Nanowires ทำงานอย่างไร

ในปีพ.ศ. 2508 วิศวกรกอร์ดอน มัวร์ คาดการณ์ว่าจำนวนทรานซิสเตอร์บนวงจรรวมซึ่งเป็นสารตั้งต้นของไมโครโปรเซสเซอร์ จะเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่าทุกๆ สองปีโดยประมาณ วันนี้ เราเรียกคำทำนายนี้ว่ากฎของมัวร์แม้ว่าจะไม่ใช่กฎทางวิทยาศาสตร์เลยก็ตาม กฎของมัวร์เป็นมากกว่าคำทำนายที่ตอบสนองตนเองเกี่ยวกับอุตสาหกรรมคอมพิวเตอร์ ผู้ผลิต ไมโครโปรเซสเซอร์พยายามที่จะทำตามการคาดการณ์ เพราะหากไม่เป็นไปตามที่คาดการณ์ไว้ คู่แข่งจะ [แหล่งที่มา: Intel ]

แกลเลอรี่ภาพนาโนเทคโนโลยี

เพื่อให้พอดีกับทรานซิสเตอร์บนชิปมากขึ้น วิศวกรต้องออกแบบทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กลง ชิปตัวแรกมีทรานซิสเตอร์ประมาณ 2,200 ตัว ทุกวันนี้ ทรานซิสเตอร์หลายร้อยล้านตัวสามารถใส่ลงในชิปไมโครโปรเซสเซอร์ตัวเดียวได้ ถึงกระนั้น บริษัทต่างๆ ก็มุ่งมั่นที่จะสร้างทรานซิสเตอร์ที่มีขนาดเล็กลงเรื่อยๆ โดยยัดเข้าไปในชิปที่มีขนาดเล็กลง มี ชิป คอมพิวเตอร์ อยู่แล้ว ที่มีทรานซิสเตอร์ระดับนาโน (ระดับนาโนอยู่ระหว่าง 1 ถึง 100 นาโนเมตร -- นาโนเมตรคือหนึ่งในพันล้านของเมตร) ทรานซิสเตอร์ในอนาคตจะต้องเล็กกว่านี้อีก

ป้อน nanowire โครงสร้างที่มีอัตราส่วนความยาวต่อความกว้าง ที่ น่า ทึ่ง ลวดนาโนสามารถบางอย่างไม่น่าเชื่อ - เป็นไปได้ที่จะสร้างเส้นนาโนที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเพียงหนึ่งนาโนเมตรแม้ว่าวิศวกรและนักวิทยาศาสตร์มักจะทำงานกับสายนาโนที่มีความกว้างระหว่าง 30 ถึง 60 นาโนเมตร นักวิทยาศาสตร์หวังว่าในไม่ช้าเราจะสามารถใช้สายนาโนเพื่อสร้างทรานซิสเตอร์ที่เล็กที่สุด แม้ว่าจะมีอุปสรรคที่ค่อนข้างยากอยู่บ้าง

ในบทความนี้ เราจะมาดูคุณสมบัติของสายนาโน เราจะเรียนรู้วิธีที่วิศวกรสร้างสายนาโนและความคืบหน้าในการสร้างชิปอิเล็กทรอนิกส์โดยใช้ทรานซิสเตอร์นาโนไวร์ ในส่วนสุดท้าย เราจะดูการใช้งานที่เป็นไปได้บางอย่างสำหรับสายนาโน รวมถึงการใช้งานทางการแพทย์บางอย่าง

ในส่วนถัดไป เราจะตรวจสอบคุณสมบัติของสายนาโน

­

ผอมแค่ไหนก็ผอมได้

เส้นผมของมนุษย์มักมีความกว้างระหว่าง 60 ถึง 120 ไมโครเมตร สมมติว่าคุณได้พบผมเส้นเล็กพิเศษที่มีความกว้าง 60 ไมโครเมตร ไมโครมิเตอร์เท่ากับ 1,000 นาโนเมตร ดังนั้น คุณจะต้องตัดผมตามยาวอย่างน้อย 60,000 ครั้ง เพื่อสร้างเกลียวให้หนาหนึ่งนาโนเมตร

1. คุณสมบัติของสายนาโน
2. การสร้างสายนาโนจากบนลงล่าง
3. นาโนไวร์ที่กำลังเติบโต
4. แอพพลิเคชั่น Nanowire

ลวดนาโนสามารถมีคุณสมบัติเป็นฉนวน เซมิคอนดักเตอร์หรือโลหะได้ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับสิ่งที่ทำมาจาก ฉนวนไม่มีประจุไฟฟ้า ในขณะที่โลหะสามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้อย่างดี เซมิคอนดักเตอร์ตกอยู่ระหว่างทั้งสองโดยมีประจุภายใต้เงื่อนไขที่เหมาะสม ด้วยการจัดเรียงสายเซมิคอนดักเตอร์ในการกำหนดค่าที่เหมาะสม วิศวกรสามารถสร้างทรานซิสเตอร์ ซึ่งทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือแอมพลิฟายเออร์

คุณสมบัติที่น่าสนใจและตอบโต้ได้ - นาโนไวร์เลสมีอยู่เนื่องจากมีขนาดเล็ก เมื่อคุณทำงานกับวัตถุที่มีขนาดนาโนหรือเล็กกว่า คุณจะเริ่มเข้าสู่ขอบเขตของกลศาสตร์ควอนตัม กลศาสตร์ควอนตัมอาจสร้างความสับสนได้แม้กระทั่งกับผู้เชี่ยวชาญในสาขานี้ และบ่อยครั้งที่กลไกนี้ท้าทายฟิสิกส์คลาสสิก (หรือที่รู้จักในชื่อฟิสิกส์ของนิวตัน)

ตัวอย่างเช่น โดยปกติอิเล็กตรอนไม่สามารถผ่านฉนวนได้ หากฉนวนบางเพียงพอ อิเล็กตรอนสามารถผ่านจากด้านหนึ่งของฉนวนไปยังอีกด้านหนึ่งได้ มันเรียกว่าอุโมงค์อิเล็กตรอนแต่ชื่อนี้ไม่ได้ให้ความคิดคุณจริงๆ ว่ากระบวนการนี้ประหลาดแค่ไหน อิเล็กตรอนผ่านจากด้านหนึ่งของฉนวนไปยังอีกด้านหนึ่งโดยไม่ได้เจาะทะลุตัวฉนวนเองจริง ๆ หรือครอบครองพื้นที่ภายในฉนวน คุณอาจบอกว่ามันเคลื่อนย้ายจากด้านหนึ่งไปอีกด้านหนึ่ง คุณสามารถป้องกันการอุโมงค์อิเล็กตรอนได้โดยใช้ชั้นฉนวนที่หนาขึ้น เนื่องจากอิเล็กตรอนสามารถเดินทางในระยะทางที่น้อยมากเท่านั้น

คุณสมบัติที่น่าสนใจอีกประการหนึ่งคือสายนาโนบางชนิดเป็นตัวนำขีปนาวุธ ในตัวนำปกติ อิเล็กตรอนชนกับอะตอมในวัสดุตัวนำ สิ่งนี้จะทำให้อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ช้าลงและสร้างความร้อนเป็นผลพลอยได้ ในตัวนำขีปนาวุธ อิเล็กตรอนสามารถเดินทางผ่านตัวนำได้โดยไม่ชนกัน สายไฟนาโนสามารถนำไฟฟ้าได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยปราศจากความร้อนจัด

ที่ระดับนาโน องค์ประกอบสามารถแสดงคุณสมบัติที่แตกต่างจากที่เราคาดไว้มาก ตัวอย่างเช่น ทองคำจำนวนมากมีจุดหลอมเหลวมากกว่า 1,000 องศาเซลเซียส การลดทองปริมาณมากให้เท่ากับอนุภาคนาโน คุณจะลดจุดหลอมเหลวของทองคำลง เพราะเมื่อคุณลดอนุภาคใดๆ ให้เหลือระดับนาโน อัตราส่วนพื้นผิวต่อปริมาตรจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ ในระดับนาโน ทองคำมีลักษณะเหมือนสารกึ่งตัวนำ แต่ในปริมาณมาก ทองคำมีลักษณะเป็นตัวนำ

องค์ประกอบอื่น ๆ ก็มีพฤติกรรมแปลก ๆ ในระดับนาโนเช่นกัน โดยมาก อลูมิเนียมไม่ได้เป็นแม่เหล็กแต่กลุ่มอะตอมอะลูมิเนียมขนาดเล็กมากเป็นแม่เหล็ก คุณสมบัติของธาตุที่เราคุ้นเคยในประสบการณ์ในชีวิตประจำวันของเรา – และวิธีที่เราคาดหวังให้พวกมันมีพฤติกรรม – อาจไม่นำมาใช้เมื่อเราลดองค์ประกอบเหล่านั้นให้เหลือขนาดนาโนเมตร

เรายังคงเรียนรู้เกี่ยวกับคุณสมบัติต่างๆ ขององค์ประกอบต่างๆ ในระดับนาโน องค์ประกอบบางอย่าง เช่น ซิลิกอน จะไม่เปลี่ยนแปลงมากนักในระดับนาโน ทำให้เหมาะสำหรับทรานซิสเตอร์และการใช้งานอื่นๆ ส่วนอื่นๆ ยังคงลึกลับและอาจแสดงคุณสมบัติที่เราไม่สามารถคาดเดาได้ในขณะนี้

ในส่วนถัดไป เราจะมาดูกันว่าวิศวกรสร้างสายนาโนได้อย่างไร

ท่อนาโนคาร์บอนและจุดควอนตัม

นาโนไวร์เป็นเพียงวิศวกรโครงสร้างที่น่าตื่นเต้นและนักวิทยาศาสตร์ที่กำลังสำรวจในระดับนาโน วัตถุระดับนาโนที่สำคัญอีกสองชิ้นคือท่อนาโนคาร์บอนและจุดควอนตัม ท่อนาโนคาร์บอนเป็นโครงสร้างทรงกระบอกที่ดูเหมือนแผ่นกราไฟต์ที่ม้วนขึ้น คุณสมบัติของมันขึ้นอยู่กับว่าคุณหมุนแกรไฟต์เข้าไปในกระบอกสูบอย่างไร -- คุณสามารถสร้างเซมิคอนดักเตอร์ได้ด้วยการกลิ้งอะตอมของคาร์บอนไปทางเดียว แต่การรีดด้วยวิธีอื่นจะทำให้วัสดุแข็งแรงกว่าเหล็กถึง 100 เท่า จุดควอนตัมคือกลุ่มของอะตอมที่รวมกันทำหน้าที่เหมือนอะตอมยักษ์ตัวเดียว แม้ว่าเราจะพูดถึงขนาดนาโนโดยยักษ์ก็ตาม จุดควอนตัมเป็นสารกึ่งตัวนำ

ผู้เชี่ยวชาญด้านนาโนศาสตร์พูดถึงแนวทางที่แตกต่างกันสองวิธีในการสร้างสิ่งต่างๆ ในระดับนาโน ได้แก่ วิธีการจากบนลงล่างและ แนวทางจาก ล่างขึ้นบน วิธีการจากบนลงล่างหมายความว่าคุณต้องนำวัสดุจำนวนมากที่คุณวางแผนจะใช้สำหรับสายนาโนและแกะออกจนกว่าคุณจะได้ขนาดที่เหมาะสม วิธีการจากล่างขึ้นบนเป็นกระบวนการประกอบที่อนุภาคขนาดเล็กรวมกันเพื่อสร้างโครงสร้างที่ใหญ่ขึ้น

แม้ว่าเราจะสามารถสร้างสายนาโนได้ด้วยวิธีใดวิธีหนึ่ง แต่ก็ไม่มีใครพบวิธีที่จะทำให้การผลิตจำนวนมากเป็นไปได้ ตอนนี้ นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรจะต้องใช้เวลามากในการสร้างเส้นลวดนาโนจำนวนเล็กน้อยที่จำเป็นสำหรับชิปไมโครโปรเซสเซอร์ ความท้าทายที่ยิ่งใหญ่กว่านั้นคือการหาวิธีจัดเรียงสายนาโนอย่างเหมาะสมเมื่อสร้างขึ้น เครื่องชั่งขนาดเล็กทำให้เป็นเรื่องยากมากที่จะสร้างทรานซิสเตอร์โดยอัตโนมัติ ขณะนี้วิศวกรมักจะจัดการสายไฟให้เข้าที่ด้วยเครื่องมือในขณะที่สังเกตทุกอย่างผ่านกล้องจุลทรรศน์อัน ทรงพลัง

ตัวอย่างของวิธีการจากบนลงล่างคือวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สร้าง สาย นาโนไฟเบอร์ออปติก สายไฟเบอร์ออปติกนำข้อมูลในรูปของแสง ในการสร้างสายนาโนไฟเบอร์ออปติก อันดับแรกวิศวกรเริ่มต้นด้วยสายไฟเบอร์ออปติกปกติ มีหลายวิธีในการลดสายเคเบิลใยแก้วนำแสงเป็นระดับนาโน นักวิทยาศาสตร์สามารถทำให้แท่งที่ทำจากไพลินร้อนขึ้น พันสายเคเบิลไว้รอบๆ แกน แล้วดึงสายเคเบิล ยืดเส้นบางๆ เพื่อสร้างเส้นลวดนาโน อีกวิธีหนึ่งใช้เตาเผาขนาดเล็กที่ทำจากไพลินกระบอกเล็กๆ นักวิทยาศาสตร์ดึงสายเคเบิลใยแก้วนำแสงผ่านเตาแล้วยืดเป็นเส้นนาโนบาง ๆ ขั้นตอนที่สามที่เรียกว่าการแปรง ด้วยเปลวไฟ ใช้เปลวไฟภายใต้สายเคเบิลใยแก้วนำแสงในขณะที่นักวิทยาศาสตร์ยืดมัน [แหล่งที่มา: Gilberto Brambilla และ Fei Xu ]

ในหัวข้อถัดไป เราจะมาดูวิธีที่นักวิทยาศาสตร์สามารถปลูกสายนาโนจากล่างขึ้นบนได้

มองดูระดับนาโน

A nanoscientist's microscope isn't the same kind that you'll find in a high school chemistry lab. When you get down to the atomic scale, you're dealing with sizes that are actually smaller than the wavelength of visible light. Instead, a nanoscientist could use a scanning tunneling microscope or an atomic force microscope. Scanning tunneling microscopes use a weak electric current to probe the scanned material. Atomic force microscopes scan surfaces with an incredibly fine tip. Both microscopes send data to a computer , which assembles the information and projects it graphically onto a monitor .

การสะสมไอเคมี (CVD) เป็นตัวอย่างของวิธีการจากล่างขึ้นบน โดยทั่วไป CVD หมายถึงกลุ่มของกระบวนการที่ของแข็งก่อตัวจากเฟสก๊าซ นักวิทยาศาสตร์ฝากตัวเร่งปฏิกิริยา (เช่นอนุภาคนาโนทองคำ) ไว้บนฐานที่เรียกว่าสารตั้งต้น ตัวเร่งปฏิกิริยาทำหน้าที่เป็นจุดดึงดูดสำหรับการสร้างเส้นลวดนาโน นักวิทยาศาสตร์วางสารตั้งต้นไว้ในห้องที่มีก๊าซซึ่งมีองค์ประกอบที่เหมาะสม เช่น ซิลิกอน และอะตอมในแก๊สทำหน้าที่ทั้งหมด อย่างแรก อะตอมในแก๊สจะเกาะติดกับอะตอมในตัวเร่งปฏิกิริยา จากนั้นอะตอมของก๊าซเพิ่มเติมจะเกาะติดกับอะตอมเหล่านั้น เป็นต้น ทำให้เกิดห่วงโซ่หรือลวด กล่าวอีกนัยหนึ่ง nanowires ประกอบตัวเอง

วิธีใหม่ในการสร้างสายนาโนคือการพิมพ์โดยตรงไปยังพื้นผิวที่เหมาะสม ทีมนักวิจัยในซูริกเป็นผู้บุกเบิกวิธีการนี้ ขั้นแรก พวกเขาแกะสลักแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอนเพื่อให้ส่วนที่ยกขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์ใกล้เคียงกับวิธีที่พวกเขาต้องการให้สายนาโนจัดเรียง พวกเขาใช้แผ่นเวเฟอร์เหมือนตราประทับ กดลงบนยางสังเคราะห์ที่เรียกว่าPDMS จากนั้นจึงดึงของเหลวที่เต็มไปด้วยอนุภาคนาโนทองคำที่เรียกว่าสารแขวนลอยคอลลอยด์ข้าม PDMS อนุภาคทองตกลงสู่ช่องที่สร้างขึ้นโดยแผ่นเวเฟอร์ซิลิกอน ตอนนี้ PDMS กลายเป็นแม่พิมพ์ที่สามารถถ่ายโอน "การพิมพ์" ของสายนาโนทองคำไปยังพื้นผิวอื่นได้ แม่พิมพ์ PDMS สามารถใช้ซ้ำได้และอาจมีบทบาทในการผลิตจำนวนมากของวงจรสายนาโนในอนาคต [แหล่งข่าว:Nature Nanotechnology].

Several laboratories have created transistors using nanowires, but their creation requires a lot of time and manpower. Nanowire transistors perform as well or better than current transistors. If scientists can find a way to design a way to produce and connect nanowire transistors together efficiently, it will pave the way to smaller, faster microprocessors , which will allow the computer industry to keep up with Moore's Law. Computer chips will continue to get smaller and more powerful.

Research in nanowire production continues across the world. Many scientists believe it's just a matter of time before someone comes up with a viable way to mass produce nanowires and nanowire transistors. Hopefully, if and when we reach that point, we'll also have a way to arrange nanowires the way we want so that we can use them to their full potential.

In the next section, we'll learn about the potential applications of nanowire technology.­

Nature's Home-grown Nanowires

Until recently, scientists believed all nanowires were manmade, but a couple of years ago biologists discovered that bacteria that can grow their own nanowires. A bacterium called Geobacter sulfurreducens dumps electrons onto metal atoms (the electrons are a byproduct of the bacterium's fuel consumption). If there is a shortage of metal in the bacterium's environment, it will grow a nanowire appendage to conduct electrons to the nearest metal, allowing the bacterium to consume more fuel. Scientists hope to build organic fuel cells using bacteria like Geobacter sulfurreducens to produce electricity .

Perhaps the most obvious use for nanowires is in electronics. Some nanowires are very good conductors or semiconductors , and their miniscule size means that manufacturers could fit millions more transistors on a single microprocessor . As a result, computer speed would increase dramatically.

Nanowires may play an important role in the field of quantum computers . A team of researchers in the Netherlands created nanowires out of indium arsenide and attached them to aluminum electrodes. At temperatures near absolute zero, aluminum becomes a superconductor, meaning it can conduct electricity without any resistance. The nanowires also became superconductors due to the proximity effect. The researchers could control the superconductivity of the nanowires by running various voltages through the substrate under the wires [source: New Scientist].

Nanowires may also play an important role in nano-size devices like nanorobots. Doctors could use the nanorobots to treat diseases like cancer. Some nanorobot designs have onboard power systems, which would require structures like nanowires to generate and conduct power.

Using piezoelectric material, nanoscientists could create nanowires that generate electricity from kinetic energy. The piezoelectric effect is a phenomenon certain materials exhibit -- when you apply physical force to a piezoelectric material, it emits an electric charge. If you apply an electric charge to this same material, it vibrates. Piezoelectric nanowires might provide power to nano-size systems in the future, though at present there are no practical applications.

There are hundreds of other potential nanowire applications in electronics. Researchers in Japan are working on atomic switches that might some day replace semiconductor switches in electronic devices. Scientists with the National Renewable Energy Laboratory hope that coaxialnanowires will improve the energy efficiency of solar cells. Because we are still learning about the properties of nanowires and other nanoscale structures, there could be thousands of applications we haven't even considered yet.

To learn more about nanowires and related topics, follow the links on the next page.

Nanowires in Medicine

Not all nanowire applications are in the field of electronics. At the University of Arkansas, researchers are using nanowires to coat titanium implants. Doctors have discovered that muscle tissue sometimes doesn't adhere well to titanium, but when coated with the nanowires, the tissue can anchor itself to the implant, reducing the risk of implant failure.

­Scientists at the Gladstone Institute of Cardiovascular Disease are experimenting with nanowires and stem cells. They hope that by running an electric current through a nanowire into the stem cell they can direct how the cell differentiates [source: Berkeley Lab].

Related Articles

More Great Links