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Limiti della tecnologia VLSI del silicio
Transistor al silicio INTEL
Miniaturizzazione molto costosa sotto i 50 nm
Si poco adatto ad “elettronica veloce” (TeraHz)
Si limitato nei dispositivi fotonici
GaAs
Vantaggi dei dispositivi a semiconduttori composti
•Tecniche di fabbricazione molto potenti
•Ricchezza di fenomeni fisici (soprattutto quantistici) sfruttabili
•Grande flessibilità di caratteristiche funzionali
•Regolazione su misura delle caratteristiche del dispositivo
•Dimensioni ridottissime (transistor fino a 20 nm per particolari applicazioni)
•Possibilità di integrazione in un unico circuito di elementi sia ottici che elettronici
Microtecnologia attuale con i semiconduttori
composti
HEMT (basati su effetti quantistici)
Transistor ad elevata mobilità elettronica
Per sistemi a microonde e amplificatori di potenza per cellulari, ponti radio,
antenne satellitari
Frequenze di lavoro: fino a 600 GHz
Interazione luce materia
Risposta ottica (fotonica)
Portatori di carica (optoelettronica)
Possibilità di generazione, rivelazione, elaborazione
di segnali ottici per comunicazioni
Multiplex per la gestione di differenti
input/output ottici
Segnali di fumo e fuochi, specchi, fari intermittenti, bandiere costituiscono strumenti di
trasmissione digitale.
Telefono, radio e TV aprono la strada ai segnali trasmessi in forma di grandezze elettriche
variabili nel tempo (segnali analogici).
La pietra miliare nella nuova era delle comunicazioni ottiche è il LASER (1958).
Lo sviluppo dell’elettronica dello stato solido (emettitori e ricevitori) e della tecnologia delle
fibre ottiche consentono di realizzare i primi sistemi di trasmissione in cui i segnali sono
impulsi di luce cui è associata la logica binaria (segnali digitali).
Miniaturizzazione: maggiori prestazioni
ingombri molto ridotti
nuove proprietà fisiche
Silicio presenta
alcuni limiti
I semiconduttori III-V sono
molto versatili
Comunicazioni ottiche
Elaborazione segnali elettronici
Dispositivi fotonici
NANOTECNOLOGIE
Potenzialità per alternative al silicio
nella miniaturizzazione dei dispositivi
Nanotecnologie
1 nm = 1 miliardesimo di metro
Integrazione dei dispositivi nanometrici su
circuiti elettronici (migliori prestazioni,
velocità e costi di produzione) e uso di effetti
quantistici (nuovi proprietà di assorbimento
ed emissione di radiazione elettromagnetica,
nuove proprietà elettroniche).
Pozzi e fili quantici
Punti quantici
Strutture con l’equivalente ottico
dell’energy gap nei semiconduttori
potrebbero portare a computer veloci
e comunicazioni ottiche
Cristalli fotonici
In generale, con nanoparticelle inserite in un altro materiale si
ottengono nuove proprietà come la resistenza meccanica,
elettrica, termica, il peso e l’elasticità (fibre di carbonio in
opportune colle, nanocatalizzatori, ecc.)
Tappe della nanoricerca
35 atomi di xenon
1959: R. Feyman prevede la nascita della nanotecnologia
1974: Primo dispositivo elettronico molecolare brevettato (IBM)
1985: Scoperta dei fullereni
1986: Invenzione del microscopia ad effetto tunnel (IBM-Zurigo)
1988: La Dupont progetta la prima proteina artificiale
1989: D.M. Eigler (IBM) scrive il nome della sua azienda con 35 atomi di Xenon
1991: S. Iijima scopre i nanotubi di carbonio
1993: Nasce alla Rice University (USA) il primo laboratorio di Nanotecnologie
2001: IBM e Università di Delft (NL) creano il primo circuito logico a base di nanotubi
2002: L’UE stanzia 700 ML di EURO in 4 anni per la ricerca
APPLICAZIONI FOTONICHE
LIGH EMITTING DIODES (LED)
LED RGB
Schermi piatti a colori,
fari automobili, semafori
LED BIANCHI
Lampade per illuminazione
LASER Violetto
Applicazioni: memorie ottiche a capacità quadruplicata
(CD, DVD), stampa laser ad alta definizione, trasmissioni
sottomarine
Lunghezza d’onda= 405 nm
Mezzo attivo: InGaN
(nitruro di gallio e indio)
Potenza: 5 mW
LASER a emissione di cavità verticale
(VCSEL)
I VCSEL sono laser con molti vantaggi, tra
cui:
- Velocità di modulazione per elaborazione
avanzata
- Trasmissione di informazioni ultra elevate,
(1-30 Gbps)
- Consumo elettrico
estremamente ridotto
Realizzazione di
moduli di ricezione e
trasmissione per fibre
ottiche
Celle solari ad elevata efficienza
Brevetto USA 6,147,296 SVEC (NASA)
Cella solare tandem a buche quantiche
Efficienza del 30%
Nanotecnologia futura
DNA Computer
I computer molecolari potrebbero contenere dispositivi in grado di immagazzinare miliardi
di miliardi di byte in una struttura grande quanto una zolletta di zucchero.
Le molecole di DNA (acido deossiribonucleico) hanno enormi potenzialità di calcolo Il DNA potrebbe
un giorno essere integrato in un chip per realizzare un velocissimo “biochip” da inserire in un
nanocomputer.
L. Adleman (University of Southern
California) nel 1994 propose di usare il
DNA per risolvere il problema
del
“venditore ambulante”.
Adleman riuscì ad isolare le molecole associate solo ai percorsi più
brevi che connettevano le 7 città del venditore, ma ci volevano molti
giorni per la risposta e l’intervento dell’uomo…
Università di Rochester: (1997) porte logiche di DNA: convertono codici binari in una
serie di segnali che il computer usa per eseguire operazioni.
Le porte rivelano frammenti di input di materiali genetici, combinano questi frammenti
e formano un singolo output.
Esempio: una porta genetica chiamata AND GATE unisce due input di DNA legandoli
chimicamente come in un LEGO.
Più di 10 mila miliardi di molecole di DNA possono essere accomodate in 1 cm3
di spazio, con le quali si potranno gestire 10 Terabyte di dati e fare 1012 calcoli al
secondo, in modalità di calcolo parallelo.
Computer ottico
Al posto dei segnali elettrici, i computer ottici del futuro impiegheranno fotoni viaggianti
in fibre ottiche o sottili film polimerici, ottenendo sistemi più efficienti e veloci, senza
interferenze, più compatti ed economici.
Chip ottico PIRELLI
Il limite di velocità degli elettroni costringe inoltre a 50
Gbit/sec le frequenze di lavoro dei processori, mentre i
fotoni consentiranno di arrivare al Terabit.
Aumentare il numero di transistor significa anche che i
tradizionali segnali elettrici devono viaggiare per
distanze maggiori attraverso fili sottilissimi, con
possibili scambi di segnali tra 0 e 1 o viceversa; inoltre
il moto degli elettroni causa surriscaldamento che
degrada i componenti… I computer ottici non avranno
questi problemi!
Lo scorso anno i Laboratori Bell della Lucent Technologies hanno introdotto la tecnologia
per gestire l’intero traffico Internet simultaneamente con un singolo cavo ottico.
I computer ottici elimineranno la richiesta di enormi matasse di fili usate nell’odierna
elettronica.
Nanotubi di carbonio
Nanotubo di
carbonio
Molecola di Fullerene (C60)
I nanotubi di carbonio sono strutture basate sui fullereni che
consistono di cilindri di grafene. Furono scoperti nel 1991 da S.
Iijima quasi per caso durante la sintesi di fullereni per evaporazione
ad arco.
A cosa serviranno i nanotubi?
Un possibile transistor basato sui nanotubi
Proprietà:
Future applicazioni:
Dimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli)
Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaio
Flessibilità: molto superiore alle fibre di carbonio
Elettricità: conducono fino a 1000 volte più del rame
Stabilità: resistono fino a 2800°C
Costi: 150 volte più dell’oro
Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti complessi, 100 volte più piccoli
di quelli attuali
Sonde chimiche: per scansionare le molecole
Muscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umani
Nanopinze: per afferrare le molecole
Nanobilance: per pesare gli atomi
Celle a combustibile: per immagazzinare idrogeno
Nanomacchine
Micromotore funzionante
smontato
Nanoingranaggi grandi 1 nm (oggi qualche micron) potrebbero essere usati per
costruire un assemblatore di materia da alimentare con materiale grezzo per
arrangiare gli atomi e costruire una struttura di scala macroscopica. Quando milioni
di questi atomi sono posti insieme da nanomacchine, un prodotto specifico
prenderà forma secondo una preciso schema a livello atomico. Per questo servirà
poter manipolare singoli atomi e spostarli nelle posizioni volute.
Il prossimo passo sarà sviluppare i nanoassemblatori, che possono essere
programmati per manipolare atomi e molecole, che dovranno lavorare in parallelo
ed in gran numero (migliaia di miliardi).
Assemblaggio molecolare
Progetto al computer di
nanomotore molecolare
Per creare sufficienti assemblatori, alcune nanomacchine, dette
replicatori, saranno programmate per costruire più assemblatori.
Migliaia di miliardi di assemblatori e replicatori occuperanno un’area
più piccola di 1 mm3 e saranno ancora invisibili ad occhio nudo. Il
lavoro di queste nanomacchine abbatterà i costi di produzione,
fornendo abbondanti merci, più resistenti ed economiche.
Applicazioni mediche dei nanorobot
Esistono già biochip in grado di analizzare il DNA di un paziente o il suo sangue in
tempi brevissimi..
Futuri nanorobot che dissolvono un
grumo di globuli rossi ed iniettano
farmaci in una cellula cancerogena.
Oggi sono grandi qualche cm.
In futuro i pazienti berranno fluidi contenenti nanorobot programmati per attaccare e
ricostruire la struttura molecolare di cellule cancerose e virus. I nanorobot potranno
rallentare o invertire il processo di invecchiamento e l’aspettativa di vita potrebbe
aumentare significativamente. I nanorobot potrebbero anche essere programmati per
eseguire delicati interventi chirurgici – migliaia di volte più precisi del più affilato
bisturi. Lavorando su scala così piccola, un nanorobot potrebbe operare senza lasciare
cicatrici. I nanorobot potrebbero cambiare il nostro aspetto fisico, riarrangiando gli
atomi del nostro viso.
Applicazioni ambientali dei nanorobot
Costruire con le nanotecnologie (metodo “bottom-up”, opposta al “top-down”)
crea anche meno inquinamento dei metodi convenzionali. La nostra
dipendenza dalle risorse non rinnovabili diminuirebbe con le nanotecnologie:
molte risorse potrebbero essere costruite mediante le nanomacchine.
Disastro ambientale
della Exxon Valdez
La nanotecnologia può avere effetti positivi sull’ambiente:
nanorobot volanti potrebbero essere programmati per ricostruire lo strato
di ozono assottigliato. I contaminanti potrebbero essere automaticamente
rimossi dalle sorgenti di acqua e le perdite di petrolio potrebbero essere
ripulite istantaneamente.
LINK UTILI
www.fis.unipr.it
http://stm.unipr.it
www.fis.unipr.it/semlab
www.focus.it
www.howstuffworks.com
[email protected]/
www.pnl.gov/nano/index.html
www.svec.uh.edu/photo-desc.html
www.ife.ee.ethz.ch/~ichsc/handouts/lesson1_3.pdf
www.nichia.com
http://science.nasa.gov/newhome/headlines/msad18may99_1.htm
www.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htm
www.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.html
Immagini e fonti
Diapositiva 1: www.golem.de/0012/11263.html
Diapositiva 2: http://www.ife.ee.ethz.ch/~ichsc/handouts/lesson1_3.pdf
Diapositiva 5: A. Passaseo et al., J. of Cryst. Growth, V. 197 (1999) p. 779
A. Passeseo et al., J. Appl. Phys., V. 89 (2001) p. 4347
www.pbglink.com
Diapositiva 6: www.almaden.ibm.com/vis/stm/atomo.html
Mensile Focus, N. 122, anno 2002, p. 132
Diapositiva 7: www.nichia.com
Diapositiva 8: www.sanyo.co.jp/koho/hypertext4-eng/0203news-e/0313-e.html
Diapositiva 9: http://oed.its.tudelft.nl/research/trans.php
Diapositiva 10: www.svec.uh.edu/photo-desc.html
Diapositiva 11: www.howstuffworks.com
Diapositiva 13: Mensile Focus, N. 122, anno 2002, p. 132
Diapositiva 15: Mensile Focus, N. 122, anno 2002, p. 130
Diapositive 16-17-18: Mensile Focus, N. 122, anno 2002, p. 136
Nota
Questa presentazione ha scopo puramente didattico.
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Notice
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The author is anyway available for variations or removal of
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