترانزیستورهای نقطه کوانتومی توانایی آن‌ها است که در ولتاژهای بسیار پایین عمل کنند. این خاصیت آن‌ها را برای استفاده در کاربردهای با مصرف برق پایین، مانند در گره‌های حسگر برای Internet of Things (IoT)، مناسب می‌کند. علاوه بر این، ترانزیستورهای نقطه کوانتومی می‌توانند اثرات شارژ یک الکترون را نشان دهند که می‌تواند برای کاربردهایی مانند حسگرهای فوق حساس و محاسبات کوانتومی استفاده شود.
C. نانو ماده‌ها در دی‌الکتریک‌ها
دی‌الکتریک‌های نانوترکیبی
دی‌الکتریک‌ها نقش محوری در عملکرد قطعات الکتریکی در مدارهای کوچک شده، به ویژه در خازن‌ها ایفا می‌کنند. دی‌الکتریک‌های نانوترکیبی یک پیشرفت قابل‌توجه در فن‌آوری دی‌الکتریک هستند. این مواد با弟妹یزه کردن نانو ماده‌ها، مانند نانوذرات یا نانوترچه‌ها، در یک ماتریکس پلیمر مهندسی می‌شوند. ترکیب منحصر به فرد انعطاف پذیری پلیمر و خواص استثنایی نانو ماده‌ها منجر به یک دی‌الکتریک با ویژگی‌های بهبود یافته می‌شود.
به عنوان مثال، افزودن نانوذرات سرامیکی به یک ماتریکس پلیمر می‌تواند 상수 دی‌الکتریک را به طور قابل‌توجهی افزایش دهد. این افزایش بسیار مهم است زیرا به خازن‌ها امکان ذخیره انرژی الکتریکی بیشتری در حجم کوچک‌تری را می‌دهد. در مدارهای کوچک شده، جایی که فضای محدود است، توانایی طراحی خازن‌های کوچکتر اما کارآمد‌تر یک عوض‌کننده بازی است. نسبت سطح به حجم بالای نانو ماده‌ها در کامپوزیت بیشتر به بهبود استحکام شکست دی‌الکتریک کمک می‌کند. این استحکام شکست بهبود یافته اطمینان می‌دهد که خازن‌ها می‌توانند ولتاژهای بالاتر را بدون خرابی تحمل کنند و در نتیجه قابلیت اعتماد آن‌ها در کاربردهای واقعی را افزایش می‌دهد.
تحقیقات در این حوزه بسیار گسترده است. دانشمندان با انواع مختلف نانوذرات سرامیکی، مانند باریم تیتانات و تیتانیوم دی‌اکسید، و ماتریکس‌های پلیمری مختلف، از جمله اپوکسی و پلی اتیلن آزمایش کرده‌اند. با کنترل دقیق اندازه، شکل و غلظت نانوذرات، و همچنین ماهیت ماتریکس پلیمر، آنها توانسته‌اند ویژگی‌های دی‌الکتریک نانوترکیب را بهینه‌سازی کنند. برخی از مطالعات افزایش تا سه برابر در 상수 دی‌الکتریک را هنگام استفاده از دی‌الکتریک‌های نانوترکیب بهینه‌سازی شده در مقایسه با دی‌الکتریک‌های پلیمری سنتی گزارش کرده‌اند.
دی‌الکتریک‌های نانوشاخه‌ای
دی‌الکتریک‌های نانوشاخه‌ای، از سوی دیگر، از لایه‌های نازک متناوب مختلف مواد در مقیاس نانو تشکیل شده‌اند. این ساختار منحصر به فرد امکان ایجاد مواد با ویژگی‌های الکتریکی دقیقاً 맞춤‌سازی شده را فراهم می‌کند. طراحی دی‌الکتریک‌های نانوشاخه‌ای بر این اصل است که مواد مختلف می‌توانند ویژگی‌های خاصی را هنگام ترکیب در یک ساختار لایه‌ای باهم بگذارند.
به عنوان مثال، یک لایه ممکن است ماده‌ای با 상수 دی‌الکتریک بالا باشد، در حالی که لایه مجاور ممکن است ماده‌ای با خواص عایق الکتریکی عالی باشد. با جایگزینی این لایه‌ها، می‌توان چگالی خازنایی بالا را به دست آورد که برای کاربردهای ذخیره انرژی در مدارهای کوچک شده ضروری است. علاوه بر این، ممیز تلفات پایین دی‌الکتریک‌های نانوشاخه‌ای به این معناست که آنها کم‌تر انرژی را به شکل گرما در طول عملیات dissipate می‌کنند. این خاصیت به ویژه در قطعات مدیریت برق، مانند تنظیم‌کننده‌های ولتاژ و دستگاه‌های ذخیره انرژی، مهم است.
در مدارهای مدیریت برق، دی‌الکتریک‌های نانوشاخه‌ای می‌توانند به بهبود کارایی تبدیل ولتاژ کمک کنند. با کاهش تلفات انرژی مربوط به گرمایش دی‌الکتریک، این مواد می‌توانند به یک منبع برق پایدارتر و کارآمدتر برای کل مدار کوچک شده کمک کنند. توانایی مهندسی دی‌الکتریک‌های نانوشاخه‌ای با ویژگی‌های خاص همچنین امکان 맞춤‌سازی بر اساس نیازهای کاربردهای مختلف را فراهم می‌کند. برای کاربردهای با فرکانس بالا، دی‌الکتریک‌های نانوشاخه‌ای می‌توانند طراحی شوند تا تلفات دی‌الکتریک پایینی در فرکانس‌های بالا داشته باشند و عملکرد بهینه در دستگاه‌های ارتباطی و سیستم‌های محاسباتی پیشرفته را تضمین کنند.
IV. چالش‌ها در استفاده از نانو ماده‌ها در مدارهای کوچک شده
A. سنتز و ساخت
سنتز نانو ماده‌ها با کیفیت یکنواخت و کنترل دقیق بر اندازه، شکل و ساختار آن‌ها همچنان یک چالش قابل‌توجه است. در آزمایشگاه، محققان اغلب از تکنیک‌های پیچیده و گران قیمت برای تولید نانو ماده‌ها استفاده می‌کنند. به عنوان مثال، سنتز نانو لوله‌های کربن معمولاً شامل روش‌های رسوب بخار شیمیایی (CVD) است. در CVD، یک گاز هیدروکربن در دماهای بالا بر روی سطح یک کاتالیزور تجزیه می‌شود و نانو لوله‌های کربن را تشکیل می‌دهد. با این حال، کنترل شرایط رشد برای تولید نانو لوله‌های کربن با قطر و طول یکنواخت بسیار دشوار است. تغییرات جزئی در دمای، نرخ جریان گاز یا ترکیب کاتالیزور می‌تواند منجر به تفاوت‌های قابل‌توجه در خواص نانو ل...