Nanoelektronik minyatürleşme prensibi

Bugünlerde küçük ölçeklerde büyük şeyler oluyor. Elektronik üreticileri sadece birkaç atom ebadında cihazlar yapmayı öğreniyor...

29 KASIM, 20170
Paylaş Tweet Paylaş
Nanoelektronik minyatürleşme prensibi

Baş parmağınız boyutunda tek kullanımlık bir kutu içinde kusursuz bir klinik tanı test laboratuvarı olduğunu düşünün. Ya da sadece istendiğinde yarınki hava durumu tahminini göstermekle kalmayıp, cep telefonunuzun pilini de şarj eden gözlük mercekleri olduğunu hayal edin. Bu gibi cihazlar malzemelerin en küçük ölçekte şekillendirilmeleri halinde ortaya çıkacak bir yaklaşım olan nanoelektroniğin mümkün kıldığı olasılıklardan sadece birkaçı. Belçikalı bir nanoelektronik araştırma merkezi olan Imec’in Teknolojiden Sorumlu Başkan Yardımcısı ve Uygulamadan Sorumlu Başkan Yardımcısı Profesör Jo De Boeck, “Nanoelektronik aslında boyutu 100 nanometreden küçük özelliğe sahip ve bu özel boyutun bizzat cihazın işlevselliğini tanımladığı cihazlarla ilgilenir” diyor. 100 nanometre (nm) gerçekten de çok küçüktür: Bir milimetrenin 10 binde biridir yani yaklaşık bir grip virüsü kadardır. De Boeck, “Bu kadar küçük bir ölçekte, çarpıcı şekilde farklı özellikler görürsünüz. Kuantum etkilerini görürsünüz. Malzemelerin elektriksel özelliklerine hassas ayar çekebilir ya da lazer ışınının dalga boyunu değiştirebilirsiniz” diye devam ediyor. Günümüzün revaçta elektronik cihazlarının çoğu nanoelektroniğin alanına giriyor. En ileri entegre devreler (IC) veya bilgisayar çipleri, 25 nm veya daha küçük ebatta milyarlarca transistörden oluşuyor. De Boeck, “Nanoelektronik daha şimdiden yaşamlarımızı değiştiriyor. Modern bir cep telefonunda arama yaparken elimizin yanmamasının ve mobil cihazlarımızla dizüstü bilgisayarlarımızdaki çok yüksek çözünürlüklü ekranların temelinde nanoelektronik yatıyor” diyor. Aslında bizim insan saçından 1.000 kez daha ince nesnelerin mühendisliğini yapma becerimiz, entegre devrelerin gücünde ve etkinliğinde yaşanan ve yarım yüzyıldan uzun süren evrimin bir sonucu. Intel Company’nin eşkurucularından biri olan Gordon Moore tarafından 1965 yılında ileri sürülen “Moore kanunu”nda tek bir entegre devreye sıkıştırılabilecek transistör sayısının yaklaşık her iki yılda bir ikiye katlanacağı belirtiliyordu. O günden bu yana endüstri, silikon bir plaka üzerine hiç görülmedik derecede çok ve küçük bileşenler sıkıştırılmasına olanak sağlayan yeni malzemeler ve yeni imalat teknikleri geliştirerek Moore’un bu öngörüsünü gerçekleştirmenin çeşitli yollarını buldu. Günümüzdeki teknoloji şaheseri entegre devrelerin boyutları sadece 22 nm ve araştırmacılar bu boyutu yarı yarıya daha düşürecek tasarımlar üzerinde çalışıyor. Ancak devreler bir tutam atom boyutuna yaklaşmaya başladıkça, birtakım zor fiziksel sınırlarla karşı karşıya kalıyor. 

SINIRLARI ZORLUYOR 

BASF Elektronik Malzemeler’den Sorumlu Başkan Yardımcısı Claus Poppe, “Çiplerin performansını artırmak için imalatçıların önünde duran üç yol var. Birincisi transistör ebadını küçültmek. Bu Moore kanunuyla ilgili bir şey. Ancak endüstriye göre bir transistör kapısı genişliği en fazla 5 nm’ye kadar düşürülebiliyor. Bu seviyeye de ancak önümüzdeki 10 yıl içinde erişilebilmesini bekleniyor. İkinci yol ise bugün kullanılan silikon yerine kobalt ya da germanyum gibi yeni malzemeler kullanmak. Üçüncü yolu da günümüzdeki temel olarak iki boyutlu tasarımların yerine 3 boyutlu olanları kullanarak geometriye başvurmakta yatıyor” diyor. Bu endüstrinin bir sonraki evrimsel hedeflerini tutturma becerisi kısmen doğru kimyadan faydalanmasında yatacak. Teknoloji şaheseri bir bilgisayar çipi üretmek için gerekli olan 600 ila 1.000 kadar süreç döngüsünün büyük bir çoğunluğunda kimyasal girdilere ihtiyaç duyuluyor ve bu çipin her evrimleşmesinde kimyasal maddelerden çok daha fazlası talep ediliyor. BASF Elektronik Malzemeler’de Kıdemli Başkan Yardımcısı Lothar Laupichler, “Nanoölçek seviyesine indikçe kimyasal bilgi birikimimiz kilit başarı faktörü haline geliyor” diyor. Laupichler’in genel merkezi Güney Kore’de olan birimlerinden birinde dünya genelinde elektronik işinde çalışanların üçte ikisi istihdam ediliyor ki bu rakam da günümüz global IC işinde Asya’nın ne kadar önem kazandığının bir göstergesi. BASF Elektronik Malzemeler Asya-Pasifik İş İdaresi’nin başkan yardımcısı Boris Jenniches, “Bu nanoölçekte inovasyon yapmayı başarabilmek için olağanüstü boyutta temizlik de gerektiren moleküler seviyedeki karşılıklı etkileşimleri anlamak zorundasınız” diyor. Temizlik önemli çünkü nanoölçekte, kusursuz bir devre ile defolu olan arasındaki farkı kullanılan yanlış bir malzemenin birkaç başıboş atomu bile belirleyebiliyor. Jan Willmann’ın işinin en önemli kısmı BASF’nin elektronik malzemelerinin temizliğinin müşterilerin talep ettiği seviyede olmasını sağlamak. Willmann, Almanya’daki Yetkinlik Merkezi Analitikleri Temiz Oda Laboratuvarı’nda işletme müdürü olarak çalışıyor. Willmann, “Biz burada trilyon başına 10 ila 100 parça arasında değişen seviyelerdeki kirliliği yakalamaya çalışıyoruz. Bu, numuneyi ilaç endüstrisinde çalışan birine gösterdiğinizde onun ‘Biz burada kesinlikle hiçbir şey göremiyoruz, bu mükemmel derecede temiz’ diyebileceği bir seviye” diyor. 

DAHA HIZLI VE UCUZ

Olağanüstü hassaslıkta malzemeleri nanoölçekte şekillendirme ve işleme becerisi çok sayıda alanda yepyeni fırsatlar sunuyor. Geleneksel pillerin kilit sınırlamalarının çoğu onların fiziksel yapılarından kaynaklanır. Mühendisler daha iyi piller yapabilmek için elektronların aralarında daha kolay akabilmelerini sağlayacak şekilde anot ile katotun etkin yüzey alanını artırmak istiyor. Imec’te Enerji Teknolojileri İş Geliştirme Direktörü olan Philip Pieters, “Elektrot yüzeyini nanoölçekte 3 boyutlu şekillendirerek bu iş başarılabilir” diyor. Araştırmacılar bu gibi pillerin konvansiyonel tasarımlara kıyasla daha fazla enerji depolanmasının yanı sıra elektrikli cihazların ve hatta elektrikli arabaların bile saatler yerine dakikalar içinde yeniden şarj edilebilmelerinin önünü açmasını ümit ediyor. Pieters’ın araştırma ekibi nanoölçekte pillerin yanı sıra başka alanlar yelpazesindeki elektronik malzemelerin ultra ince katmanlarına uygulamakta kullanılabilecek yüksek hassasiyetli baskı teknolojileri üzerinde de çalışıyor. Örneğin baskısı yapılabilir fotovoltaikler eninde sonunda binaların dış cephesine ve camlara gelen güneş ışığından hatta bina içindeki duvarlara ve tavana çarparak heba edilen ışıktan bile elektrik üretebilir hale gelecek. California Los Angeles Üniversitesi’nin bir yan kuruluşu olan Aneeve Nanotechnologies elektronik devrelerin baskılarının geniş alt katmanlarla yapılmasına olanak sağlayan bir yaklaşım geliştiriyor. Aneeve CEO’su Kosmas Galatsis, “Baskı süreci konvansiyonel çip imalatıyla kıyaslandığında sadece ucuz ve enerji efektif olmakla kalmıyor. Bu sürecin sunduğu çevresel kazançlar da var” diyor. Galatsis bugün konvansiyonel elektroniğin çoğunda gerek duyulan tantal ve indiyum gibi dünyada nadir bulunur malzemelere kıyasla Aneeve tarafından kullanılan karbon nanotüplerin güvenilir, sürdürülebilir ve dünyada bolca bulunabilir olduğunu söylüyor. Aneeve’nin yaklaşımı, devrelerin saydam malzemelere çıplak gözle görülmemesine olanak sağlayacak bir şekilde uygulanmasına imkan veriyor. Şirket bu sayede sağlam ve esnek ekranların veya kablosuz iletişim kapasitelerinin üretim maliyetini dikkate değer oranda azaltmayı ümit ediyor. Bu arada bir grup eski Microsoft çalışanı tarafından kurulmuş bir startup olan Seattle merkezli Heapsylon, giysilerin içine doğrudan sensörler yerleştirmek için nanoelektronikten faydalanıyor. Koşucular için basınç algılayan çoraplarla üstüne giyenin nabzını ölçebilen sütyen ve tişörtlerin oldukça yumuşak ve tamamıyla makinede yıkanabilir oldukları iddia ediliyor. 

ÇİP ÜZERİNDE LABORATUVAR!

Entegre devre imalatı teknolojilerini çok daha geniş uygulamalara yaymanın yanı sıra nanoelektronikten bugün çiplerin kendilerinin içine yepyeni kapasiteler yüklenmesinde de faydalanıyor. Çip üreticilerinin transistörleri yapmak için şekiller basmalarına ve farklı malzemeler kullanmalarına olanak sağlayan teknolojilerin aynılarından günümüzde aynı zamanda minnacık boru hatları, çok küçük sensörler ve minyatür makinelerin yapımında da faydalanılabilir. Bu yılın başlarında Imec nanoelektronik tıbbi teşhis sistemlerinin geliştirilmesini sağlamak için Birleşik Devletler, Maryland’deki John Hopkins Üniversitesi ile bir ortaklık kurdu. Imec’in yaşam bilimleri programı müdürü Liesbet Lagae, “Biz bugün sadece laboratuvarlarda yapılabilen teşhis testlerinin çoğunu yapabilecek ve USB boyutunda olan bir cihaz geliştirmeyi planlıyoruz” diyor. Imec ekibi çiplerin içine gömülen sensörlerden faydalanarak hamilelik testi, HIV gibi virüsler için antikorlar geliştirmek, hatta DNA analizi gibi işleri kendi başına yürütebilecek bir cihaz tasarlamayı umuyor. Lagae, “Elimizin altında her türlü altyapı var. Mikro akışkanları çok iyi bildiğimiz için devrelerimizin içine minnacık kılcal pompalar inşa edebiliriz. Testten önce DNA’nın büyütülmesinde kullanılan PCR (Polimeraz Zincir Reaksiyonu) da yapabiliriz. Aynı zamanda belirli enzimlere veya antikorlara maruz bırakıldıklarında bir elektrik veya fotonik sinyal üreten biyo işaretleyicileri kendi devrelerimize nasıl entegre edeceğimizi de gayet iyi biliyoruz” diyor. Ancak Imec John Hopkins ekibinin kendi vizyonunu gerçekleştirmeden önce yapacak çok işi var. Tıpkı konvansiyonel çiplerde olduğu gibi burada da işin çoğu doğru kimyanın geliştirilmesine bağlı. Çiplerin içine hassas biyolojik moleküllerin yerleştirilmesi halen oldukça zorlayıcı bir iş. Lagae, “Bizim raf ömrüyle ilgili sorunları halletmemiz şart. Bu biyo işaretleyicilerin o kadar sağlam yapılması gerekiyor ku kullanılmadan önce bozulmasınlar. Bu iş de henüz silikon ortamında başarılabilmiş değil” diyor. Ortada imalattan kaynaklanan zorlayıcı konular da var. Konvansiyonel bir çip üretirken çok yüksek sıcaklıklardan yararlanılıyor ki bu da narin biyokimyasalları mahvedebilir. John Hopkins Üniversitesi Biyomedikal Nanoelektronik Programı’nın başında olan Dr. Robert Bollinger, biyotıpta nanoelektriğin uzun vadede dönüştürücü etkisine dikkat çekiyor. “Nerede olursa olsun hasta başında test yapabilme becerisi ile üstün kaliteli tedaviye erişim artırılacak ve özel tahsis edilmiş tıbbi tesislere duyulan ihtiyaç azaltılmış olacak” diye konuşuyor. Dünyayı değiştirebilecek minnacık ürünlerin ucuza ve devasa miktarlarda üretimi, elektronik endüstrisinin becerisine bağlı. Bollinger, “Nanoelektronik yarı iletken endüstrisinin imalat ölçeğinden faydalanabiliyor. Bu kapasiteleri yüksek hacimlerde ve çok düşük maliyetle temin etme potansiyeli de yaratıyor. 10 dakikadan kısa süren ve 10 dolardan ucuza mal olan bir teşhis testi dünyanın pek çok kısmında sağlık bakımını gerçekten dönüştürebilir” diyor.


İLGİNİZİ ÇEKEBİLİR

Yorum Yaz