Τρανζίστορ από νανοσωλήνες ξεπερνούν σε επιδόσεις ακόμη και του πυριτίου

Από σελίδα των News.Com, 19 Μαίου 2002

Οι ερευνητές της ΙΒΜ έχουν δημιουργήσει τρανζίστορ από νανοσωλήνες άνθρακος που μπορεί να ξεπεράσουν σε απόδοση τα παρόμοια τρανζίστορ πυριτίου, μια ανάπτυξη που βοηθά στην πρόοδο των ηλεκτρονικών στην περίπτωση που ο άνθρακας μπορεί μια ημέρα να γίνει η δομική μονάδα των υπολογιστών.

Σε ένα άρθρο που δημοσιεύεται στο περιοδικό της Αμερικανικής Ένωσης Φυσικών, Applied Physics Letters, οι ερευνητές της ΙΒΜ περιγράφουν πώς τα τρανζίστορ φιαγμένα από νανοσωλήνες άνθρακος -- μακριές, λεπτές ίνες μορίων άνθρακος -- μετέφεραν πολύ περισσότερο ηλεκτρικό ρεύμα και με ταχύτερο ρυθμό από τα πλέον προηγμένα τρανζίστορ του σήμερα που είναι κατασκευασμένα από πυρίτιο και μέταλλο, που είναι η βάση για τα τσιπ σήμερα.

Το αυξανόμενο ρεύμα οδηγεί, ενδεχομένως, σε γρηγορότερα τρανζίστορ και ολοκληρωμένα κυκλώματα. Και δεδομένου ότι τα τρανζίστορ και τα ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι οι δομικές μονάδες των τσιπ, τα αποτελέσματα των ερευνών δείχνουν ότι ο άνθρακας θα μπορούσε κάποια μέρα να γίνει το βασικό στοιχείο για τους αυριανούς υπολογιστές.

"Ξεπέρασαν τα τρανζίστορ του πυριτίου," είπε ο Φαίδωνας Αβούρης, διευθυντής Επιστήμης νανοκλίμακας στην ΙΒΜ. "Υπάρχουν σοβαρές βελτιώσεις στην απόδοση".

Αν και η νανοτεχνολογία-- ουσιαστικά, η επιστήμη που στηρίζεται σε ένα μοριακό επίπεδο -- είναι στα σπάργανα, θα μπορούσε κατά τη διάρκεια των επόμενων δεκαετιών να γίνει κρίσιμη για μια ευρεία σειρά βιομηχανιών, λένε για παράδειγμα πολλοί ερευνητές. Η General Motors, παραδείγματος χάριν, προσπαθεί να αναπτύξει ισχυρότερα υλικά για τα αυτοκίνητα χρησιμοποιώντας μεθόδους από τη νανοτεχνολογία.

Στον τομέα της υψηλής τεχνολογίας, η ΙΒΜ, η Hewlett Packard και άλλες επιχειρήσεις πειραματίζονται με αυτές τις τεχνικές για να φτιαχθούν μικροσκοπικά κυκλώματα. Τελικά, αυτά τα κυκλώματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να δημιουργηθούν ανέξοδοι αισθητήρες για ανιχνεύουν την διαρροή αερίων ή άλλων περιβαλλοντικών κινδύνων, ή, μικρές συσκευές αποθήκευσης δεδομένων ή τσιπάκια υπολογιστών.

Γιατί όμως υπάρχει όλη αυτή η διαφημιστική εκστρατεία για τους νανοσωλήνες από άνθρακα; Οι επεξεργαστές των υπολογιστών γίνονται ολοένα και πιό πυκνοί, με κυκλώματα που πολλοί θεωρούν ότι οι παραδοσιακές μέθοδοι και η κατασκευή των τσιπ θα γίνει οικονομικά αύμφωρη σε 15 έως 20 έτη.

Στην περίπτωση των νανοσωλήνων, τα μόρια διευθετούνται σε διατάξεις όπως οι χιονονιφάδες, έτσι τα μεμονωμένα κυκλώματα τσιπ δεν θα έπρεπε πλέον να σχεδιαστούν -- μια δραστική αλλαγή που θα έριχνε εντυπωσιακά τις δαπάνες για τις εργασίας, τα εργοστάσια και τους εξοπλισμούς στη βιομηχανία των ημιαγωγών.

Η απόδοση θα βελτιωνόταν επίσης λόγω του τρόπου που τα ηλεκτρόνια κινούνται στους νανοσωλήνες, λέει ο Αβούρης. Στα παραδοσιακά στοιχεία κυκλωμάτων με καλώδια, οι σχεδιαστές πρέπει να εξετάσουν την αντίσταση -- δηλαδή τιε δυνάμεις και τα εμπόδια που επιβραδύνουν τα ηλεκτρόνια -- έτσι τα ηλεκτρόνια διασκορπίζονται, μια κατάσταση που δημιουργεί  θερμότητα και απώλεια ενέργειας.

Σε αντίθεση, οι νανοσωλήνες είναι εξαιρετικά λεπτοί και μακρείς -- τόσο λεπτοί, στην πραγματικότητα, που τα ηλεκτρόνια δεν μπορούν να φύγουν από την πορεία τους, και μπορούν να σταματήσουν μόνο ή να αντιστραφούν με μεγάλη δυσκολία.

"Η σύγκρουση πρέπει να είναι πολύ ισχυρή για να αντιστρέψει την κατεύθυνση της κίνησης του ηλεκτρονίου. Βασικά, δεν υπάρχουν πολλά πράγματα που είναι αρκετά ισχυρά για να το κάνουν αυτό", λέει ο Avouris. "Έχετε μόνο δύο βασικές κατευθύνσεις στην διάδοση των ηλεκτρονίων".

Θεωρητικά, οι νανοσωλήνες θα επέτρεπαν στους μηχανικούς να φτιάξουν τσιπ που θα απαιτούσαν λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια (επειδή δεν χάνεται χρόνος στη μετάδοση) ή θα μπορούσαν να έχουν περισσότερη απόδοση.

Φυσικά, τα οφέλη είναι ακόμα υποθετικά. Ερευνητές, παραδείγματος χάριν, πρόσφατα καθόρισαν ότι υπάρχει ένα ενεργειακό φράγμα στο λεπτό, τέλος των επαφών των σωλήνων που δεν εμφανίζεται με τα καθιερωμένα τρανζίστορ πυριτίου. Η ικανότητα επίσης των μορίων να τακτοποιηθούν μόνα τους επίσης δεν ήταν εκατό τοις εκατό κατηγορηματική.

"Η βασική επιστήμη ακόμα δεν έχει γίνει συνολικά κατανοητή", λέει ο  Avouris. "Η φύση χρησιμοποιεί μια αυτό-συμβολική γλώσσα, αλλά η φύση είχε έναν χρόνο έρευνας και ανάπτυξης πάνω από 2 δισεκατομμύρια έτη".

Η δημιουργία των νανοσωλήνων από άνθρακα παραμένει μια μακροχρόνια, δύσκολη διαδικασία. Οι νανοτεχνολογίες του άνθρακα, που ξεκίνησε από το Πανεπιστήμιο Rice, αναπτύσσουν τους σωλήνες σε ένα χημικό λουτρό με την τοποθέτηση ενός μεταλλικού μορίου μέσα σε ένα βαρύ πετροχημικό λουτρό άνθρακα. Ακολούθως αφού όλα θερμαίνονται περισσότερο από 1.000 βαθμούς Κελσίου, ελευθερωμένα μόρια άνθρακα αρχίζουν να σχηματίζουν ένα κλώνο από το μέταλλο.