85
M Ü H A Z İ R Ə - 12 - 13
NANOTEXNOLOGİYALARIN TƏDBİQ SAHƏLƏRİ.
NANOELEKTRONİKA:
nanoobyektlər əsasında işləyən elektron qurğuları.
Hazirki dövrdə nanotexnologiyalarin tədbiq sahələri dedikdə, fikrimizə bir
çox elm sahələrinin gəlməsin baxmayaraq, bunlar içərisində informatika sahəsində,
biologiysa sahəsində və tibb sahəsindəki nailiyyətləri xüsusi qeyd etmək lazımdır.
Bu mühazirəmizdə biz nanotexnologiyaların əsas tətbiq sahəsi olan
nanoelektronikadan söhbət açacağıq.
Nanoelektronika elektron inteqral sxemlərinin yaradılmasında fiziki və
texnoloji əsasın hazırlanması ilə məşğul olan müasir elektronikanın bir
bölməsidir.
Nanoelektronikanın hazırkı dövrdə qarşısında duran əsas məsələlər
1)
ölçüləri 100 nm-dən kiçik olan elementlərdən miniatür yeni elektron
qurğularının hazırlanması;
2)
bunun üçün üsul və texnologiyaların yaradılması;
3)
və sonda bütün bunların inteqral sxemlər şəklində birləşdirilməsindən
ibarətdir.
Nanoelektronika sahəsində çalışan mütəxəssislər qarşılarına qoyduqları
məsələləri həll etmək üçün mexanika, materialşünaslıq, fizika, kimya, biologiya
və tibb sahəsində əldə edilən son nailiyyətlərdən lazımınca bəhrələnməlidirlər. İlk
mühazirələrimizdə qeyd etdiyimiz kimi, nanotexnologiyaların tədqib sahəsindən
asılı olmayaraq, bu texnologiyalar bütün təbiət elmlərini bir araya gətirir və hər bir
istiqamətdə qarşıya qoyulan məqsədə çatmaq üçün, bu nailiyyətlər birgə tədbiq
edilməlidir.
Müasir elektronikanın qarşısında duran əsas məqsəd isə elektron
qurğularının ölçü və kütlələrinin kiçildilməsindən ibarətdir. Yaxın tariximizə nəzər
salsaq görərik ki, bu məqsədə müəyyən dərəcədə çatılmışdır. Belə ki,
elektrotexniki komponentlərdən elektron lampalarına, lampalardan tranzistorlara,
tranzistorlardan inteqral sxemlərə ardıcıl texnoloji keçid müasir mobil telefonların,
cib kompüterlərinin, şəxsi tibbi aparatların və müasir insanın həyatında istifadə
edilə bilən daha bir sıra qurğuların yaradlmasına güclü təkan vermişdi.
1965-ci ildə İntel kompaniyasının təsisçilərindən biri olan Qordon Mur
maraqlı bir kəşf etdi. O gördü ki, inteqral sxemlərin elementlərinin tez-tez
kiçildilməsi, sonradan onun adını daşıyan Mur qanununa tabe olur, yəni inteqral
sxemdə elektron komponentlərinin yerləşmə (yığılma) sıxlığı təqribən hər 1,5-2 ilə
2 dəfə artır ki, bu da öz növbəsində, hesablama gücünün və məhsuldarlığın 2 dəfə
artımına gətirib çıxarır. Bu qanun, İntel kompaniyası tərəfindən istehsal olunan
bütün məhsullarda özünü tam doğruldur.
Lakin bu qanunauyğunluq sonsuzluğa qədər davam edə bilməz, yəni müasir
mikrosxemlərin əsasını təşkil edən elementlərin ölçüləri müəyyən həddə qədər
86
kiçildilə bilər. Onda belə bir sual verə bilərsiniz: “Hansı ölçülərə qədər kişilmə
mümkündür?”. Bu sualın cavabı da artıq fiziklərə məlumdur. Bu gün müasir
texnika nəzəri olaraq informasiyanı bir elektron vasitəsilə saxlamağa və ötürməyə
yaxındır. Bu o deməkdir ki, inteqral sxemlərin elementlərinin ölçüləri bir neçə
atom layı tərtibindən kiçik ola bilməz. Bu ölçülərdə bilirik ki, artıq klassik fizika
qanunları öz mahiyyətini itirir və bu cür elementlər kvant mexanikası qanunlarına
tabe olur. Ona görə də nanotexnoloji nailiyyətlərin əsasını sırf kvant mexaniki
hesablamalar təşkil edir. Əvvəlcə həq hansı bir məqsədə çatmaq üçün kvan-
mexaniki hesablamalar aparılır; bunun mümkünlüyü nəzəri sübut edildikdən sonra
isə texnologiyaların yaradılması istiqamətində araşdırmalara start verilir.
Nanoobyektlər əsasında işləyən elektron qurğuları
Elektronikada nanoobyektlərdən – nanozərrəciklərdən, kvant nöqtələrindən,
karbon nanoborularından və s. istifadə edilməsi inteqral mikrosxemlərdən inteqral
nanosxemlərə keçməyə imkan verdi. Bu deyilənlərə əyani misal olaraq
birelektronlu tranzistoru göstərmək olar.
1986-cı ildə sovet fizikləri K.K.Lixaçov və D.V.Averin tərəfindən kulon
blokadası effekti əsaslı birelektronlu tranzistorun yaradılması ideyası irəli sürülür.
Kulon blokadası effekti kvant nöqtəsindən elektronun keçməsinin qarşısının
alınması deməkdir, yəni elektronla kvant nöqtəsi arasında yaranan kontaktda
elektronların itələnməsi baş verir. Kulon blokadası elektronun nöqtədən
“uçmasını” və ora yeni elektronların “düşməsini” qoymur. Kulon blokadasını
aşmaq üçün potensial çəpərin hündürlüyünü azaltmaq və elektronların enerjisini
artırmaq lazımdır.
Birelektronlu
tranzistorun
sxematik
görünüşü
Sahə yarımkeçirici tranzistorlar kimi, birelektronlu tranzistor da 3
elektroddan – mənbədən, sürgüdən və novdan ibarətdir. Elektrodlar arası oblasta
əlavə olaraq metal, və ya yarımkeçirici “nanoadacıq” – nanozərrəcik, və ya
nanoklaster elə yerləşdirilir ki, o elektrodlardan dielektrik layı ilə izolə olunmasına
baxmayaraq, müəyyən şərtlər daxilində orada elektronun hərəkəti mümkün olur.
Mənbə ilə nov arasına gərginlik verdikdə, onlardan cərəyan keçmir. Çünki bu
zaman nanozərrəcik elektronların hərəkətinin qarşısını almış olur. Cərəyanın
keçməsi üçün tənzimləyici elektrod olan sürgüdə potensial o həddə qədər artırılır
87
ki, bu qiymətdə elektronların “blokadası” yarılır və dövrədə elektrik cərəyanı,
elektronların bir-bir hərəkət etməsi hesabına, porsiyalarla axır.
Beləliklə aydın olur ki, sürgüdə potensialı tənzimləməklə elektronları bir-bir
çəpərdən keçirmək mümkündür. Bu zaman nanozərrəciklərdə elektronların sayı
10-dan çox olmamalıdır (say 10-dan az olduqda, nəticələr daha yaxşı olur). Buna
isə 10 nm ölçü tərtibli kvant quruluşlarında nail olmaq olar.
Nanoobyektlər əsasında yaradılmış digər elektron qurğus isə rezonans-tunel
diodudur.
Rezonans-tunelləşmə hadisəsinin nəzəri izahı ilk dəfə 1958-ci ildə yapon
tədqiqatçısı L.Esaki tərəfindən verilmişdir. Lakin təcrübi yolla rezonans-tunel
diodları və tranzistorları XX əsrin 90-cı illərində yarandı. Rezonans-tunel diodu
mürəkkəb dövri quruluşa malik nanometr tərtibli qurğudur.
Rezonans-tunel diodunun quruluşu (a) və onun
volt-amper xarakteristikası (b)
Rezonans-tunel diodunun iş prinsipi, yəni, rezonans-tunel diodundan keçən
cərəyanın qiyməti verilən gərginliyin qiymətindən birbaşa asılıdır. Belə ki, əgər
verilən gərginlik kiçikdirsə və potensial çəpərdən keçən elektronların enerjisi
diskret səviyyənin enerjisindən azdırsa, onda axan cəyənanın qiyməti də kiçik
olacaq (bax qrafikə). Elektronların enerjisi diskret səviyyənin enerjisinə bərabər
olduqda, cərəyan özünün maksimal qiymətini alacaq. Daha yüksək gərginliklərdə,
yəni elektronların enerjisi diskret səviyyənin enerjisindən çox olduqda isə, cərəyan
da azalacaq. Şəkildən göründüyü kimi, rezonans-tunel diodunun volt-amper
xarakteristikasında maksimumlar və mənfi differensial müqavimətli hissələr vardır.
Bu isə çox səviyyəli məntiqi elementlərin, yaddaş elementlərinin və yüksəktezlikli
generatorların yaradılması üçün vacib şərtdir.
Rezonans-tunel dioduna tənzimləyici elektrod əlavə etməklə, onu rezonans-
tunel tranzistoruna çevirmək olar.
Nanokompüterlər
Nanotexnologiyaların digər tədbiq sahəsi nanokompüterlərin yaradılması ilə
bağlıdır. Hazırki dövrdə nnanokompüterlərin yaradılması, informasiyanın müxtəlif
cür ötürülməsindən asılı olaraq, bir neçə istiqamətdə aparılıq: kvant məntiqi əsaslı,
88
klassik məntiqi əsaslı, genetik, molekulyar-bioloji və molekulyar-mexaniki. Bu cür
kompüterlərə V nəsil kompüterlər, və ya kvant kompüterləri də deyirlər. Belə
hesab edilir ki, kvant kompüterlərinin iş prinsipi kvant-mexaniki effektlərdən və
kvant alqoritmlərini realizə edə bilən hesablayıcı qurğudan ibarət olacaq, yəni bu
kompüterlər kvant məntiqi əsasında işləyəcək.
Süni
intellekt
əsasında kompüter yaradılması ideyasına ilk dəfə 1980-ci ildə
start verilmiş və bunu həyata keçirmək üçün Yaponiya dövləti tərəfindən təqribən
500 milyon dollar xərclənmişdi. Lakin bu proqram çox kiçik zaman ərzində iflasa
uğramışdır.
1997-ci
ildə Cənubi Kaliforniya universitetinin professoru Leonard Adleman
göstərir ki, içərisində DNT molekulu olan kiçik qurğu vasitəsilə adi kompüterlərdə
olduğu kimi, klassik kombinasiya məsələlərini həll etmək mümkündür. Bu üsul
DNT-metod adlandırılmış və müəyyən olunmuşdur ki, onunla məlum biokimyəvi
reaksiyalar apardıqda, qısa zaman kəsiyində bütün mümkün həll variantlarını
tapmaq olar. Bunun üçün lazım olan məlumatı kodlaşdıran DNT-molekulunu
müəyyən etmək lazımdır. Lakin bu üsulun da öz çətinlikləri var; bunlardan biri
ardıcıl olaraq uzun reaksiyaların aparılması ilə, digəri isə kompüterin öz
kütləsindən qat-qat çox DNT molekulunun lazım olması ilə bağlıdır (təqribən
Yerin kütləsi qədər). Lakin buna baxmayaraq, 2004-cü ilin aprel ayının 28-də bir
qrup alim tərəfindən hüceyrə səviyyəsində şiş hüceyrələrini müəyyən edən və
onları məhv etmək üçün xüsusi dərman preparatlarını buraxmaq qabiliyyətinə
malik DNT-kompüter yaradılmışdır.
Nanokompüterlərin yaradılması istiqamətində tədqiqat işləri hal-hazırda
geniş vüsət alıb. Artıq nanoprosessorun əsasını təşkil edən nanotranzistorlar
yaradılmışdır. Yəqin ki, yaxın gələcəkdə nanokompüterlər də yaranacaq.
Kvant optoelektronikası
Optoelektronika fizika və texnikanın bir bölməsi olub, optik şüalanmanı
elektrik cərəyanına və əksinə çevirən sahədir.
İnsan tərəfindən qəbul olunan informasiyanın 90%-dən çox hissəsini görmə
optik informasiya təşkil edir. Hər gün küçədə işıqforlarla və reklam ekranları ilə
qarşılaşırıq, konsert və diskotekalarda lazer şounun şahidi oluruq, evdə
kompüterin, televizorun və mobil telefonların ekranına baxırıq və heç birimiz
ağlımıza belə gətirmirik ki, bütün qeyd etdiklərimizin əsasını nanotexnologiyalar
təşkil edir və onların iş prinsipi nanoobyektlərin bir sıra xassələri ilə bağlıdır.
Optoelektronik qurğuların tətbir sahəsi genişdir:
fotoqəbuledicilər; işığı elektrik cərəyanına çevirir. İşığın təsiri altında
müqavimətin dəyişmə prinsipi ilə işləyən fotoqəbuledici fotorezistor adlanır.
işıqburaxan qurğular; cərəyanı işıq şüasına çevirir. Məsələn,
elektrolüminessent indikatorları, yarımkeçirici işıq diodları və lazerlər.
optocütlər – cüt işıqburaxan qurğu; elektrik dövrəsini izolyasiya etmək
üçün istifadə olunur. Bunlara misal olaraq “cərəyan-işıq-cərəyan”
çeviricilərini göstərmək olar.
89
optoelektron inteqral sxemlər inteqral mikrosxemlər olub, optik düyünlər
ilə komponentlər arasında optik əlaqə yaradır.
Nanotexnoloji nailiyyətlərdən istifadə edən ən geniş yayılmış qurğulardan
biri də p-n keçidi əsasında işləyən diodlar və lazerlərdir. Bu qurğuların
hazırlanması p-n keçidləri əsasında koherent və qeyri-koherent (koherent omayan)
şüalanma mənbələrinin yaradılması ilə bağlıdır.
Bilirik ki, koherent dalğalar (latınca coharent - əlaqədə olmaq deməkdir)
işıq dalğalarının qərarlaşmış rəqslərinə deyilir. Tezlikləri və dalğa uzunluqları eyni
olan işıq dalğaları koherentdir.
İşıq diodlarını qeyri-koherent, lazerləri isə koherent işıq mənbələrinə misal
göstərmək olar.
İşıq diodları
Homogen (eyni materialdan ibarət) p-n keçidinin, yəni homokeçidlər
əsasında yaradılmış işıq diodlarının iş prinsipini nəzərdən keçirək.
Qeyd etdiyimiz kimi, p-n keçidi o zaman homokeçid olur ki, burada p- və n-
oblastları eyni materialdan ibarət olsunlar. p- və n- oblastları müxtəkif materialdan
olduqda isə, belə keçid heterokeçid adlanır.
İşıq dalğaları, cərəyan yalnız düz istiqamətdə axdıqda şüalanırlar. Bu halda
elektronlar n-oblastından, deşiklər isə p-oblastından p-n keçid oblastına düşürlər.
Homokeçid əsaslı y
⁄keç. işıqburaxan diodun quruluş sxemi
Məlumdur ki, hərəkətdə olan elektronun enerjisi kimyəvi rabitədə olan
elektronun enerjisindən çox olduğu üçün, elektron və deşik toqquşduqda işıq
kvantı şəklində enerji ayrılır (bax şəklə). Aydındır ki, parlaqlıq dərəcəsi işıq
diodundan axan cərəyanla mütənasibdir.
İlk yaşıl işıq diodları fosfid qalliumdan GaP, göy işıq diodları isə silisium
karbiddən SiC düzəldilmişdir. Lakin bu materiallar aşağı intensivlikli şüalar
buraxdıqları və tez qızdıqları üçün, onlardan praktikada istifadə edilməsini
çətinləşdirirdi. Mendeleyev cədvəlinin
ΙΙΙ qrup elementlərindən nitridlərin
xassələrinin tədqiqi göstərdi ki, bunlar işıq diodları üçün ən perspektivli materiallar
ola bilərlər. Çünki onlar spektrin bütün görünən oblastında və ultrabənövşəyi
oblastda (240 nm-dən 621 nm-ə kimi) şüalanmaq qabiliyyətinə malikdirlər. XX
90
əsrin 70-ci illərində IBM kompaniyasının bir qrup əməkdaşı tərəfindən GaN
epitaksial layları əsasında bənövşəyi və mavi diodlar yaradılır. Lakin bu diodlar da
tez qızdıqları üçün, onlardan da praktikada istifadə etmək qeyri-mümkün oldu.
Nanotexnologiyaların inkişafı ilə epitaksiya prosesinin təkmilləşdirilməsi hesabına
digər materialardan ibarət altlıq üzərində 20-100 nm qalınlıqlı layların yaradılması,
yeni nəsil diodların yaradılmasına geniş imkanlar açdı. Bu cür quruluşlar sonralar
heteroquruluşlar adlandırıldı. 1989-cu ildə Ş.Nakamura ilk dəfə olaraq GaN əsaslı
heteroquruluş alır. Məhz bundan sonra GaInN-GaAlN heterokeçidli işıq diodları
yaradılır.
Homokeçiddən fərqli olaraq, heterokeçidin p- və n-oblastını möhkəm
lehimləmək olur. Lehimləmə - yarımkeçiriciyə, keçiriciliyin p və ya n tip olmasını
müəyyən edən qarışığın əlavə edilməsi deməkdir. Möhkəm lehimləmədə bu
oblastların müqaviməti hiss olunacaq dərəcədə azalır. Ona görə də, homokeçiddən
fərqli olaraq, cərəyan axanda daha az istilik ayrılır və işıq diodu qızmır. Bundan
başqa, bu işıq diodlarında elektron və deşiklərin konsentrasiyası da çox olduğu
üçün, onların parlaqlığı da daha çox olur.
Lazerlər
Koherent işıq mənbələrinə misal olaraq lazerləri göstərmək olar. Lazer
ingiliscə Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation sözlərinin baş
hərfləri olub, hərfi tərcümədə məcburi şüalanma ilə işığın gücləndirilməsi
deməkdir, yəni məcburi şüalanmadan istifadə edərək koherent işıq seli yaradan
qurğuya lazer deyilir. Lazerlər qərarlaşmış dalğalar şüalandırır (eyni tezlikli, eyni
dalğa uzunluqlu). Yarımkeçirici lazer ən kompakt, ekonomik hesab olunur. Məhz
bu səbəbdən ondan CD- və ya DVD-pleyerlərdə, lazer printerlərində, və həmçinin,
kompüterlərdə istifadə olunur. Telefon, internet, optik, və ya digər kabel rabitələri
yarımkeçirici lazerlər hesabına sıçrayışla inkişaf etmişdir. Son 40 il ərzində
yarımkeçirici lazerlər müxtəlif inkişaf mərhələlərindən keçərək, geniş tətbiq
sahəsinə malik olmuşlar.
Yarımkeçirici lazerlərin iş prinsipinin fiziki əsasını induksiyalanmış
şüalanma təşkil edir. Bu hadisənin qısa şərhi belədir: Bilirik ki, atom bir haldan
digərinə keçdikdə yaranan şüalanma spontan şüalanma adlanır. Müxtəlif atomların
spontan şüalanması qeyri-koherent baş verir, çünki hər bir atomda baş verən
şüalanma bir-birindən asılı olmadan başlayıb-qurtarır.
1916-cı ildə A.Eynşteyn demişdir ki, elektronun üst enerji səviyyəsindən
aşağı enerji səviyyəsinə foton şüalanması ilə keçməsi, tezliyi məxsusi keçid
tezliyinə bərabər xarici elektromaqnit sahəsinin təsiri ilə baş verir. Məhz bu cür
şüalanma məcburi, və ya induksiyalnmış şüalanma adlaır. Bu zaman
həyəcanlanmış atomun fotonla qarşılıqlı təsiri nəticəsində enerji və hərəkət
istiqaməti eyni olan foton-əkizlər yaranır.
keçi
Bir t
tərəf
inten
pros
məs
olan
olur
müq
təcrü
F.A.
laze
səbə
ölçü
yara
pote
çuxu
yayı
Heteroq
idindən dü
tərəfdən e
fdən isə
nsivliyini
sesi udulm
skunluq h
Yükdaş
n hala inv
Bu hald
r. Ona g
qayisədə, d
İşığın
übi kəşfi
.Butayev t
Tədqiqa
rlərdən is
əb olur. H
ülərinin az
atmışdır.
ensial çəp
urlarının)
ılmasının
quruluş əs
üz istiqam
elektron və
həyəcanl
və şüala
ma prose
halı yaranır
şıyıcıların
vers məsku
da fotonla
görə də
daha çox b
invers m
i 1951-ci
tərəfindən
atlar nəti
tifadə edi
eterokeçıd
zalmasını
Bu cür
pərlərlə (
daxilində
qarşısını a
saslı yarım
mətdə cərə
ə deşik p-n
lanmamış
anma güc
sinə güc
r.
– elektro
unluq halı
arın qarşıs
fotonların
baş verir.
məskunluq
i ildə ru
n edilmişd
icəsində m
lməsi cərə
dlərdən ist
isə ilk
quruluşda
(GaN) m
ə cəmlən
alır.
mkeçirici la
yan burax
n heteroke
elektron
cünü aşağ
gəlir (yə
onların ya
ı deyilir.
sına çıxan
n induksi
səviyyəl
us fiziklə
ir.
müəyyən
əyanın aza
tifadə etm
dəfə J.İ.A
a “artıq”(
məhdudlaş
nmiş olur
azerin iş p
xıldıqda ik
eçidə düşd
nlar işıq
ğı salır. C
əni onu
arısından
elektronl
iyalanmış
li mühitl
əri V.A.F
edilmişd
almasına,
məklə mini
Alferov k
əlavə) yü
dırılan a
r ki, bu
prinsipini
ki bir-birin
dükdə işıq
kvantların
Cərəyanı
üstələyir)
çoxu həyə
ların əksər
şüalanm
ərdən ke
Fabrikant,
dir ki, he
yəni min
imal cərəy
kəşf etmi
ükdaşıyıcı
aktiv obla
da onlar
nəzərdən
nə rəqib p
q kvantı şü
nı udaraq
artırmaql
və nətic
əcanlanm
riyyəti həy
ma halı,
eçərək gü
, M.M.V
eteroqurul
imal qiym
yanın və ak
iş və ilk
ılar hər i
astın (In
rın ətraf
keçirək: p
proses ged
üalanır, dig
q, şüalanm
la şüalanm
cədə inve
mış səviyyə
yəcanlanm
udulma
üclənməsin
Vudinski
luşlar əsa
mət alması
ktiv oblas
heterolaz
iki tərəfd
GaN kva
oblastlar
91
p-n
dir.
gər
ma
ma
ers
ədə
mış
ilə
nin
və
aslı
ına
tın
zer
dən
ant
rda
Dostları ilə paylaş: |