Nanocircuitry
नैनो सर्किट नैनोमीटर पैमाने पर काम करने वाले विद्युत परिपथ हैं। यह क्वांटम क्षेत्र में अच्छी तरह से है, जहां क्वांटम यांत्रिक प्रभाव बहुत महत्वपूर्ण हो जाते हैं। एक नैनोमीटर 10−9 मीटर या 10 हाइड्रोजन परमाणुओं की एक पंक्ति के बराबर होता है। इस तरह के उत्तरोत्तर छोटे परिपथों के साथ, कंप्यूटर चिप पर और अधिक फिट किया जा सकता है। यह कम शक्ति का उपयोग करके तेज और अधिक जटिल कार्यों की अनुमति देता है। नैनो सर्किट तीन अलग-अलग मौलिक घटकों से बने होते हैं। ये ट्रांजिस्टर, इंटरकनेक्शन और आर्किटेक्चर हैं, जो सभी नैनोमीटर पैमाने पर बनाए गए हैं। नैनो सर्किटरी के लिए विभिन्न दृष्टिकोण नैनो सर्किटरी को विभिन्न रूपों में लागू करने के लिए विभिन्न प्रकार के प्रस्ताव किए गए हैं। इनमें नैनोवायर, सिंगल-इलेक्ट्रॉन ट्रांजिस्टर, क्वांटम डॉट सेलुलर ऑटोमेटा और नैनोस्केल क्रॉसबार लैच शामिल हैं। हालांकि, संभावित निकट अवधि के दृष्टिकोण में एम. ओ. एस. एफ. ई. टी. (धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर) में सुधार के लिए नैनोमटेरियल्स को शामिल करना शामिल होगा। ये वर्तमान में अधिकांश एनालॉग और डिजिटल सर्किट डिजाइनों का आधार हैं, जिसका स्केलिंग मूर के नियम को संचालित करता है। एम. ओ. एस. एफ. ई. टी. डिजाइन और इसके भविष्य को कवर करने वाला एक समीक्षा लेख 2004 में प्रकाशित किया गया था जिसमें पैमाने में कमी के तहत एम. ओ. एस. एफ. ई. टी. की विभिन्न ज्यामितियों की तुलना की गई थी और नोट किया गया था कि गोलाकार क्रॉस-सेक्शन ऊर्ध्वाधर चैनल एफ. ई. टी. पैमाने में कमी के लिए इष्टतम हैं। यह विन्यास नैनोस्केल व्यास के साथ ऊर्ध्वाधर अर्धचालक बेलनाकार चैनलों का उपयोग करके उच्च घनत्व के साथ लागू करने में सक्षम है और इनफिनियन टेक्नोलॉजीज और सैमसंग ने इस दिशा में अनुसंधान और विकास शुरू कर दिया है जिसके परिणामस्वरूप एम. ओ. एस. एफ. ई. टी. डिजाइनों में नैनोवायर और कार्बन नैनोट्यूब का उपयोग करके कुछ बुनियादी पेटेंट प्राप्त हुए हैं। एक वैकल्पिक दृष्टिकोण में, नैनोसिस एक एफ. ई. टी. के पार्श्व चैनल के रूप में काम करने के लिए एक सब्सट्रेट पर नैनोवायर की पूर्व-निर्मित सरणियों को पैटर्न करने के लिए समाधान आधारित निक्षेपण और संरेखण प्रक्रियाओं का उपयोग करता है। हालांकि एकल नैनोवायर एफईटी के समान मापनीयता में सक्षम नहीं है, चैनल के लिए पूर्व-निर्मित कई नैनोवायरों का उपयोग विश्वसनीयता को बढ़ाता है और उत्पादन लागत को कम करता है क्योंकि बड़ी मात्रा में मुद्रण प्रक्रियाओं का उपयोग पारंपरिक निर्माण प्रक्रियाओं की तुलना में कम तापमान पर नैनोवायरों को जमा करने के लिए किया जा सकता है। इसके अलावा, कम तापमान जमाव के कारण पॉलिमर जैसी विभिन्न प्रकार की सामग्रियों का उपयोग ट्रांजिस्टर के लिए वाहक सब्सट्रेट के रूप में किया जा सकता है जो इलेक्ट्रॉनिक पेपर, बेंडेबल फ्लैट पैनल डिस्प्ले और वाइड एरिया सोलर सेल जैसे लचीले इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों के लिए द्वार खोलते हैं। उत्पादन विधियाँ नैनो सर्किट को समझने के लिए सबसे बुनियादी अवधारणाओं में से एक मूर के नियम का निर्माण है। यह अवधारणा तब उत्पन्न हुई जब इंटेल के सह-संस्थापक गॉर्डन मूर ट्रांजिस्टर की लागत में रुचि लेने लगे और एक चिप पर अधिक फिट होने की कोशिश करने लगे। यह बताता है कि सिलिकॉन इंटीग्रेटेड सर्किट पर बनाए जा सकने वाले ट्रांजिस्टर की संख्या-और इसलिए इस तरह के सर्किट की कंप्यूटिंग क्षमता-हर 18 से 24 महीनों में दोगुनी हो रही है। सर्किट पर जितने अधिक ट्रांजिस्टर फिट हो सकते हैं, कंप्यूटर में उतनी ही अधिक कम्प्यूटेशनल क्षमताएं होंगी। यही कारण है कि वैज्ञानिक और इंजीनियर इन नैनो सर्किटों का उत्पादन करने के लिए मिलकर काम कर रहे हैं ताकि अधिक से अधिक ट्रांजिस्टर एक चिप पर फिट हो सकें। यह कितना अच्छा लग सकता है, इसके बावजूद जब इतने सारे ट्रांजिस्टर एक साथ पैक किए जाते हैं तो कई समस्याएं उत्पन्न होती हैं। सर्किट इतने छोटे होने के कारण, उनमें बड़े सर्किट की तुलना में अधिक समस्याएं होती हैं, विशेष रूप से गर्मी-एक छोटे सतह क्षेत्र पर लागू शक्ति की मात्रा गर्मी अपव्यय को मुश्किल बनाती है, यह अतिरिक्त गर्मी त्रुटियों का कारण बनेगी और चिप को नष्ट कर सकती है। नैनोस्केल परिपथ आज के परिपथ की तुलना में तापमान परिवर्तन, ब्रह्मांडीय किरणों और विद्युत चुम्बकीय हस्तक्षेप के प्रति अधिक संवेदनशील हैं। जैसे-जैसे अधिक ट्रांजिस्टर एक चिप पर पैक किए जाते हैं, चिप पर आवारा संकेत, इतने करीब से पैक किए गए उपकरणों से गर्मी को नष्ट करने की आवश्यकता, छोटे पैमाने के कारण इन्सुलेशन बाधाओं को पार करना, और निर्माण की कठिनाइयाँ रुक जाएंगी या प्रगति को गंभीर रूप से धीमा कर देंगी। एक समय ऐसा भी आएगा जब सर्किट बनाने की लागत और भी कम होगी और कंप्यूटर की गति अधिकतम तक पहुंच जाएगी। इस कारण से, कई वैज्ञानिकों का मानना है कि मूर का नियम हमेशा के लिए नहीं रहेगा और जल्द ही चरम पर पहुंच जाएगा, क्योंकि मूर का नियम काफी हद तक सूक्ष्म-लिथोग्राफिक नक्काशी प्रौद्योगिकियों में सुधार के कारण होने वाले कम्प्यूटेशनल लाभों पर आधारित है। इन नैनो सर्किटों के उत्पादन में कई पहलू शामिल हैं। उनके संगठन का पहला भाग ट्रांजिस्टर से शुरू होता है। अभी तक, अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक्स सिलिकॉन-आधारित ट्रांजिस्टर का उपयोग कर रहे हैं। ट्रांजिस्टर परिपथ का एक अभिन्न अंग हैं क्योंकि वे बिजली के प्रवाह को नियंत्रित करते हैं और कमजोर विद्युत संकेतों को मजबूत संकेतों में बदल देते हैं। वे विद्युत प्रवाह को भी नियंत्रित करते हैं क्योंकि वे इसे चालू कर सकते हैं, या संकेतों को भी बढ़ा सकते हैं। परिपथ अब ट्रांजिस्टर के रूप में सिलिकॉन का उपयोग करते हैं क्योंकि इसे आसानी से संवाहक और गैर-संवाहक अवस्थाओं के बीच बदला जा सकता है। हालांकि, नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स में, ट्रांजिस्टर कार्बनिक अणु या नैनोस्केल अकार्बनिक संरचना हो सकते हैं। अर्धचालक, जो ट्रांजिस्टर का हिस्सा हैं, नैनो अवस्था में कार्बनिक अणुओं से भी बनाए जा रहे हैं। नैनो सर्किट संगठन का दूसरा पहलू परस्पर संबंध है। इसमें तार्किक और गणितीय संचालन और ट्रांजिस्टर को एक साथ जोड़ने वाले तार शामिल हैं जो इसे संभव बनाते हैं। नैनो परिपथों में, ट्रांजिस्टर को एक साथ जोड़ने के लिए नैनोट्यूब और एक नैनोमीटर जैसे संकीर्ण तारों का उपयोग किया जाता है। नैनोवायर कुछ वर्षों से कार्बन नैनोट्यूब से बनाए जा रहे हैं। कुछ साल पहले तक, परिपथ का उत्पादन करने के लिए ट्रांजिस्टर और नैनोवायर को एक साथ रखा जाता था। हालाँकि, वैज्ञानिक ट्रांजिस्टर के साथ एक नैनोवायर का उत्पादन करने में सक्षम हुए हैं। 2004 में, हार्वर्ड विश्वविद्यालय के नैनोटेक अग्रणी चार्ल्स लिबर और उनकी टीम ने एक नैनोवायर बनाया है-जो कागज की एक शीट से 10,000 गुना पतला है-जिसमें ट्रांजिस्टर की एक स्ट्रिंग है। अनिवार्य रूप से, ट्रांजिस्टर और नैनोवायर पहले से ही पूर्व-तार वाले हैं ताकि ट्रांजिस्टर को नैनोवायर के साथ जोड़ने की कोशिश करने के कठिन कार्य को समाप्त किया जा सके। नैनो सर्किट संगठन का अंतिम भाग वास्तुकला है। इसे ट्रांजिस्टर के आपस में जुड़े होने के समग्र तरीके के रूप में समझाया गया है, ताकि परिपथ कंप्यूटर या अन्य प्रणाली में प्लग कर सके और निचले स्तर के विवरणों से स्वतंत्र रूप से काम कर सके। नैनो सर्किट इतने छोटे होने के कारण, वे त्रुटि और दोषों के लिए नियत हैं। वैज्ञानिकों ने इससे निपटने का एक तरीका तैयार किया है। उनकी वास्तुकला उन परिपथों को जोड़ती है जिनमें एक चिप पर कई स्तरों पर संरचनाओं को फिर से कॉन्फ़िगर करने की क्षमता के साथ अनावश्यक तर्क द्वार और परस्पर संबंध होते हैं। अतिरेक सर्किट को समस्याओं की पहचान करने और खुद को फिर से कॉन्फ़िगर करने देता है ताकि सर्किट अधिक समस्याओं से बच सके। यह लॉजिक गेट के भीतर त्रुटियों के लिए भी अनुमति देता है और फिर भी यह गलत परिणाम दिए बिना ठीक से काम करता है। प्रायोगिक सफलताएँ और संभावित अनुप्रयोग 1987 में, बिजन दवारी के नेतृत्व में एक आईबीएम शोध दल ने टंगस्टन-गेट प्रौद्योगिकी का उपयोग करते हुए 10 एनएम गेट ऑक्साइड मोटाई के साथ एक धातु-ऑक्साइड-अर्धचालक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) का प्रदर्शन किया। मल्टी-गेट एम. ओ. एस. एफ. ई. टी. ने 20 एन. एम. गेट लंबाई से नीचे स्केलिंग को सक्षम किया, जो फिन. एफ. ई. टी. (फिन फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर), एक त्रि-आयामी, गैर-समतल, डबल-गेट एम. ओ. एस. एफ. ई. टी. से शुरू होता है। फिनफेट की उत्पत्ति 1989 में हिताची केंद्रीय अनुसंधान प्रयोगशाला में डिघ हिसामोटो के शोध से हुई थी। यू. सी. बर्कले में, टी. एस. एम. सी. के चेन्मिंग हू और त्सु-जे किंग लियू, जेफरी बोकोर, हिदेकी टेकुची, के. असानो, जैकब केडज़ियर्स्क, ज़ुएजुए हुआंग, लेलैंड चांग, निक लिंडर्ट, शिबली अहमद और साइरस टेबेरी सहित अन्य अंतर्राष्ट्रीय शोधकर्ताओं के साथ हिसामोटो के एक समूह द्वारा फिनफेट उपकरणों का निर्माण किया गया था। टीम ने 1998 में 17एनएम प्रक्रिया और फिर 2001 में 15एनएम तक फिनफेट उपकरणों का निर्माण किया। 2002 में, यू, चांग, अहमद, हू, लियू, बोकोर और टेबेरी सहित एक दल ने एक 10nm FinFET उपकरण बनाया। 2005 में, यू. सी. सैन डिएगो में भारतीय भौतिक विज्ञानी प्रभाकर बंडारू और अप्पाराव एम. राव ने पूरी तरह से कार्बन नैनोट्यूब से बना दुनिया का सबसे छोटा ट्रांजिस्टर विकसित किया। इसका उपयोग नैनो सर्किट के लिए किया जाना था। नैनोट्यूब कार्बन परमाणुओं की लुढ़की हुई चादरें होती हैं और मानव बालों की तुलना में एक हजार गुना से अधिक पतली होती हैं। 2006 में, कोरिया एडवांस्ड इंस्टीट्यूट ऑफ साइंस एंड टेक्नोलॉजी (के. ए. आई. एस. टी.) और नेशनल नैनो फैब सेंटर के कोरियाई शोधकर्ताओं की एक टीम ने गेट-ऑल-अराउंड (जी. ए. ए.) फिनफेट तकनीक पर आधारित दुनिया का सबसे छोटा नैनोइलेक्ट्रोनिक उपकरण, 3 एन. एम. एम. ओ. एस. एफ. ई. टी. विकसित किया। आम तौर पर, परिपथ सिलिकॉन-आधारित ट्रांजिस्टर का उपयोग करते हैं, लेकिन कार्बन नैनोट्यूब का उद्देश्य उन्हें बदलना है। ट्रांजिस्टर की दो अलग-अलग शाखाएँ होती हैं जो एक ही बिंदु पर मिलती हैं, इसलिए इसे Y आकार देती हैं। धारा दोनों शाखाओं में प्रवाहित हो सकती है और एक तीसरी शाखा द्वारा नियंत्रित होती है जो वोल्टेज को चालू या बंद कर देती है। यह नई सफलता अब नैनो सर्किट को पूरी तरह से अपने नाम पर बनाए रखने की अनुमति दे सकती है क्योंकि उन्हें पूरी तरह से नैनोट्यूब से बनाया जा सकता है। इस खोज से पहले, लॉजिक सर्किट नैनोट्यूब का उपयोग करते थे, लेकिन विद्युत प्रवाह के प्रवाह को नियंत्रित करने में सक्षम होने के लिए धातु के फाटकों की आवश्यकता होती थी। यकीनन नैनो सर्किट का सबसे बड़ा संभावित अनुप्रयोग कंप्यूटर और इलेक्ट्रॉनिक्स से संबंधित है। वैज्ञानिक और इंजीनियर हमेशा कंप्यूटर को तेज बनाने की कोशिश कर रहे हैं। कुछ लोग सोचते हैं कि निकट अवधि में, हम नैनो-कोर के साथ सूक्ष्म और नैनो-सिलिकॉन के संकर देख सकते हैं-शायद एक उच्च घनत्व वाली कंप्यूटर मेमोरी जो अपनी सामग्री को हमेशा के लिए बरकरार रखती है। पारंपरिक सर्किट डिजाइन के विपरीत, जो ब्लूप्रिंट से लेकर फोटोग्राफिक पैटर्न से लेकर चिप तक आगे बढ़ता है, नैनो सर्किट डिजाइन शायद चिप के साथ शुरू होगा-1024 घटकों और तारों की एक बेतरतीब गड़बड़ी, जिनमें से सभी काम भी नहीं करेंगे-और धीरे-धीरे इसे एक उपयोगी उपकरण में मूर्तिकला करेंगे। पारंपरिक टॉप-डाउन दृष्टिकोण अपनाने के बजाय, इन नैनो सर्किटों के आकार के कारण शायद जल्द ही बॉटम-अप दृष्टिकोण अपनाना होगा। परिपथ में सब कुछ शायद काम नहीं करेगा क्योंकि नैनो स्तर पर, नैनो परिपथ अपनी सघनता के कारण अधिक दोषपूर्ण और दोषपूर्ण होंगे। वैज्ञानिकों और इंजीनियरों ने ट्रांजिस्टर, लॉजिक गेट और डायोड जैसे नैनो सर्किट के सभी आवश्यक घटकों का निर्माण किया है। वे सभी कार्बनिक अणुओं, कार्बन नैनोट्यूब और नैनोवायर अर्धचालकों से बनाए गए हैं। इस तरह के एक छोटे से उपकरण के साथ आने वाली त्रुटियों को दूर करने का एक ही तरीका खोजना बाकी है और नैनो सर्किट सभी इलेक्ट्रॉनिक्स का एक तरीका बन जाएगा। हालांकि, अंततः एक सीमा होगी कि छोटे नैनो सर्किट कैसे बन सकते हैं और कंप्यूटर और इलेक्ट्रॉनिक्स अपनी संतुलन गति तक पहुंच जाएंगे। मूर्स लॉ नैनोटेक्नोलॉजी हिस्ट्री ऑफ नैनोटेक्नोलॉजी अनुप्रयोगों की सूची नैनोटेक्नोलॉजी संदर्भों के प्रभाव नैनोइलेक्ट्रॉनिक्स