[r]
(1)CÔNG NGH ĐI N T NANOỆ Ệ Ử N i dungộ
Chương 1 Khái ni m chungệ 1.1Gi i thi u ớ ệ
1.2 Công ngh vi đi n tệ ệ ử 1.3 Công ngh nanoệ
1.3.1 Khái ni mệ Công ngh nanôệ
1.3.2 Phân lo i v t li u nanoạ ậ ệ
1.3.3 C s khoa h c c a công ngh nanoơ ở ọ ủ ệ
1.3.4 Ch t o v t li u nanoế ạ ậ ệ
1.3.5 ng d ng công ngh nanoỨ ụ ệ
1.3.6 Các nguyên lý và hi u ng dùngệ ứ
1.3.7 Các thi t b dùng trong vi c nghiên c u và quan sát các ế ị ệ ứ
c u trúc nanoấ
Chương 2 V t li u và linh ki n nanoậ ệ ệ 2.1 C u trúc nano và v t li u nanoấ ậ ệ
2.1.1 Tính ch t hóa lý b m t v t r nấ ề ặ ậ ắ
2.1.2 Năng lượng b m tề ặ
2.1.3 Các hi u ng v t lý c b n trong c u trúc nano phân tệ ứ ậ ơ ả ấ ử
2.2 ng nano các bon (Ố carbon nanotubes CNTs)
2.3 Đi n t phân t vàệ ử ử ch m lấ ượng t trong các linh ki n nanôử ệ 2.4 Các linh ki n đ n đi n tệ ơ ệ ử
2.5 Ph n t t đ ng t bào ch m lầ ự ộ ế ấ ượng t ử (QuantumDot Cellular Automata_QCA) 2.5.1 Khái ni m QCAệ
2.5.2 QCA Th c nghi mự ệ
2.5.3 T bào QCA ế
2.5.4 Thanh ghi d ch QCAị
2.5.5 Đ l i công su t QCAộ ợ ấ
2.5.6 QCA phân tử
2.6 SPINTRONICS
2.6.1 Gi i thi u chungớ ệ
2.6.2 M t s kh năng khai thác SPIN và nh ng linh ki n tiêu bi uộ ố ả ữ ệ ể Chương 3 Các linh ki n và t ng h p linh ki n phân tệ ổ ợ ệ ử
(2)3.1.2 Vi m ch phân tạ ử
3.2 Các linh ki n đi n t phân t đa đi n c c hi u ng lệ ệ ử ử ệ ự ệ ứ ượng tử 3.3 Các linh ki n nano phân t trong thi t k máy tính nanoệ ử ế ế
3.3.1 Nh ng v n đ chungữ ấ ề
3.3.2 Linh ki n và k t n iệ ế ố
Chương 1 Khái ni m chungệ 1.1 Gi i thi u ớ ệ
Ngày nay các ngành công ngh cao hàng đ u trên th gi i đang t p trungệ ầ ế ậ vào: Info – công ngh thông tin, Bio – công ngh sinh h c và Nano – côngệ ệ ọ ngh siêu nh V y Nano là gì? và vì sao cơng ngh Nano có th sánhệ ỏ ậ ệ ể ngang t m v i công ngh thông tin và công ngh sinh h c?ầ ệ ệ ọ
Cơng ngh Nano (Nanotechnology), hay cịn g i là s n xu t phân t , làệ ọ ả ấ m t ngành khoa h c k thu t th c hi n thi t k và s n xu t các m ch đi nộ ọ ỹ ậ ự ệ ế ế ả ấ ệ t và thi t b c c nh ử ế ị ự ỏ c p đ phân t c a v t thấ ộ ử ủ ậ ể. Vi n công ngh Nanoệ ệ Anh qu c (Institute of Nanotechnology) đ nh nghĩa Nano là ố ị “m t ngànhộ khoa h c và cơng ngh mà đó các kích thọ ệ ở ướ ừc t 0,1nm (Nanomét) t iớ 100nm đóng vai trị ch đ o”ủ ạ Nanomét là đ n v đo lơ ị ường vũ tr b ng 1ụ ằ ph n t mét. Công ngh Nano thầ ỷ ệ ường đi đôi v i các h th ng vi c đi n tớ ệ ố ệ ử MEMS (microelectromechanical systems). Các h th ng này thệ ố ường sử d ng cơng ngh Nano nh ng có th bao g m c các cơng ngh khác c pụ ệ ể ả ệ ấ đ cao h n phân t ộ
Chương trình Nano qu c gia c a M NNI đ nh nghĩa công ngh Nanoố ủ ỹ ị ệ ph i bao hàm:ả
Nghiên c u và phát tri n công ngh c p đ phân t ho c vi phân,ứ ể ệ ấ ộ ặ v i kích thớ ước kho ng 1 – 100 nm.ả
T o ra và s d ng các c u trúc, thi t b và h th ng có các đ c tính vàạ ụ ấ ế ị ệ ố ặ ch c năng m i do kích thứ ướ ực c c nh ỏ
Có kh năng ki m sốt và thao tác c p đ ngun t ả ể ấ ộ
Hi n nay, nghiên c u ADN có kích thệ ứ ước 2,5 Nanomét trong khi h ngồ c u có kích thầ ước kho ng 2,5 micromét. Ch ng h n Nanotube ( ng nano),ả ẳ ố m t d ng m i c a carbon, độ ủ ược Sumio Iijima tìm ra năm 1991 và được cơng b năm 1995.ố
(3)kho ng th i gian t khi các thu c tính bán d n c a germanium đả ộ ẫ ủ ược mơ hình hóa cho đ n khi s n ph m đ u tiên, radio bán d n, ra đ i.ế ả ẩ ầ ẫ
Vi c khám phá ra m t d ng năng lệ ộ ượng m i c p đ Nano, C60, hayớ ấ ộ còn g i là buckyball đã đem l i cho Robert F. Curl Jr., Sir Harold W. Kroto,ọ và Richard E. Smalley gi i Nobel Hóa h c 1996, m đ u cho làn sóngả ọ ầ nghiên c u các đ c tính m i c a C60 cũng nh các v t li u c p đ Nanoứ ặ ủ ậ ệ ấ ộ khác. Khoa h c Nano đọ ượ ạc t o thu n l i b i nh ng ti n b v các thi t bậ ợ ữ ế ộ ề ế ị hi n vi. Gi i Nobel 1986 v V t lý đã để ả ề ậ ược trao cho 3 nhà phát minh trong lĩnh v c này là Ernst Ruska, Gerd Binnig và Heinrich Rohrer. kính hi n viự ể quét s d ng hi u ng đử ụ ệ ứ ường ng m STM (scanning tunneling microscope)ầ là m t trong nh ng cơng c cho phép các nhà khoa h c khơng nh ng có thộ ữ ụ ọ ữ ể quan sát mà còn thao tác được trên các h t, các nguyên t và ti u phân t ạ ể ở c p đ Nano. Khi cơng ngh Nano v n cịn trong giai đo n th nghi m thìấ ộ ệ ẫ ệ các h t kích thạ ước Nano đã đượ ục s d ng trong nhi u ngành cơng nghi p.ề ệ V t li u kích thậ ệ ước Nano được s d ng trong các ngành đi n t , sinhử ụ ệ dược, m ph m, năng lỹ ẩ ượng, ng d ng v t li u và xúc tác… Các s nứ ụ ậ ệ ả ph m đem l i nhi u l i nhu n nh t t các h t Nano là đánh bóng c hóa,ẩ ề ợ ậ ấ băng t , xúc tác t đ ng, s i quang h c… Các v t li u Nano, có th d ngừ ự ộ ợ ọ ậ ệ ể b t ho c d ng l ng, thộ ặ ỏ ường được k t h p v i các v t li u khác đ tăngế ợ ậ ệ ể cường thêm các ch c năng cho s n ph m.ứ ả ẩ
Các ng d ng trong ngành đi n t bao g m: c ng máy tính, b nhứ ụ ệ ổ ứ ộ ớ t , c m ng, máy dị qu ng và la bàn. Nh đã bi t, ch có th g n các thànhừ ả ứ ặ ế ỉ ể ắ ph n vào m t chip bán d n m t gi i h n nh t đ nh. Thông thầ ộ ẫ ộ ấ ị ường, các vi m ch đạ ược kh c lên chíp b ng cách dùng axít bóc đi m t di n tích nh ắ ằ ộ ệ ỏ Tuy nhiên, trên lý thuy t, có th t o ra chíp t t ng ngun t , giúp choế ể ừ thi t b có kích thế ị ước nh h n r t nhi u so v i cơng ngh kh c axít.ỏ ấ ề ệ ắ Phương pháp này s không t o ra b t k m t nguyên t nào không c nẽ ấ ỳ ộ ầ thi t. Dây d n đi n cơng ngh Nano (Nanowire) có th ch dày 1 ngun t ế ẫ ệ ệ ể ỉ M t c ng logic ch c n vài nguyên t M t bit d li u có th độ ổ ỉ ầ ộ ữ ệ ể ược bi uể hi n b ng s có m t hay khơng có m t c a m t đi n tích (electron) đ n l ệ ằ ự ặ ặ ủ ộ ệ ẻ
Công ngh Nano h a h n t o ra th h máy tính và thi t b vi n thơngệ ứ ẹ ế ệ ế ị ễ m nh h n bao gi h t. Tuy nhiên, đáng quan tâm nh t và cũng ch a đ ngạ ế ấ ứ ự nhi u nguy c nh t nh ng ng d ng nghiên c u dề ấ ữ ứ ụ ứ ược Các Nanorobot (robot c c nh ) có th đự ỏ ể ược s d ng nh nh ng kháng thử ụ ữ ể được l p trình.ậ Khi các vi khu n và vi rút gây b nh liên t c bi n đ i đ l nẩ ệ ụ ế ổ ể ẩ tránh thu c, các Nanorobot s đố ẽ ượ ậc l p trình l i đ l a tìm và tiêu di tạ ể ự ệ chúng. M t lo i Nanorobot khác có kh năng tách r i và tiêu di t t bàoộ ả ệ ế ung th
(4)(1) robot t đ ng (autonomous) mang m t máy tính Nano đi u khi n nó vàự ộ ộ ề ể cho phép nó ho t đ ng đ c l p; (2) robot b (insect) là nh ng robot đ ngạ ộ ộ ậ ọ ữ nh t thu c m t nhóm robot đấ ộ ộ ược ki m sốt b i m t máy tính trung tâm.ể ộ
Nanorobot có l i ích đ c bi t trong ngành y. M t nhóm robot b có khợ ặ ệ ộ ọ ả năng t b t chự ắ ước (selfreplication) có th ho t đ ng nh m t lo i v c xinể ộ ộ ắ phịng ch ng b nh t t. Các robot này th m chí cịn có tác d ng nh nh ngố ệ ậ ậ ụ ữ kháng th hay tác nhân di t vi rút trong ngể ệ ườ ệi b nh b suy gi m mi n d chị ả ễ ị hay đ i v i các lo i b nh không bi u hi n trố ệ ể ệ ước các cơng c ki m traụ ể truy n th ng. Nanorobot có th tìm ki m và tiêu di t các lo i vi khu n, viề ố ể ế ệ ẩ rút. Nanorobot cịn có kh năng ng d ng trong quy trình l p ráp các hả ứ ụ ắ ệ th ng tí hon và vơ cùng ph c t p. Chúng có th ho t đ ng c p đố ứ ể ộ ấ ộ nguyên t đ t o ra các thi t b hay các vi m ch.ử ể ế ị
u th quan tr ng c a Nanorobot là địi h i r t ít năng l ng khi
Ư ế ọ ủ ỏ ấ ượ
ho t đ ng. Bên c nh đó, Nanorobot có th duy trì ho t đ ng hàng ch cạ ộ ể ộ ụ năm hay th m chí hàng th k Các h th ng kích thậ ế ỷ ệ ố ước Nano còn ho tạ đ ng nhanh h n r t nhi u các h th ng l n h n nh s d ch chuy n nhộ ấ ề ệ ố ự ị ể ỏ cho phép các hi n tệ ượng c và đi n x y ra trong th i gian ng n h n v iơ ệ ả ắ t c đ tuy t đ i.ố ộ ệ ố
L u trư ữ s d ng công ngh Nano là gi i pháp tăng tri t đ kh năngử ụ ệ ả ệ ể ả l u tr thông qua nhi u công ngh và t đó thay th các phư ữ ề ệ ế ương ti n l uệ tr hi n nay b ng các thi t b và phữ ệ ằ ế ị ương ti n có m t đ c c cao.ệ ậ ộ ự Đang trong giai đo n phát tri n, ng d ng công ngh Nano này s d ng nhi uạ ể ứ ụ ệ ụ ề phương th c, bao g m c công ngh quang h c. D án Millipede c a IBMứ ả ệ ọ ự ủ đã t o ra m t m u thi t b l u tr Nano có th vi t và đ c d li u gi ngạ ộ ẫ ế ị ữ ể ế ọ ữ ệ ố nh m t chu i các d u vi t tay trên m t t m phim nh a.ư ộ ỗ ấ ế ộ ấ ự
D án nghiên c u “Millipede” c a IBM năm 2002 đã ch ng minh khư ứ ủ ứ ả năng l u tr 25 tri u trang sách (25 đĩa DVD) vào trong m t di n tích chư ữ ệ ộ ệ ỉ nh b ng con tem. Thay cho vi c s d ng các thi t b t hay đi n t đỏ ằ ệ ụ ế ị ệ ể l u tr d li u, Millipede s d ng hàng ngàn mũi kim có kích thư ữ ữ ệ ụ ước Nano đ d p các d u lõm bi u hi n cho các bit d li u lên m t t m phim nh aể ậ ấ ể ệ ữ ệ ộ ấ ự m ng. Cơng ngh này có th coi là s thu nh c p đ Nano c a côngỏ ệ ể ự ỏ ấ ộ ủ ngh th d p (punch card) đã đệ ẻ ậ ược phát minh t h n 110 năm trừ ước. Tuy nhiên Millipede có hai đi m khác bi t: (1) cho phép ghi l i (rewritable); (2)ể ệ có th l u tr h n 3 tri u bit d li u trong m t di n tích ch b ng 1 l trênể ữ ệ ữ ệ ộ ệ ỉ ằ ỗ th d p truy n th ng.ẻ ậ ề ố
H n th n a, các nhà khoa h c c a IBM tin r ng có th t o ra kh năngơ ế ữ ọ ủ ằ ể ả l u tr l n h n n a. Gerd Binnig, gi i Nobel v t lý 1986, m t trong nh ngư ữ ữ ả ậ ộ ữ người đi u hành chề ương trình Millipede, cho bi t: “Vì mũi kim kích thế ước Nano có th tác đ ng t i t ng nguyên t nên chúng tôi mong đ i nh ngể ộ ợ ữ thành t u m i vự ượt qua m c gi i h n hi n hàng ngàn l n”.ứ ệ ầ
(5)(venture capital fund). Harris & Harris Group, Inc. qu đ u t ch y u vàoỹ ầ ủ ế công ngh Nano đang n m trong tay c ph n c a 16 cơng ty cơng nghệ ắ ổ ầ ủ ệ siêu nh , trong đó có 14 cơng ty v cơng ngh Nano (4 v v t li u, 6 vỏ ề ệ ề ậ ệ ề n t , 3 v nh, 2 v sinh h c và 1 v thi t b ). Qu đang tìm ki m cácệ ề ả ề ọ ề ế ị ỹ ế d án tích h p gi a nhi u cơng ngh Nano. Silicon Valley Nano Ventures,ự ợ ữ ề ệ qu đ u t m o hi m mang tên Thung lũng Silicon, cũng đ u t vào 6ỹ ầ ể ầ cơng ty OptivaInc, Nanospire, Nanostellar, Tailored Materials Corporation và Integrated Nanosystems dưới hình th c c đông thi u s (0,25 – 3 tri uứ ổ ể ố ệ đôla M ). Đ nh hỹ ị ướng đ u t tầ ương lai c a Qu là các công c , các ph nủ ỹ ụ ầ m m và v t li u c n thi t cho các ng d ng phát tri n công ngh Nano,ề ậ ệ ầ ế ứ ụ ể ệ các kênh phân ph i và t o l p th trố ậ ị ường. Đang trong q trình tích lũy v n,ố qu đ u t Alameda Capital nh m vào th trỹ ầ ắ ị ường truy n th ng v côngề ố ề ngh thông tin, khoa h c đ i s ng và năng lệ ọ ố ượng v i s h i t đa côngớ ự ộ ụ ngh bao g m c các lo i v t li u tiên ti n s d ng công ngh Nano.ệ ả ậ ệ ế ụ ệ
1.2 Công ngh vi đi n tệ ệ ử
Đi n t h c truy n th ng đệ ọ ề ố ược hình thành và phát tri n ch y uể ủ ế trong th k 20 và tr i qua hai giai đo n. ế ỷ ả
Giai đo n th nh tạ ứ ấ , b t đ u vào kho ng cu i th k 19, đ u th k 20 choắ ầ ả ố ế ỷ ầ ế ỷ đ n t n nh ng năm 70 (th m chí nh ng năm 80 v n cịn s d ng). Đây làế ậ ữ ậ ữ ẫ ụ th i k c a đi n t chân không đánh d u b ng s ra đ i c a ng tiaờ ỳ ủ ệ ấ ằ ự ủ ố cathode (cathode ray tube, CRT) Braun (1900) và phát tri n d a trên các đènể ự n t chân không. K thu t đi n t đ c thù c a giai đo n này là s d ngệ ỹ ậ ệ ặ ủ ụ n tích c a đi n t trong chân không và đi u khi n chúng b ng đi nệ ủ ệ ề ể ằ ệ trường (vi c k t h p s d ng t trệ ế ợ ụ ường ch y u là đ lái chùm tia đi n tủ ế ể ệ ử trong các màn hình s d ng ng CRT). ử ụ ố
(6)of Washington, USA, 2004
[3] Sergey Edward Lyshevski, Nano and Moleculer Electronics, CRC Press Taylor & Francis Group,© 2007
[4] Ban P.Wong, Nvidia, Anurag Mittal, Nano CMOS circuit and physical design, John Wiley & Sons, Inc., 2005
Đ cề ương ơn t pậ
1) Phân tích các giai đo n phát tri n c a cơng ngh đi n t , đ nh lu t Moor ạ ể ủ ệ ệ ị ậ
và khuynh hướng phát tri n công ngh đi n t ể ệ ệ
2) Các phương pháp ch t o v t li u nano, u nhế ậ ệ ược đi m c a t ng ể ủ
phương pháp. Công ngh đi n t nano thệ ệ ường theo phương pháp nào, t i ạ
(7)3) Khái ni m v công ngh nano, phân lo i v t li u nano và phân tích m t ệ ề ệ ậ ệ ộ
s ng d ng c a công ngh nano.ố ứ ụ ủ ệ
4) Các c sơ ở khoa h c c a công ngh nano, các nguyên lý và hi u ng dùngọ ủ ệ ệ ứ trong công ngh nano.ệ
5) Năng lượng b m t, các phề ặ ương pháp gi m năng lả ượng b m t, t i sao ề ặ
ph i gi m năng lả ả ượng b m t? ề ặ
6) Tính ch t hố lý và các hi u ng v t lý c b n trong c u trúc nano phân ấ ệ ứ ậ ả ấ
t
7) ng nano cacbon khái ni m phân lo i, các đ c đi m và phỐ ệ ặ ể ương pháp ch t o.ế
8) Đi n t phân t và ch m lệ ử ấ ượng t trong v t li u linh ki n nano.ử ậ ệ ệ
9) Các linh ki n đ n đi n t ệ ệ
10) Khái ni m v QCA, phân tích ho t đ ng và ví d minh ho ệ ề ộ ụ
11) T bào QCA, phân tích ho t đ ng c a các t bào QCA.ế ộ ủ ế
12) V và phân tích ho t đ ng c a thanh ghi d ch QCA.ẽ ộ ủ ị
13) Th c hi n QCA phân tự ệ ử, phân tích d li u đo đi n dung gi a hai b n ữ ệ ệ ữ ả
c c. T i sao c n đ nh đi n dung theo đi n áp?ự ầ ỉ ệ ệ
14) Đ l i cơng su t QCA, phân tích cách xác đ nh đ l i công su t c a t ộ ợ ấ ị ộ ợ ấ ủ ế
bào QCA qua mô ph ng thanh ghi d ch.ỏ ị
15) Spintronics, nguyên t c xây d ng, v t li u và các u đi m c a vi c s ắ ự ậ ệ ể ủ ệ
d ng spin thay th các đi n tích đi n t ụ ế ệ ệ
16) Kh năng khai thác spin và nh ng linh ki n tiêu bi u Spintronics.ả ữ ệ ể
17) Phương pháp t ng h p các linh ki n phân t ổ ợ ệ
18) Các linh ki n đi n t phân t đa đi n c c hi u ng lệ ệ ử ệ ự ệ ứ ượng t
19) Nh ng v n đ chung đ i v i các linh ki n nano phân t khi thi t k ữ ấ ề ố ệ ế ế
máy tính nano
20) Linh ki n và k t n i trong thi t k máy tính nano.ệ ế ố ế ế