ההשפעה של ננו-חומרים על שיפור ביצועים אלקטרוניים

ננו חומריים הם מבנים ממונדסים עם לפחות מימד אחד בין 1 ל -100 ננומטרים. בקנה מידה זה, חומרים מציגים התנהגויות חדשות ביסודן - שטח משטח גדול יותר ליחסי נפח, אפקטים של הגבלת קוונטים, ושנו מבנים של להקה אלקטרונית - שהופכים אותם אטרקטיביים באופן יוצא דופן עבור סוללות מודרניות אלקטרוניקה, חוקרים ברחבי האקדמיה והתעשייה חוקרים באופן שיטתי כיצד אבני בניין ננומטריות אלה יכולים לשפר את הביצועים, האמינות, אמינות, ואמינות של רכיבי אלקטרו-אלקטרוניקה, במהירות גבוהה יותר, חומרים, לא פחות, חומרים חדשים, חומרים מתקדמים יותר, כלומר, חומרים, לא רק חומרים חדשים, כלומר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, לא רק חומרים מתקדמים יותר, חומרים חדשים, כלומר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים חדשים, חומרים חדשים יותר, חומרים, יותר, חומרים חדשים, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, כלומר, חומרים מתקדמים יותר, כלומר, חומרים מתקדמים יותר, כלומר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, חומרים מתקדמים יותר, הם רק כדי לשפר באופן שיטתית, חומרים, חומרים, חומרים חדשים, חומרים חדשים, חומרים, הם רק כדי לשפר באופן שיטתי, לא רק כדי לשפר באופן שיטתי, חומרים

מה הם ננו-חומרים?

ננו-חומרים כוללים משפחה מגוונת של חומרים שמאפיין ההגדרה שלהם הוא הממד בגודל nanometer המקנה תכונות חדשניות.הם יכולים להיות מסווגים על ידי ממדיות: אפס-ממדי (nanoparticles, קוונטי dots), חד-ממדי (nanowires, ננו-tubes, ננו-rods), ושני-ממדי (graphene, מעבר dichalcogenides, hexagonal boridets), המאפשרים זעירים עבור כל אחד, תכונות אופטיות עבור תאים אופטיים.

בין המכשירים הננו-חומריים הנלמדים ביותר הם צינורות פחמן - צינורות פחמן פחמן (CNTs) ו גרפן. nanotubes פחמן חד-קיר יחיד יכול להיות מתכתי או חצי-מוליכים בהתאם לכירויות שלהם, מה שהופך אותם מועמדים לנונו-חלקיקים וקישורים. Graphene, שכבת כסף אחת מאורגנת ב- hexagonal Goldatti, מתגאה ב-temp-temp-transistors/cremecendings.

התכונות יוצאות דופן של ננו-חומרים נובעות משני גורמים בסיסיים: הדומיננטיות של אטומים משטח (שנונה מחדש כימי ובמדינות אלקטרוניות) ומגבלות קוונטיות (שמבטלת רמות אנרגיה כאשר ממדים ניגשים לרדיוס לשעבר של גולגולת בוהר).אפקטים אלה מאפשרים רכיבים המבוססים על ננו-חומר להתגבר על מגבלות מהותיות של מוליכים למחצה מסורתיים, מתכות, ומדמים.

מכניזם של שיפור ביצועים

בעוד היתרונות של ננו-חומרים מתוארים לעתים קרובות איכותניים, מנגנונים פיזיים ספציפיים מבססים כל שיפור בביצועים של רכיב אלקטרוני.הבנת מנגנונים אלה היא המפתח לתכנון מכשירים מעשיים.

יעילות חשמלית

השיפור הישיר ביותר המוצע על ידי ננו-חומרים מסוימים הוא עלייה דרמטית ב מוליכות חשמלית. Graphene, לדוגמה, יש מסלול חופשי ממוצע עבור אלקטרונים על סדר של מיקרומטר בטמפרטורת החדר - שניים עד שלושה הזמנות של גודל ארוך יותר מאשר זה נחושת.1 אלקטרונים יכולים לנוע מהירויות גבוהות יותר על פני מרחקי ננוקל ללא פיזור, צמצום של הפסדים מנוגדים, במיוחד תצוגות מתכתיות, בהשוואה לטווח קצר יותר מאשר תאים חשמליים ואורך של צינורות CNT2, 000 גבוה יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גבוה יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000 גבוה יותר, 000 מחסנים בטווח של צינורות אלקטרו-מחץ גבוה יותר, 000.

ניהול תרמי ב-Nanoscale

פיזור חום הוא צוואר בקבוק גדל עבור ביצועים אלקטרוניים. ננוחומרים עם מוליכות תרמיות גבוהה מאוד ניתן לשלב כמו חומרי ממשק או סוכני מילוי. Graphene יש מוליכות תרמית נמדדת סביב 5000 W / mK בטמפרטורת החדר - מעל יהלום ונחושה. כאשר משולבים לתוך צינורות פולימר מורכבים, אפילו מטעני פחמן קטנים של גרפן או צינורות פחמן יכול להגדיל את ההתנהגות התרמית על ידי סדרי חום גבוה, בנוסף לממשקים גמישים של צינורות.

כוח מכני ויציבות

רכיבים אלקטרוניים לעתים קרובות חווים מתח מכני במהלך הייצור, הייצור, הייצור, התפעול. nanomaterials יכול לחזק פולימרים, מכרים ואפילו מבנים סיליקון ללא תוספת משקל משמעותי או נפח. פחמן nanotubes ו גליונות גרפן יש כוח רביר יוצא דופן (עד 100 GPa עבור CNTs) ו תצוגות מודולוס גמישים (- 1 TTO) כאשר מפוזרים ב epoxy תחת fills, הם להפחית את הפחתת קו של התרחבות תרמית של חסכונית ומניעה של סגסוגת פחמן, 000 של חומרים מכנית חומרים אלקטרוניקה, 000, כמו סגסוגת חסומים, 000, 000, 000, 000, 000 סגסוגת חסומים, 000 סגסוגת חסומים, 000 יכול להיות יעיל יותר, 000 סגסוגת חסומים, 000 חזק יותר, 000 סגסוגת פחמן, 000 חזק יותר מדי פעם יכול להיות סגסוגת פחמן, 000 סגסוגת פחמן, 000 000 000 000 000 חזק, 000 חזק, 000 חזק יותר, 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000

אפקטים קוונטיים לפונקציות חדשניות

דוטים קוונטיים ומוליכים למחצה ננומטריים אחרים מציגים את Bandgap טוביליה באמצעות שליטה בגודל.זה מאפשר מערכת חומר יחיד פולט או סופג אור על פני טווח ספקטרלי רחב.במרכיבים אלקטרוניים, dots קוונטיים משמשים בגוון אור-היתר (QLEDs) עם טוהר צבע מעולה ויעילות בהשוואה LEDs אורגניים. הם גם מאפשרים ביצועים גבוהים ותאים סולאריים יכולים להיות מאוד כדי להפחית את רמות אלקטרון בודדים של אלקטרון-מיים.

דרישות מפתח ב- Electronic Components

התכונות הטרנספורמצייות של ננו-חומרים מוחלות כמעט בכל קטגוריה של רכיב אלקטרוני.הסעיפים הבאים מפורטים אזורי יישום גדולים עם דוגמאות ספציפיות ומעמד המחקר הנוכחי.

Transistors and Logic מכשירים

מגמות שדה-אפקט הסיליקון (FETs) מתקרבות לגבולות פיזיים בסיסיים: אורך שער מתחת 5 nm מוביל אפקטים קצרים ערוצים, זרמי דליפות, ובעיות צפיפות כוח. ננומטרי מציעים כמה מסלולים קדימה. פחמן Nanotube FET (CNTFET) יכול להתבצע עם אורך של 10 מטרים מבטיח פחות תוך שמירה על גבוה על מבנים נמוכים בשל מתח גרורתי נמוך של 60 ETL) באופן דומה עם phostraicide נמוך של תאים מתחת ל-FETDird נמוך.

אחסון אנרגיה וסגירה

ננו חומריטיס הם מהפכה סוללות ו supercapacitors. סוללות ליתיום-יון, ננו מבנים כגון חלקיקים סיליקון או nanowires יכול להכיל את ההתרחבות נפח במהלך ההנקה ללא fracturing, המאפשר הרבה יותר גבוה יכולת ספציפית (עד 3,000 mAh / g עבור Si לעומת 372 mAh / g עבור גרפן פחמן מגנטית גבוהה).

מעבר לאחסון, nanomaterials לתרום המרה אנרגיה. Perovskite תאים סולאריים שילוב של dots קוונטיים או צינורות פחמן השיגו יעילות מוסמך מעל 25%. גנרטורים הירומאלקטריים באמצעות nanostructured bismuth Telluride או ננווטים יכול להמיר חום פסולת לתוך חשמל משופר עם דמויות של ערך עקב התנהגות מופחתת ללא התנהגות חשמלית משמעותית.

חיישנים ו Detectors

חיישנים מבוססי ננו חומריים ממנפים שטח פני השטח גבוה ורגישות פני השטח. Chemiresistive חיישנים באמצעות גרפן או פחמן nanotubes יכול לזהות מולקולות גז בריכוזים של חלקיקים באמצעות שינויים בהתנהלות. Doping או פונקציונליזציה עם חלקיקים מתכת מספק אופטימיזציה.עבור biosensors, nanowire FET יכול לזהות חלקיקים בודדים או אירועים חלבון מחייב על ידי שינוי שינויים אלה, מאפשר אינטראקציה מהירה של הראייה גבוהה.

אלקטרוניקה גמישה ולבוש

ננו-חומרים רבים גמישים באופן מהותי או שניתן להפקיד אותם על תת-שכבות גמישות ללא הפסד ביצועים.רשתות nanowire משמשות כיום אלקטרודות מוליכים שקוף במסכים מגע, להחליף ITO בכמה מוצרים מסחריים כי הם יכולים להיות כפופים, מתוחים ואפילו מתקפלים. Graphene סרטים מספקים הן מוליכות חשמל והן עוצמה מכנית עבור צגים בריאותיים עונדים כי שיעור הלב, טמפרטורה, וגניבה, כמו חיישנים נוירונים, נוירונים , , מחסנים, נוירונים , נוירונים נוירונים נוירונים , , מחסנים , , מחסנים מחסנים מחסנים מחסנים מחסנים מחסנים מחסנים אלקטרוניקה , , , , מחסנים מחסנים , , , מחסנים מחסנים .

קישורים וחומרים TERRY TERD

כאמור, צינורות פחמן nanotube יכולים outperform נחושת רוחב פס צר. קבוצות מחקר באוניברסיטת סטנפורד ומוסדות אחרים הוכיחו "vias" עשוי CNTs ארוזים בצפיפות המציעים התנגדות נמוכה יותר מאשר tungsten או נחושת עבור תת 50 -50 מטר ממדים. Graphene ננובונים הם גם נחקרים כמו קישורים מקומיים בשל יכולת הדחיסה הנוכחית שלהם.

מחקרים: יישום אמיתי-עולם

כמה דוגמאות בולטות ממחישות את המעבר ממעבדה למוצר. בשנת 2021, IBM הודיעה על טכנולוגיית 2 ננו-דור שעדיין אינה משתמשת ישירות nanomaterials עבור הערוץ, אך משלבת חומרים ותהליכים חדשים.אבל מוקדם יותר IBM הדגים את ה- פחמן nanotube Transistor עם אורך שער Nm, מראה ביצועים דומים לסיליקון באותו Node. in Energy Storage, Samsung SDI כבר מסחרית עם סוללות גרף-Nams, פיתוח חיישנים אלקטרו-Gate גבוה יותר, ו-S.

אתגרים ומגבלות

למרות הבטחה גדולה, כמה hurdles מעכב אימוץ נרחב.FLT:0 (איכותיות) חלקיקים: NVScalability להפיץ חומרים ננופלים 1 (NNV) נשאר האתגר החשוב ביותר: סינתזה אחידה של 7 חומרים על פני אזורים גדולים בעלות מקובלת קשה.

כיוונים עתידיים וקרנות מחקר

במבט קדימה, החוקרים מתמקדים בהתמודדות עם אתגרים אלה תוך כדי לחקור גבולות חדשים. שני חומרים ממדיים מעבר גרפן - כולל phosphorus שחור, מעבר מתכת dichalcogenides, ו hexagonal boron nitride - נכסים משלימים כגון צינורות ישירות עבור אופטימיזציה אופטיקה חומרים אופטיים (Nigamicial) וחוזק חשמלי גבוה עבור מניפולציות לייזרים.

האינטרנט של הדברים (IoT) FLT:1 ו- ubiquitous sensing יסיע הביקוש עבור חיישנים זולים, כוח נמוך nanomaterial שניתן להדפיס על תת-שכבות גמישות.רול-to-roll הדפסה של צינורות כסף ננווטים אלקטרודות גרפן כבר בפיתוח.

קיימות היא גם עדיפות מתפתחת.ננומטריס יכול להפחית את השימוש בחומרים בשל הביצועים הגבוהים שלהם למשקל יחידה, אבל הסינתזה שלהם לעתים קרובות כרוך צריכת אנרגיה גבוהה או כימיקלים רעילים. גישות כימיה ירוקה באמצעות סינתזה או חומרים הניתנים למחזוריות נחקרים. שילוב ננו-חומרים למסגרות כלכלה מעגלית יהיה חיוני עבור עמידות ארוכת טווח.

מסקנה

ננו-חומרים כבר לא רק סקרנות למחקר אקדמי; הם משפרים באופן פעיל רכיבים אלקטרוניים אמיתיים, מטרנסיסטורים וסוללות לחיישנים ומציגים.השילוב הייחודי של מוליכות חשמלית מוגברת, ניהול תרמי גבוה, גמישות מכנית, ונכסים קוונטיים-לא ניתנים לזיהוי מציבים אותם כאפשרות מפתח של מערכות אלקטרוניות עתידיות, איטיות, קטנות יותר, יכולות, בעוד ייצור, אתגרים בעליות ועלויות, נשארים התפתחויות קבועות של אלקטרוניקה, מטכניקות מורכבות, אשר ממשיכות לפתח אלקטרוניקה, לפתח אלקטרוניקה, לפתח את האלקטרוניקה, לפתחן, לפתח אלקטרוניקה, יכולות מתקדמות, עיצוביות, יכולות מתקדמות, לפתח אלקטרוניקה, יכולות מתקדמות, מטכניקות מתקדמות, המבוססות על פני מערכות אלקטרוניות, יכולות מתקדמות, יכולות מתקדמות, יכולות מתקדמות, אשר יכולות מתקדמות, שיטות מתקדמות, לפתחן, שיטות מתקדמות, שיטות מתקדמות, המבוססות על פני מערכות אלקטרוניקה, המבוססות על פני מערכות אלקטרוניקה מתקדמות, המבוססות על פני מערכות אלקטרוניות, יכולות מתקדמות, יכולות מתקדמות, יכולות לפתח אלקטרוניקה חיוניות, אשר יכולות לפתח מערכות אלקטרוניות, יכולות לפתח שיטות מתקדמות, יכולות לפתח אלקטרוניקה מתקדמות, יכולות מתקדמות, אשר יכולות לפתח אלקטרוניקה מתקדמות, אשר הן יכולות מתקדמות, יכולות מתקדמות, יכולות מתקדמות, יכולות מתקדמות, אשר הן יכולות מתקדמות