Limiti della tecnologia VLSI del silicioLimiti della tecnologia VLSI del silicio

Miniaturizzazione molto costosa sotto i 50 nm

Si poco adatto ad “elettronica veloce” (TeraHz)

Si limitato nei dispositivi fotonici

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

Transistor al silicio Intel

GaAs

Microtecnologia attuale con i semiconduttori Microtecnologia attuale con i semiconduttori composticomposti

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 Interazione luce materia Risposta ottica (fotonica)Portatori di carica (optoelettronica)

Possibilità di generazione, rivelazione, elaborazione di segnali ottici per comunicazioni

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).

Multiplex per la gestione di differenti input/output ottici

I semiconduttori III-V sono molto versatili

Miniaturizzazione: maggiori prestazioni ingombri molto ridotti nuove proprietà fisiche

Comunicazioni otticheElaborazione segnali elettroniciDispositivi fotonici

Silicio presenta alcuni limiti

NANOTECNOLOGIE

Potenzialità per alternative al silicio nella miniaturizzazione dei dispositivi

NanotecnologieNanotecnologie 1 nm = 1 miliardesimo di metro1 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).

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.)

Pozzi e fili quantici

Strutture con l’equivalente ottico dell’energy gap nei semiconduttori potrebbero portare a computer veloci e comunicazioni ottiche

Cristalli fotoniciPunti quantici

1959: R. Feyman prevede la nascita della nanotecnologia 1974: Primo dispositivo elettronico molecolare brevettato (IBM)1985: Scoperta dei fullereni1986: Invenzione del microscopia ad effetto tunnel (IBM-Zurigo)1988: La Dupont progetta la prima proteina artificiale1989: D.M. Eigler (IBM) scrive il nome della sua azienda con 35 atomi di Xenon1991: S. Iijima scopre i nanotubi di carbonio1993: Nasce alla Rice University (USA) il primo laboratorio di Nanotecnologie2001: IBM e Università di Delft (NL) creano il primo circuito logico a base di nanotubi2002: L’UE stanzia 700 ML di EURO in 4 anni per la ricerca

Tappe della nanoricercaTappe della nanoricerca

35 atomi di xenon

LED RGBSchermi piatti a colori, fari automobili, semafori

LED BIANCHILampade per illuminazione

APPLICAZIONI FOTONICHEAPPLICAZIONI FOTONICHE

LIGH EMITTING DIODES (LED)

Mezzo attivo: In0.1Ga0.9N/Al0.3Ga0.7N

Potenza: 15 mWEmissione: 405 n

Applicazioni: memorie ottiche a capacità quadruplicata (CD, DVD), stampa laser ad alta definizione, trasmissioni

sottomarine

LASER ViolettoLASER Violetto

LASER a emissione di cavità verticaleLASER a emissione di cavità verticale(VCSEL)(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 efficienzaCelle solari ad elevata efficienza

Brevetto USA 6,147,296 SVEC (NASA) Cella solare tandem a buche quanticheEfficienza del 30%

Nanotecnologia futuraNanotecnologia futura DNA ComputerDNA 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”.

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.

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…

Computer otticoComputer 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.

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 carbonioNanotubi di carbonio

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.

Molecola di Fullerene (C60)

Nanotubo di carbonio

A cosa serviranno i nanotubi?A cosa serviranno i nanotubi?

Proprietà:Dimensioni: 0.6-1.8 nm (tubi singoli)Resistenza: oltre 20 volte più del migliore acciaioFlessibilità: molto superiore alle fibre di carbonioElettricità: conducono fino a 1000 volte più del rameStabilità: resistono fino a 2800°CCosti: 150 volte più dell’oro

Future applicazioni:Nanocircuiti: autoaggregazione per formare circuiti complessi, 100 volte più piccoli

di quelli attualiSonde chimiche: per scansionare le molecoleMuscoli artificiali: 100 volte più forti di quelli umaniNanopinze: per afferrare le molecoleNanobilance: per pesare gli atomiCelle a combustibile: per immagazzinare idrogeno

Un possibile transistor basato sui nanotubi

NanomacchineNanomacchine

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).

Micromotore funzionante smontato

Assemblaggio molecolareAssemblaggio 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.

Progetto al computer di nanomotore molecolare

Applicazioni mediche dei nanorobotApplicazioni mediche dei nanorobot Esistono già biochip in grado di analizzare il DNA di un paziente o il suo sangue in tempi brevissimi. Nuovi marcatori proteinici sono disponibili e basati su nanocristalli detti quantum dot: non si deteriorano col tempo ed è possibile controllarne le proprietà; il colore della loro fluorescenza dipende dalle loro dimensioni.

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 nanorobotApplicazioni ambientali dei nanorobot

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.

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

LINK UTILILINK UTILIwww.fis.unipr.ithttp://stm.unipr.itwww.fis.unipr.it/semlab

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http://science.nasa.gov/newhome/headlines/msad18may99_1.htmwww.personal.rdg.ac.uk/~scsharip/tubes.htmwww.pa.msu.edu/cmp/csc/nanotube.html