نانو لوله‌های کربنی، پاسخی برای چالش‌های نانو الکترونیک؟!

مقدمه
رشد سریع فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی و ورود به مرز فناوری نانو (ابعاد زیر 100 نانو متر)، همراه با مزایا و شگفتی‌های دور از انتظاری که برای این فناوری به دنبال داشته، چالش‌ها و پرسش‌های فراوانی را نیز فرا روی متخصصین الکترونیک و پژوهشگران فناوری نانو قرار داد. برخی از این چالش‌ها مربوط به فرآیند و فناوری ساخت مدارهای الکترونیکی است و بخشی نیز مربوط به کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها است که پایه و اساس مدارهای الکترونیکی می‌باشد. محدودیت‌های فناوری و چالش‌های کوانتومی مهم‌ترین چالش‌های نانو الکترونیک است.
افزایش این مسائل پژوهشگران را به فکر جایگزینی مواد جدیدی به منظور استفاده در مدارهای الکترونیکی انداخت. در واقع آنان به این موضوع می‌اندیشیدند که آیا به جای استفاده از ترانزیستورها و ابزارهای سیلیکونی (یعنی از جنس سیلیسیوم) که با چنین محدودیت‌هایی روبرو است، می‌توان از مواد دیگری استفاده کرد. کشف نانو لوله‌های کربنی (Carbon Nano Tube یا CNT) در سال 1991 توسط ایجمیا رؤیای آنان را به واقعیت نزدیک کرد. نانو لوله‌های کربنی با خواص خاص و چشم‌گیر الکترونیکی، مکانیکی، نوری و شیمیایی که دارد، هم از دیدگاه بنیادی و هم از دیدگاه کاربردی به سرعت کانون توجه پژوهشگران حوزه‌های گوناگون دانش قرار گرفت.
پژوهشگران نانو الکترونیک نیز از این کشف جدید غافل نشدند و به بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی پرداختند. ما در این مقاله بخشی از نتایج این پژوهش‌ها را به اختصار بیان می‌کنیم. تحلیل و بررسی تفصیلی این پژوهش‌ها مستلزم دانش بیش‌تر در زمینه‌ی فیزیک الکترونیک و کوانتوم و ریاضیات است که خارج از موضوع نوشتار ما است.

• چالش‌های نانو ترانزیستورها
  همان طور که در مقاله‌ی قبل بیان کردیم با کوچک شدن ابعاد ترانزیستورهای سیلیکونی، مسئله‌ی نقص بلوری به یک چالش جدی تبدیل می‌شود. هم‌چنین با افزایش چگالی بار الکتریکی، ظهور پدیده‌های کوانتومی هم‌چون تخلیه‌ی بار الکتریکی و تونل‌زنی الکترونی و در نتيجه ایجاد جریان‌‌های مخرب و نشتی نیز مشکلاتی را می‌آفریند.
  علاوه بر این با افزایش چگالی جریان الکتریکی، دمای ترانزیستورها به شدت افزایش می‌یابد و در ابعاد بسیار کوچک (ابعاد نانو متری) ممکن است دمای این نانو ترانزیستورها به چندین هزار درجه‌ی سلسیوس هم برسد! و بدین ترتیب این نانو ترانزیستورها در چند لحظه ذوب می‌شوند.
• جایگزینی نانو ترانزیستورها با ...؟
  با وجود مشکلات و مسائلی که بیان شد، پژوهشگران به دنبال یافتن جایگزینی برای ابزارها و ترانزیستورهای سیلیکونی با ابعاد کوچک‌تر هستند. یک گام اساسی در انجام کوچک سازی مدارهای الکترونیکی، استفاده از مولکول‌های منفرد در ابزارهای الکترونیکی است. بدین منظور بررسی خواص الکترونیکی نانو لوله‌های کربنی، نتایج امیدوار کننده‌ای را به دنبال داشته است.
  برای ساخت نانو لوله‌های کربنی نیازی به فرآیند لیتوگرافی نوری نیست. بنابراین مشکلات و مسائل لیتوگرافی نوری در این جا وجود نخواهد داشت. هم‌چنین نانو لوله‌های کربنی می‌توانند چگالی جریان بسیار بالایی را تحمل کنند و عبور دهند بدون آن که دمای آن‌ها به صورت غیر عادی بالا رود. علت این مسئله ساختار مولکولی خاص نانو لوله‌های کربنی است.
  در سال 1998 برای اولین بار از نانو لوله‌های کربنی تک جداره و چند جداره که دارای خواص نیمه‌رسانایی بودند برای ساخت نانو ترانزیستور استفاده شد. برای ساخت این نانو ترانزیستورها که آن‌ها را CNTFET (که مخفف واژه‌ی Carbon Nano Tube Field Effect Transistor است و معنای آن ترانزیستور اثر میدانی با نانو لوله‌های کربنی می‌باشد) می‌گویند، نمی‌توان از نانو لوله‌های کربنی که خواص فلزی دارند استفاده کرد، چرا که این نانو لوله‌ها همواره رسانا هستند و ویژگی‌های عملکردی ترانزیستورها را ندارند (شکل 1).

شکل 1-نمای يک نانوترانزيستور واقعی​

همان طور که در مقالات چهارم و پنجم نانو الکترونیک ملاحظه کردیم، ساختار ترانزیستورهای معمولی دارای دو پایانه‌ی سورس و درین است که در فناوری کنونی یک لایه‌ی سیلیسیومی اتصال بین آن را برقرار می‌کند. اما در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند این اتصال توسط یک نانو لوله‌ی کربنی که خواص نیمه رسانایی دارد برقرار می‌شود. این ترانزیستور که با نانو لوله‌های کربنی ساخته شده، می‌تواند همانند همان ترانزیستور سیلیسیومی هم‌چون یک کلید عمل کند و مدارات الکترونیکی را بسازد (شکل 2).

شکل 2-پايانه های سورس و درین در ترانزیستورهایی که با نانو لوله‌های کربنی ساخته می‌شوند​