nanoelektronika
 
Encyklopedia
nanoelektronika
[gr.],
dziedzina elektroniki realizowana przez przyrządy o wymiarach rzędu nanometrów;
działanie przyrządów jest oparte na zjawiskach fiz. związanych z bardzo małymi rozmiarami obszarów, w których poruszają się elektrony. Zjawiska te można podzielić na elektrofalowe, jednoelektronowe oraz spinowe.
Zjawiska elektrofalowe są odzwierciedleniem korpuskularno-falowej natury elektronu; do najważniejszych należą: transport balistyczny, czyli bezkolizyjny ruch elektronu w ciele stałym, interferencja reprezentującej elektron fali de Broglie’a, kwantowanie energii elektronu na skutek przestrzennego ograniczenia jego ruchu, zjawisko tunelowe (przejście elektronu przez barierę potencjału o wysokości przewyższającej jego energię całkowitą), tunelowanie rezonansowe (istnienie wskutek interferencji większego prawdopodobieństwa tunelowania elektronu dla wyróżnionych poziomów energ.) oraz powstawanie pasm energii dozwolonych w supersieciach (sztucznie wytworzonych strukturach periodycznych). Wykorzystując te zjawiska, buduje się przyrządy elektronowe, takie jak: tranzystory balistyczne, tranzystory interferencyjne, diody i tranzystory tunelowe oraz rezonansowo-tunelowe.
Zjawiska jednoelektronowe odzwierciedlają niepodzielność ładunku elektr. elektronu. Najważniejszym z nich jest blokada kulombowska, polegająca na blokowaniu tunelowego przejścia elektronu przez warstwę izolatora w złączu tunelowym o bardzo małej powierzchni wskutek oddziaływania elektrostatycznego między przechodzącym elektronem a ładunkiem w elektrodach złącza. Zjawisko to wykorzystuje się do budowy prostych układów (przyrządów jednoelektronowych) o złożonej funkcjonalności, takich jak np. tranzystor jednoelektronowy, kołowrót lub pompa jednoelektronowa. Działanie 2 ostatnich przyrządów polega na przerzucaniu pojedynczych elektronów z elektrody wejściowej do wyjściowej w rytm zmian napięcia sterującego; elementy te mogą być wykorzystywane jako wzorce lub źródła prądu elektr. o wielkości proporcjonalnej do częst. zmiennego napięcia. Oddziaływanie kulombowskie jest również nośnikiem informacji przekazywanej między elementami układów logicznych, zbud. z wykorzystaniem kwantowego automatu komórkowego — systemu tunelowo ze sobą sprzężonych kropek kwantowych (nanostruktury) o kontrolowanych stanach zgromadzonych w nim elektronów. Dziedzina n. wykorzystująca zjawiska jednoelektronowe nosi nazwę elektroniki pojedynczego elektronu.
Do podstawowych zjawisk spinowych należą: gigantyczne zjawisko magnetooporowe i tunelowe zjawisko magnetooporowe. Polegają one na wpływie zewn. pola magnet. na elektr. opór struktur, składających się z warstw materiałów ferromagnet. rozdzielonych warstwą niemagnet. przewodnika lub izolatora. W przypadku pierwszego zjawiska opór elektr. układu ferromagnetyk–niemagnetyk–ferromagnetyk jest mały wówczas, gdy kierunki wektorów namagnesowania obu warstw są zgodne, oraz duży, gdy są przeciwne. Przyczyną tej różnicy jest związek między rozpraszaniem przechodzących przez ferromagnetyk elektronów a ustawieniem ich spinu względem dominującego kierunku wektora namagnesowania. Tunelowe zjawisko magnetooporowe polega na zależności prądu tunelowego elektronów w złączu ferromagnetyk–izolator–ferromagnetyk od kierunku wektorów namagnesowania obu warstw ferromagnet. — tunelowanie elektronów przez złącze zachodzi, gdy ich spin jest zgodny z kierunkiem spinu elektronów dominującym w warstwie, w kierunku której się przemieszczają, natomiast nie zachodzi w przypadku przeciwnym. Możliwość tylko dwóch różnych ustawień spinu elektronu jest wykorzystywana do konstrukcji przyrządów spinowych: tranzystorów, pamięci i in., w których spin jest nośnikiem informacji. Dziedzina n. wykorzystująca zjawiska spinowe nosi nazwę spintroniki.
Odrębną dziedzinę n. stanowi n. molekularna, zw. też elektroniką molekularną, w której wykorzystuje się właściwości elektronowe pojedynczych cząsteczek, a także zależność tych właściwości od czynników chem., elektromech. lub opt. (np. przyłączania lub odrywania odpowiednich grup atomowych, geom. deformacji struktury, aktywacji falą elektromagnetyczną). Realizuje ona to, co jest naturalne dla systemów biol., w których wszystkie operacje przetwarzania informacji zachodzą w cząsteczkach organicznych. Cząsteczka chem. o rozmiarach rzędu kilku nm stanowi naturalną studnię potencjału o charakterystycznych poziomach energet., obsadzonych przez elektrony walencyjne całkowicie lub częściowo. Łańcuch cząsteczek można traktować jak periodyczną sieć potencjału o właściwościach przewodnika, półprzewodnika lub izolatora; cząsteczki mogą być wykorzystywane do budowania złącz tunelowych lub diod rezonansowo-tunelowych, molekularnych prostowników, nanoczujników, przełączników lub pamięci chem., mech. lub optycznych. Cechą tych przyrządów jest naturalna samokontrola nanometrowych rozmiarów oraz możliwość samoorganizacji procesu ich powstawania (samoorganizacja cząsteczek). Specyficzne zastosowania mają krystal. struktury molekularne węgla nanorurki węglowe, fulereny i in., mające właściwości metalu lub półprzewodnika; mogą być wykorzystywane jako połączenia i jednowymiarowe obszary czynne w przyrządach nanoelektronicznych, służą do wytwarzania złącz tunelowych, tranzystorów i in.
Bogdan Majkusiak
Bibliografia
B. Majkusiak Nanoelektronika, „Elektronika” 2001 nr 1.
Przeglądaj encyklopedię
Przeglądaj tabele i zestawienia
Przeglądaj ilustracje i multimedia