Nanoelectrónica

Nanoelectrónica

La nanoelectrónica (también conocida como nano electrónica) se refiere al uso de la nanotecnología en componentes electrónicos, especialmente en transistores. Aunque el término nanotecnología se usa normalmente para definir la tecnología de menos de 100 nm de tamaño, la nanoelectrónica se refiere, a menudo, a transistores de tamaño tan reducido que se necesita un estudio más exhaustivo de las interacciones interatómicas y de las propiedades mecánico-quánticas. Es por ello que transistores actuales (como por ejemplo CMOS90 de TSMC o los procesadores Pentium 4 de Intel), no son listados en esta categoría, a pesar de contar con un tamaño menor que 90 o 65 nm.

A los dispositivos nanelectrónicos se les considera una tecnología disruptiva ya que los ejemplos actuales son sustancialmente diferentes que los transistores tradicionales. Entre ellos, cabe destacar la electrónica de semiconductores de moléculas hibridas, nanotubos / nanohilos de una dimensión o la electrónica molecular avanzada. El sub-voltaje y la nanoelectrónica de sub-voltaje profundo son campos específicos e importantes de I+D, y la aparición de nuevos circuitos integrados operando a un nivel de consumo energético por procesamiento de un bit próximo al teórico (fundamental, tecnológico, diseño metodológico, arquitectónico, algorítmico) es inevitable. Una aplicación de importancia que pueda beneficarse finalmente de esta tecnología, en lo referente a operaciones lógicas, es la computación reversible.

Aunque todas estas actividades son muy prometedoras aun están bajo desarrollo y no van a estar disponibles en el mercado en un futuro próximo. Por ejemplo, se estima que el proceso de reducción de transistores de 22 nm a 16 nm será de 6 años, en vez de 2 como habitualmente se tarda en reducir. Puesto que el Silicio no opera bien a menos de 22 nm, tiene que investigarse otro método como uso de grafeno o High-K.[cita requerida]

Contenido

Acercamientos a la nanoelectrónica

Nanofabricación

Por ejemplo, transistor de un electrón (basado en el principio de bloqueo de Coulomb), que involucran la operación de un transistor con un único electrón. Los sistemas nanoelectromecánicos también pertenecen a esta categoría.

La nanofabricación puede ser usada para fabricar vectores paralelos de nanohilos ultradensos, como una alternativa a la síntesis individual de nanohilos.[1] [2]

Electrónica de nanomateriales

Además de ser diminutos y permitir a un mayor número de transistores ser agrupados en un único chip, la estructura uniforme y simétrica de nanotubos permite una mayor mobilidad de electrones, una constante dieléctrica mayor (mayor frecuencia) y una característica simétrica electrón/hueco.[3]

Las nanopartículas también pueden usarse como punto quántico.

Electrónica molecular

Artículo principal: Electrónica molecular

Los dispositivos unímoleculares son una posibilidad adicional. Estas estructuras harían un uso importante de autoensamblaje molecular, diseñando los subcomponentes para la construcción de una estructura mayor o incluso un sistema completo por si solo. Esto puede ser muy útil para computación reconfigurable, y podría incluso reemplazar la tecnología actual de FPGA.

La electrónica molecular[4] es una nueva tecnología que se encuentra en su fase inicial, pero es alentadora para la consecución de verdaderos sistemas de electrónica molecular en el futuro. Una de las aplicaciones de electrónica molecular mas prometedoras fue propuesta por Ari Aviram, investigador de IBM, y por Mark Ratner, químico teórico en sus publicaciones de 1974 y 1988 Molecules for Memory, Logic and Amplification (al español, Moléculas para Memoria, Lógica y Amplificación).[5] [6]

Éste es un de los múltiples caminos en los que un diodo / transistor a nivel molecular podría sintetizarse por la química orgánica. Se ha propuesto un sistema modelo con una estructura de carbón spiro con un diodo molecular de una longitud a lo largo de aproximadamente medio nanómetro, que podría conectarse con cables moleculares de politiofeno. Cálculos teóricos mostraron que el diseño es, en principio, válido y que hay esperanzas de que puede un sistema así pueda funcionar.

Otras aproximaciones

La tecnología nanoiónica estudia el transporte de iones en lugar de electrones en sistemas a nanoescala.

La tecnología nanofotónica estudia el comportamiento de luz a nanoescala, desarrollando dispositivos que se basen en este comportamiento.

Dispositivos nanoelectrónicos

Radios

Se han desarrollado nanoradios basados en nanotubos de carbón.[7]

Computadores

La nanoelectrónica promete ayudar a crear CPUs más potentes que los que puedan fabricarse con técnicas de fabricación de circuitos integrados convencionales. Actualmente se están investigando una seria de posibilidades incluyendo nuevas formas de nanolitografía, así como el uso de nanomateriales tales como nanohilos o pequeñas moléculas, en lugar de los tradicionales componentes de tecnología CMOS. Los transistores de efecto campo han hecho uso de ambos, semiconductores de nanotubos de carbón[8] y semiconductores de nanohilos heteroestructurados.[9]

Producción energética

Se esta investigando la posibilidad de usar nanocables y otros materiales a nanoescala con la esperanza de crear células solares más baratas y eficientes que las que son posibles con células solares planas de silicio.[10] Se da por hecho que un tecnología solar más eficiente seria de gran importancia para satisfacer las necesidades globales de energía.

También se esta investigando la producción energética para dispositivos que operarían in vivo, denominados bio-nano generadores.

Diagnosis médica

Hay un enorme interés en crear dispositivos nanoeléctricos[11] [12] [13] que puedan detectar concentraciones de biomoleculas en tiempo real para su uso en la diagnosis medica,[14] es por ello por lo que surge el concepto de nanomedicina.[15] Una línea paralela de investigación persigue la creación de dispositivos nanoelectrónicos que puedan interactuar con células individuales para su uso en la investigación biológica básica.[16] A estos dispositivos se les denomina nanosensores. Una miniturización a esta escala respecto a sensores proteomicos 'in vivo permitiría nuevos avances en el seguimiento de la salud y en tecnologías militares y de vigilancia.[17] [18] [19]

Referencias

  1. ↑ Melosh, N.; Boukai, Akram; Diana, Frederic; Gerardot, Brian; Badolato, Antonio; Petroff, Pierre & Heath, James R. (2003). «Ultrahigh density nanowire lattices and circuits». Science 300:  pp. 112. doi:10.1126/science.1081940. 
  2. ↑ Das, S.; Gates, A.J.; Abdu, H.A.; Rose, G.S.; Picconatto, C.A. & Ellenbogen, J.C. (2007). «Designs for Ultra-Tiny, Special-Purpose Nanoelectronic Circuits». IEEE Trans. on Circuits and Systems I 54:  pp. 11. doi:10.1109/TCSI.2007.907864. 
  3. ↑ Goicoechea, J.; Zamarreñoa, C.R.; Matiasa, I.R. & Arregui, F.J. (2007). «Minimizing the photobleaching of self-assembled multilayers for sensor applications». Sensors and Actuators B: Chemical 126 (1):  pp. 41–47. doi:10.1016/j.snb.2006.10.037. 
  4. ↑ Petty, M.C.; Bryce, M.R. & Bloor, D. (1995). An Introduction to Molecular Electronics. Londres: Edward Arnold. ISBN 0195211561. 
  5. ↑ Aviram, A.; Ratner, M. A. (1974). «Molecular Rectifier». Chemical Physics Letters 29:  pp. 277. doi:10.1016/0009-2614(74)85031-1. 
  6. ↑ Aviram, A. (1988). «Molecules for memory, logic, and amplification». Journal of the American Chemical Society 110 (17):  pp. 5687–5692. doi:10.1021/ja00225a017. 
  7. ↑ Rutherglen, C. & Burke, P. (2007). «Carbon nanotube radio». Nano Lett. 7 (11):  pp. 3296–3299. doi:10.1021/nl0714839. http://pubs.acs.org/cgi-bin/sample.cgi/nalefd/2007/7/i11/html/nl0714839.html. 
  8. ↑ Postma, Henk W. Ch.; Teepen, Tijs; Yao, Zhen; Grifoni, Milena & Dekker, Cees (2001). «Carbon nanotube single-electron transistors at room temperature». Science 293 (5527):  pp. 76–79. doi:10.1126/science.1061797. 
  9. ↑ Xiang, Jie; Lu, Wei; Hu, Yongjie; Wu, Yue; Yan; Hao & Lieber, Charles M. (2006). «Ge/Si nanowire heterostructures as highperformance field-effect transistors». Nature 441:  pp. 489–493. doi:10.1038/nature04796. 
  10. ↑ Tian, Bozhi; Zheng, Xiaolin; Kempa, Thomas J.; Fang, Ying;Yu, Nanfang; Yu, Guihua; Huang, Jinlin & Lieber, Charles M. (2007). «Coaxial silicon nanowires as solar cells and nanoelectronic power sources». Nature 449:  pp. 885–889. doi:10.1038/nature06181. 
  11. ↑ LaVan, D.A.; McGuire, Terry & Langer, Robert (2003). «Small-scale systems for in vivo drug delivery». Nat Biotechnol. 21 (10):  pp. 1184–1191. doi:10.1038/nbt876. PMID 14520404. 
  12. ↑ Grace, D. (2008). «Special Feature: Emerging Technologies». Medical Product Manufacturing News. 12:  pp. 22–23. http://www.mpmn-digital.com/mpmn/200803/?pg=24. 
  13. ↑ Saito, S. (1997). «Carbon Nanotubes for Next-Generation Electronics Devices». Science 278:  pp. 77–78. doi:10.1126/science.278.5335.77. 
  14. ↑ Cavalcanti, A.; Shirinzadeh, B.; Freitas Jr, Robert A. & Hogg, Tad (2008). «Nanorobot architecture for medical target identification». Nanotechnology 19 (1):  pp. 015103(15pp). doi:10.1088/0957-4484/19/01/015103. http://www.iop.org/EJ/abstract/0957-4484/19/1/015103. 
  15. ↑ Cheng, Mark Ming-Cheng; Cuda, Giovanni; Bunimovich, Yuri L; Gaspari, Marco; Heath, James R; Hill, Haley D; Mirkin,Chad A; Nijdam, A Jasper; Terracciano, Rosa; Thundat, Thomas & Ferrari, Mauro (2006). «Nanotechnologies for biomolecular detection and medical diagnostics». Current Opinion in Chemical Biology 10:  pp. 11–19. doi:10.1016/j.cbpa.2006.01.006. 
  16. ↑ Patolsky, F.; Timko, B.P.; Yu, G.; Fang, Y.; Greytak, A.B.; Zheng, G. & Lieber, C.M. (2006). «Detection, stimulation, and inhibition of neuronal signals with high-density nanowire transistor arrays». Science 313:  pp. 1100–1104. doi:10.1126/science.1128640. 
  17. ↑ Frist, W.H. (2005). «Health care in the 21st century». N. Engl. J. Med. 352 (3):  pp. 267–272. doi:10.1056/NEJMsa045011. http://content.nejm.org/cgi/content/full/352/3/267. 
  18. ↑ Cavalcanti, A.; Shirinzadeh, B.; Zhang, M. & Kretly, L.C. (2008). «Nanorobot Hardware Architecture for Medical Defense». Sensors 8 (5):  pp. 2932–2958. doi:10.3390/s8052932. http://www.mdpi.org/sensors/papers/s8052932.pdf. 
  19. ↑ Couvreur, P. & Vauthier, C. (2006). «Nanotechnology: intelligent design to treat complex disease». Pharm. Res. 23 (7):  pp. 1417–1450. doi:10.1007/s11095-006-0284-8. PMID 16779701. 

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