Het begrip nanotechnologie



Dovnload 17.71 Kb.
Datum24.08.2016
Grootte17.71 Kb.

Het begrip nanotechnologie





    1. Definitie

Het is zeer moeilijk om een definitie van nanotechnologie te schrijven. Het begrip nano komt van het Griekse woord nanos, wat letterlijk dwerg betekent. Technologie op zeer kleine schaal is dus een gepaste uitspraak.




      1. Eigen definitie

Nanotechnologie is een jonge technologie die kleine structuren bewerkt en manipuleert op zeer kleine schaal. Die structuren gaan van moleculen tot kleine nanomachines. Het is een onderdeel in de modernisering van de mens. Nanotechnologie kijkt naar alles wat op kleine voet gebeurd. De gevolgen van de ontwikkeling gaat in elke sector te voelen zijn.




      1. Belangrijkste definities

Volgens Nanoned, het grootste Nederlands onderzoekscentrum, is nanotechnologie het kunnen werken op de schaal van atomen, moleculen en supramoleculaire, individueel adresseerbare structuren (van 1 nm tot 100 nm), om daarmee grotere complex-functionele structuren met een fundamenteel nieuwe moleculaire organisatie te kunnen maken. Met nanotechnologie wordt het mogelijk materialen en systemen te ontwikkelen, waarvan de componenten en structuren revolutionair nieuwe, fysische, chemische en biologische eigenschappen, verschijnselen en processen vertonen die samenhangen met de nano-afmetingen.


Voor Imec, het belangrijkste Belgische onderzoekscentrum gelokaliseerd in Leuven, is nanotechnologie de technologie voor het fabriceren en controleren van functionele

structuren met atomaire precisie.


    1. Geschiedenis

De eerste maal dat nanotechnologie ter sprake kwam, was in de toespraak van de Nobelprijswinnaar Richard Feynman in 1959. De speech genaamd There’s plenty of room at the bottom vond plaats op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society. In deze toespraak maakt hij gebruik van voorbeelden om te illustreren dat er een enorme hoeveelheid informatie kan opgeslagen worden op een beperkte plaats. Hij schatte dat ongeveer alle boeken op de wereld (24 miljoen, allemaal dezelfde grote als een encyclopedie) op nanoschaal geschreven, even groot waren als een stukje stof. Nauwelijks waarneembaar voor het menselijke oog.


Het onderwerp won bekendheid toen Eric Drexler zijn eerste boek uitbracht over de basisbeginselen van nanotechnologie en hun toekomstige toepassingen, Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Zijn tweede boek Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation ging hij veel dieper in op het onderwerp en het maken van nanosystemen.
Maar de allergrootste doorbraak kwam er in 1981 toen Heinrich Rohrer en Gerd Binnig, IBM-onderzoekers en nobelprijswinnaars, een roostertunnelmicroscoop ontwikkelden. Daarmee konden zij voor het eerst afzonderlijke atomen zien. De microscoop (STM) werkte op basis van een naald die over een oppervlakte zweefde en zo de kleine knobbeltjes kon waarnemen en een computer zette deze informatie om in een gekleurd beeld. Maar omdat de microscoop niet op punt stond, sprong soms de naald in het oppervlakte. Als de naald dan uit het oppervlakte kwam, pakte ze altijd een paar atomen mee. Zo is de eerste machine ontstaan die afzonderlijke atomen kom manipuleren.

In 1990 konden de onderzoekers in San José, Californië, de legendarische letters IBM spellen op nanoschaal. Ze schikten een aantal xenonatomen op een nikkelkristal. Dit was de eerste stap in nanotechnologie. Voor velen is dit het echte begin van de nano-ontwikkelingen.




Verschillende technologieën





    1. Nano-elektronica




      1. De wet van Moore

In 1965 maakte de Amerikaan Gordon Moore een bekende uitspraak. Hij stelde dat het aantal transistors op een chip elke 12 maand zou verdubbelen. Dit betekent dat de rekenkracht van de computers zou verdubbelen. Doorheen de tijd werd de uitspraak aangepast van 12 naar 18 maanden en uiteindelijk naar 24 maanden. Deze uitspraak geldt nog steeds, maar wetenschappers weten dat de wet niet lang meer gaat meegaan. Ook Moore zelf is zich bewust van het probleem. In het jaar 2017 voorspelt hij dat zijn bekende uitspraak niet meer geld. De onderzoekers krijgen steeds meer problemen met de wetten van de fysica.




      1. Chips




        1. Klassieke chipfabricage of topdownbenadering

De grondstof voor een chip te maken is zuiver zand. Door verscheidene bewerkingen zal men uit het zand het element silicium kunnen verkrijgen. Dit element is noodzakelijk voor de werking van chips. Deze stof is een halfgeleider, dit wil zeggen dat er stroomgeleiding ontstaat door het toevoegen van energie in de vorm van warmte. Silicium laat ook elektrische stroom door wanneer het element wordt verontreinigd met andere stoffen zoals boor of fosfor.

Het bekomen silicium wordt versneden in schijven. Zo’n schijf noemt men een wafer. De siliciumschijven hebben een dikte van 0.2mm en worden in 125, 200 of 300 mm doorsnede gezaagd.

Het proces om de fijne patronen op de siliciumschijf aan te brengen noemt lithografie. Eerst wordt op de siliciumschijf een laag met lichtgevoelig plastic aangebracht. Het elektronisch circuit staat op een masker en wordt via uv-licht en lenzen geprojecteerd op de siliciumschijf. De delen die belicht zijn van de lichtgevoelige laag worden verwijderd. Daarna worden de delen zonder de lichtgevoelige laag weggeëtst door middel van gassen of zuren. Er ontstaan kanaaltjes die gevuld worden met vreemde ionen (boor, fosfor…). De eigenschappen van silicium worden zeer lokaal gewijzigd, waardoor er transistors ontstaan. Zij zijn de bouwstenen van het elektronisch circuit.

Tussen de verschillende transistors worden nadien isolerende lagen en metaalverbindingen aangebracht. Zo kunnen de elektrische signalen geen fout maken.

Uiteindelijk staan op een siliciumschijf enkele honderden naakte chips of dices. Na het reinigen en verzagen door middel van een lazer kunnen de chips afzonderlijk verpakt worden.


Momenteel hebben de transistors een breedte van 90 nanometer. Maar om meer schakelingen (transistors) op een chip te zetten, zijn er kleine structuren nodig. Vanaf 2017 zullen de transistors een breedte hebben van 20 nanometer. Vanaf die grootte duiken er problemen op, de wetten uit de kwantummechanica kunnen de werking van de transistors verstoren.
Een eerste probleem is dat de breedte van het kanaaltje evenredig moet zijn met de golflengte van het uv-licht. Hoe kleiner de breedte van de transistors, hoe kleiner de golflengte. Uiteindelijk moeten de kleinere golflengten worden bereikt met een aantal trucs.
Het tweede puntje is het projecteren van het circuitpatroon op de siliciumschijf. Het projecteren gebeurt met nauwkeurige lenzen en spiegels. Maar een kanaaltje van 20 nanometer moet het zeer precies gebeuren. Het kanaaltje is amper 100 siliciumatomen breed.

Volgens de kwantummechanica is het mogelijk dat er een proces bestaat waarbij de elektronen gaan tunnelen. Hierbij vervaagt het verschil tussen de aan en uit stand van de schakelaar. Het proces kan worden beperkt door zeer netjes te etsen.


Één van de dichtstbijzijnde problemen is de warmte die de chips gaan afgeven als ze op een grote snelheid werken. Wetenschappers gebruiken andere metaal om dit probleem op te lossen. Ook betere coolingsmethodes door middel van watercooling of door te werken met peltiers.


        1. Bottom-up

Het basisidee bij de bottom-up methode is het gebruik van een enkel molecuul als transistor. Ze gaan ervan uit dat er materiaal wordt toegevoegd in plaats van weggenomen. Een belangrijk onderdeel van bottom-up is de zelfassemblage.


Een nieuw soort transistor is ontstaan via deze methode. De nanobuisjes of buckybuizen hebben een patroon van kippengaas. Ze bestaan uit koolstofatomen. Het oorspronkelijke probleem met de nanobuisjes was dat ze niet dezelfde eigenschappen hadden. Door de buisjes op een siliciumchip te zetten en vervolgens een serie elektrische pulsen door de chip te sturen, kon men de halfgeleiders ontdekken. Deze halfgeleiders werden dan gebruikt al transistors. Maar ze bleken veel sneller te werken dan de ordinaire transistors. Ze konden ook werken tegen een lager energieverbruik. Wat voor de toekomst zeer interessant kan zijn.
Deze technologie is nog maar heel jong. Ze heeft nog een lange weg te gaan. Maar wetenschappers denken dat de bottom-up methode nooit de traditionele methode, die al veel ontwikkelder is, zal verslagen. lithografie is nog altijd de beste methode, ze is goedkoper en geschikt voor massaproductie. Ze staat ook al meer op punt dan de bottom-up methode.

Maar er is een toekomst voor deze methode. Andere toepassingen zijn bijvoorbeeld het koppelen van elektrische signalen of de nanomechanica.




      1. De nano-elektronica industrie




        1. Processors

De huidige processors bevatten meerdere delen maar een core en het cachegeheugen zijn de belangrijkste. De core wordt omgeven door het cachegeheugen.

Het cachegeheugen is het snelste geheugen in een computer. Het werkt aan dezelfde snelheid als je processor. Maar het cachegeheugen is niet bedoeld voor massaopslag maar voor dingen op te slaan die de processor veel nodig heeft. Producenten van processors verhogen alsmaar het cachegeheugen om zo meer data te kunnen opslaan in dat geheugen en de computer sneller te laten werken. Als een computer data moet ophalen vanuit het ramgeheugen, doet hij daar 60 nanoseconden over. Maar als hij vanuit zijn cache iets kan laden duurt het maar 2 nanoseconden.

De core is het belangrijkste deel, hij is de eigenlijke processor. De core voert alle berekeningen uit. De huidige grote van de cores is 90 nm. In de toekomst worden ze alsmaar kleiner en kleiner. In de toekomst willen op 65 nm en 45 nm produceren. Tegenwoordig zijn processors met twee cores of meer geen uitzondering. Ze zijn meestal nodig voor zware berekeningen of dienen als server. Het aantal transistors per core verdubbelen ook volgens de Wet van Moore.



Momenteel is er een strijd tussen de twee grootste chipsetproducenten van de wereld, AMD en Intel. De producenten maken allebei gebruik van nanotechnologie om de snelheid te vermeerderen. Intel was een grondlegger van nanotechnologie (Richard Feynman was één van de oprichters). Maar de nieuwkomer AMD doet samen met IBM onderzoek naar kleinere cores. In de toekomst zullen er ‘multi-gate transistors’ komen, die hebben 2 uitgangen om de elektronen kwijt te raken. Momenteel zijn er alleen nog maar transistors die 1 uitgang hebben.

Er is ook onderzoek naar de eerder vermelde nanotubes. Zij zullen ervoor zorgen dat de chips kleiner en sneller zullen werken. De meest recente techniek noemt Extreme Ultraviolet(EUV). Dit is een techniek die door het gebruik van licht met een kortere golflente voor preciezere chipfabricage en kleinere chips kan zorgen.



De database wordt beschermd door het auteursrecht ©opleid.info 2017
stuur bericht

    Hoofdpagina