با سلام، من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی ارشد من مهندسی سیستم ها و اتوماسیون کارخانه است، و حوزه تخصص من بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فرآورده های نوین[۱] می‌‌باشد.
در این سلسله از مقالات و فایل های صوتی[۲]، کوشش می کنم که علم نانو[۳] و فنآوری نانو[۴] را (به زبان فارسی) از پایه، بنحوی سیستماتیک به دوستانی که علاقمند هستند، در حد توان، ارائه کنم.
در واقع این مقالات، فصل های کتاب جدیدی با همین نام (سفر به ریزها) هستند که سالهاست بر روی آن کار می کنم و در دست تهیه است، و تصمیم گرفته ام که پیشاپیش آن را، فصل به فصل، بطوری مجازی منتشر کنم.
از پژوهشگران و اندیشمندان عزیز خواهشمندم که لینک ها را به دوستان و بویژه به جوانان دانش پژوه ما (که اغلب دسترسی نظام مند برای آشنایی با علم و فنآوری نانو – به زبان فارسی – ندارند[۵]) ارسال فرمایند. با احترام، ر. رخشانی
گذارهایی ابزاری، از میلی متر به میکرومتر
در این فصل کتاب سعی خواهم کرد که تحولات علم نوین و پیشرفت های فن آوری نانو[۶] را از دریچه تحولی که انقلاب[۷] کامپیوتری[۸] یا انقلاب الکترونیک[۹] نامیده شده، بررسی کنم[۱۰]. در عین حال در اینجا فرصتی دارم تا تکامل ابزاری مان[۱۱] را از اندازه هایی معمولی (میلی متری) به مقیاس های ابزاری میکرومتری[۱۲] و سپس به اندازه های نانومتری[۱۳] مرور کنم[۱۴]. در دو فصل پیشین در مورد جریان الکترون ها[۱۵] و مساله کنترل بر آنها نوشتم[۱۶]. آنچه در مورد انقلاب الکترونیک یا انقلاب کامپیوتری حائز اهمیت است[۱۷]، توانایی ابزاری ما برای طراحی و تولید مدارهای یکپارچه الکترونیکی[۱۸]، چیپ های کامپیوتری[۱۹] و مدارهایی در مقیاس نانو[۲۰] می باشند[۲۱] که ریشه در این واقعیت دارند و از قابلیتی بهره می گیرند که الکترون هایی می توانند[۲۲] الکترون های دیگری[۲۳] را کنترل[۲۴] کنند[۲۵]. توانایی و حرکتی رو به پیش که از دهه های ۵۰ و ۶۰ میلادی آغاز شد[۲۶] و تدریجا ابزارهای ما را نخست از اندازه هایی معمولی به مقیاس هایی میکرومتری و اخیرتر به ابعاد نانو گذر داده است[۲۷].
امروزه اگر مبحثی در مورد صنعت الکترونیک صورت بپذیرد[۲۸]، مسلما شامل فن آوری نانو است[۲۹]. این فن آوری[۳۰] در کامپیوتر[۳۱]، دوربین دیجیتال و در تلفن هوشمند ما موجود است[۳۲]. همه فن آوری هایی که ما را قادر ساخته ا‌ند تا به ابعاد نانو[۳۳] وارد شویم[۳۴]، همان هایی ا‌ند که نخست ما را از مقیاس هایی میلی متری به ابعاد میکرومتری رهنمون ساختند[۳۵]. با استفاده از چنان ابزارهایی، ما نخست توانستیم مواد را در مقیاس های میکرومتری بسازیم و اکنون هم در اندازه های نانو تلاش های مان ادامه می یابند[۳۶]. در واقع چنین فن آوری های پلاتفرمی، اساس آن رویکردی بوده ا‌ند که امروزه رویکرد بالا به پایین[۳۷] فن آوری نانو[۳۸] خوانده می شود[۳۹].
طراحی نخستین کامپیوتر
نخست اینکه، اولین گذار ابزاری ما به مقیاس های میکرومتری را آغاز صنعت کامپیوتر می دانیم[۴۰]. عکس زیر نخستین کامپیوتری است که “ادغام گر یا درهم گر، و شمارش گر الکترونیکی[۴۱]” نامیده شد. این ابزار نخستین کامپیوتری بود که فراتر از تنها حسابگری یا محاسبات می رفت[۴۲] و دانشمندان می توانستند آن را برای مقاصدی دیگر هم برنامه ریزی کنند[۴۳]. البته برنامه ریزی[۴۴] آن زمان[۴۵]، بمفهوم آنچه امروز در فعالیت های نرم افزاری است نبود و با استفاده از پریزها[۴۶]، یا اتصال های برقی[۴۷] سخت افزاری[۴۸] و یا سیم هایی در هم پیچیده[۴۹] و سپس از طریق کدهایی که روی مجموعه ای از کارت هایی مقوایی مهر و سوراخ[۵۰] یا پانچ[۵۱] می شد، انجام می گرفت[۵۲].
ادغام گر یا درهم گر و شمارش گر الکترونیکیENIAC
کاربرد نخستین آن کامپیوتر هم محرمانه و برای محاسبات سریع تر اهداف توپخانه نظامی ارتش آمریکا و در همکاری با دانشکده برق دانشگاه پنسیلوانیا، در سال ۱۹۴۳، بود و کمی بیشتر از ۶ میلیون دلار برای آن هزینه شد. همین ابزار پس از پایان جنگ برای محاسباتی مالی و تجارتی[۵۳] برای حدود ده سالی (تا سال ۱۹۵۵) مورد استفاده قرار گرفت[۵۴].
اینجا پرسش این است که امروزه چند کامپیوتر برای ۱۰ سال یا بیشتر مورد استفاده است؟ چنین استفاده و طول عمری ابزاری بسیار جالب بنظر می رسد. دیگر اینکه از دیدگاه ابزاری در آن سال ها، در صنعت کامپیوتر، ما هنوز جدایی سخت افزاری و نرم افزاری[۵۵] نداشتیم.
لامپ هایی خلائی[۵۶]
صنعت الکترونیک (که همانگونه که پیشتر اشاره کردم بمفهوم کنترل الکترون هایی بر الکترون هایی دیگر است[۵۷]،) در واقع آغازی هم زمان[۵۸] با همین ابزار کامپیوتری دارد. اما خود این ابزار نوین متکی بر طراحی قطعه ای الکترونیکی در درون خود کامپیوتر بود که لامپ خلائی[۵۹] نامیده شد.
هنگامیکه ما جریانی برقی بین دو الکترود داریم و قادر باشیم که با طراحی الکترودی دیگر و سومی (چه از طریق ولتاژ یا چه با استفاده از آمپر) آن جریان برق را کنترل کنیم، خاموش یا روشن کنیم، آنگاه می توانیم بنیان یا اساس محاسباتی دیجیتالی را که در رشته های ۱ (یک) و ۰ (صفر) هستند، بوجود بیاوریم. طراحی لامپ خلائی[۶۰] چنین امکانی را فراهم کرد. البته اگر همان جریان برق را نه تنها در ۱(یک) ها و ۰ (صفر) ها، بلکه در فازهایی میانی هم بتوان کنترل نمود، ما در دنیای آنالوگ هستیم، که در آن می توانیم سطوح متفاوت برق را هم تغییر دهیم. این بدین مفهوم است که در الکترونیک آنالوگ، اگر قادر باشیم سیگنال کنترلی برقی را کمی تغییر دهیم، می توانیم تغییراتی بزرگ تر را در خود جریان برق بوجود بیاوریم که بنیان فزون سازی برقی یا اساس تقویت دامنه برقی[۶۱] نامیده می شود[۶۲].
لامپی خلائی
تاریخ صنعت کامپیوتر با تاریخ اختراع لامپ خلائی توسط لی د فارست[۶۳] درهم تنیده است[۶۴]. اختراع او که امکان فزون سازی یا تقویت دامنه برقی[۶۵] را فراهم کرد بدان مفهوم بود که حالا دانشمندان می توانستند امواج رادیویی بسیار ضعیف را آنچنان تقویت کنند تا امکان شنیدن، میسر شود[۶۶].
حوزه های صنعت الکترونیک (چه آنالوگ و چه دیجیتال) که خاستگاه های ازلی[۶۷] چنین صنعتی بودند، مدیون لی د فارست هستند که بخش های سازنده[۶۸] هر دو حوزه (چه آنالوگ و چه دیجیتال) را فراهم نمود. اختراع ترانزیستور[۶۹] هم ادامه تکامل تدریجی لامپ های خلائی بود.
در الکترونیک آنالوگ، ترانزیستور برای شیوه های کنترل تغییرپذیر برق مورد استفاده بوده است، و در الکترونیک دیجیتال، چنین ابزاری تنها برای شیوه های خاموش و روشن کردن جریان برق کاربرد داشته است[۷۰].
چیدمان متناوب لامپ هایی خلائی درون ENIAC
عکس بالا چیدمان متناوب لامپ هایی خلائی را درون ENIAC نشان می دهد.
پرسش مهم این است که چرا برای جریان برق نیاز به خلأ داریم[۷۱]؟ پاسخ اینکه اگر چنین خلائی نباشد، اگر هوا داشته باشیم، الکترون هایی که در جریان هستند با ملکول هایی که هوا[۷۲] را می سازند برخورد کرده و در اثر چنین برخوردی، جریان برق از بین می رود، و یا نیاز به ولتاژی بسیار بالاتر هست تا همان میزان جریان برق (آمپر) صورت پذیرد[۷۳].
در درون لامپ خلائی، بهترین محیط برای جریان آزاد الکترون ها را داریم. با افزایش گرمای یکی از الکترودها، به انرژی گرمایی کافی می رسیم که نتیجتا به برون فرستی الکترون ها می انجامد. این پدیده در صنعت الکترونیک، “برون فرستی یون گرمایی[۷۴]” نامیده شده است. چنین الکترون هایی با کمک حوزه الکتریکی درون خلأ، بدون هرگونه مانعی به جریان می افتند. اما این تنها آغاز کار است و ما هنوز به الکترونیک، یعنی به همان پدیده ای که پیشتر اشاره داشتم، یعنی به الکترونی که قادر باشد یا بتواند الکترونی دیگر را کنترل کند، نرسیده ایم[۷۵] و تنها با جریان الکترون ها روبرو هستیم. [۷۶] عکس زیر تصویری از “برون فرستی یون گرمایی[۷۷]” را نشان می دهد.
کنترل الکترونی، از طریق طراحی الکترود سومی عملی می شود که مستقلا می تواند اصولا اینکه جریان برقی باشد یا نباشد را کنترل کند. برای تصویری ساده درست مثل اینکه ما جریان آبی افقی را با گذاشتن سدی یا مانعی در مسیری عمودی کنترل کنیم. در حوزه برق هم، ما می توانیم جریان برق را با الکترود سومی، خاموش یا روشن کنیم بدون اینکه نیازی به آمپر یا ولتاژی بالا، و نتیجتا نیروی برق زیادی داشته باشیم. چنین طراحی ای، کلیدی برای فزون سازی یا تقویت دامنه جریان برق[۷۸] تنها با معرفی این نوع از مدولاسیون در کنترل[۷۹] بوده است که تاثیری بسیار پر اهمیت در حوزه الکترونیک و برای خود جریان برق داشته و دارد. [۸۰]
پیشتر در مورد موضوع لزوم خلأ نوشتم و پیرامون اینکه خلأ تا چه اندازه برای جریان آزاد الکترون ها مهم است. اما یکی از مشکل هایی که ابتدا بساکن با آن روبرو بودیم، سوختن چنین لامپ هایی خلائی بود. با سوختن حتی یکی از لامپ های خلائی در درون کامپیوتر، این ابزار برای مدتی از کار باز می ایستاد. در واقع تولد حوزه الکترونیک ترانزیستوری بدلیل چنین مشکلی بود که نیاز به راه حل داشت[۸۱].
ترانزیستورها
دانشمندان بدنبال آن بودند تا بهترین خواص لامپ های خلائی را همچنان حفظ نموده و با از بین بردن آن مشکل، بتوانند اتکاپذیری کامپیوترها[۸۲] را افزایش دهند، و همچنین بتوانند بنحوی هم زمان، چالش اندازه پذیری چنین ابزاری (لامپ خلائی) را نیز چاره ای بیابند[۸۳]. اختراع ترانزیستور[۸۴] (نگاه کنید به تصویر زیر) پاسخی به چالش ها بود، که نیازی هم به خلأ نداشت و الکترون ها می توانستند در درون چنین ابزاری نیمه رسانا[۸۵]، جریان یابند[۸۶].
ترانزیستوری ساده
استفاده از کریستال سیلیکن، کامل ترین، خالص ترین و منظم ترین چیدمان اتمی را برای بهره گیری در ترانزیستور[۸۷] میسر می کرد زیرا که کاملا هم متناوب بود[۸۸].
در مقالات پیشین نوشتم که ما در اکثر موارد به الکترون همچون ذره ای نگریسته ایم، اما در واقع الکترون موج هم هست و البته ما اغلب چنین برداشتی نداریم[۸۹]. در درون هر نیمه رسانا ، ما با پدیده هم اندازه پذیری[۹۰] روبرو هستیم. این بدین مفهوم است که موج الکترون بنحوی متناسب و کامل موج اتم های سیلیکن[۹۱] را دنبال می کند[۹۲]. نتیجتا می توان اتم پس از اتم سیلیکن داشته، و می توانیم جریان متناسب و هم اندازه پذیری از موج الکترونی هم داشته باشیم[۹۳]. چنین جریان موجی الکترون هم، در همه جا حاضر[۹۴] و غیر محلی[۹۵] بوده، نیازی هم به خلائی کامل ندارد. نتیجتا مشکل اتکاپذیری[۹۶] را نیز حل کرده ایم چون که در همه جا حاضر بودن[۹۷] موج الکترونی را از طریق گذر از ساختار خالص، کامل و منظم کریستال سیلیکن[۹۸] در چنین نیمه رسانایی عملی کرده ایم. [۹۹]
نکته کلیدی اینکه دانشمندان علمی نکات فنی و ابزاری مهمی را از لامپ های خلائی آموخته و چنین تجربه ای را برای طراحی ابزاری نوین در وضعیت جامد[۱۰۰] مورد استفاده قرار دادند. بنابراین هنگامیکه در حوزه الکترونیک اشاره به وضعیت جامد می شود، در واقع پیرامون همین گذار از وضعیت خلائی است و اشاره به ترجمان تجربه ها، آزمون ها و درس هایی سودمند است که از آن وضعیت خلائی آموخته شد تا ترانزیستور بوجود بیاید. نکته اصلی چنین گذاری به وضعیت جامد هم، در توانایی دانشمندان برای طراحی مقیاس هایی کوچک تر و ریزتر و برای تولیدی انبوه تر نهفته است. اما پیش از آنکه دانشمندان علمی توانایی طراحی، تولید و مدیریت چنین مقیاس هایی را عملی سازند، نکته اساسی و کشف مهم دیگری در حوزه الکترونیک به وقوع پیوست. آن کشف اساسی، مدیریت سطح تماس یا مدیریت نقطه تماس و اتصال مواد با یکدیگر[۱۰۱] بود، که برای نمونه به ارتباط قطعه ای از سیلیکن یا قطعه ای از جرمانیوم[۱۰۲] (که پژوهش های نخستین بر اساس آنها انجام می شد) با موادی دیگر مربوط بود[۱۰۳].
همانگونه که پیشتر در مورد الماس و سیلیکن نوشتم، اتم های کربن و همچنین اتم های سیلیکن با چهار اتم همسایه ی نزدیک به خود پیوندهایی بسیار منظم و کامل دارند. چنین پدیده ای در مورد اغلب نیمه رسانا‌ها درست است. اما در پایانه اتمی خود یا در نقطه تماس یا اتصال با دیگر مواد[۱۰۴]، اتم سیلیکن همسایه ای ندارد. از دیدگاه شیمیایی، دانشمندان علمی می دانستند که اگر گام های لازم برای مدیریت چنین سطح تماسی یا مدیریت نقطه ی اتصال گرفته نشود، دیگر آن سیلیکن یا آن نیمه رسانا، در پایانه اتمی یا نقطه و سطح تماس خود، کامل، خالص و منظم نخواهد بود[۱۰۵]. در عین حال دانشمندان علمی می دانستند که سیلیکن خاصیت بسیار ویژه ای هم دارد که در نقطه اتصال خود با دنیای بیرونی، اکسیدپذیر است و می تواند دی اکسید سیلیکن[۱۰۶] (یعنی شیشه) بسازد، البته اگر در حرارتی درست و میزان رطوبتی دقیق[۱۰۷] باشد. نتیجتا آنها می دانستند که با معرفی اکسیژن و آب در شرایطی درست و کنترل شده، سیلیکن می تواند چنین اکسیدی را (که اکسید بومی[۱۰۸] خوانده می شود) شکل بدهد. تصویر پایین چگونگی شکل گیری دی اکسید سیلیکن را بر سطح سیلیکن نشان می دهد.
با شکل دهی به چنین اکسیدی بومی در نقطه اتصال، یا در سطح تماس یا در پایانه اتمی[۱۰۹]خود، سیلیکن موقعیت منظم، کامل و خالص خود را نگاه می دارد. برای دانشمندان، شکل دهی به چنین اکسیدی بومی بر سطح سیلیکن، در شرایطی درست، بسیار ساده بود. تصویر پایین نقطه اتصال اتم سیلیکن را با اتم ماده ای دیگر نشان می دهد.
مدارهای یکپارچه الکترونیکی[۱۱۰]
بالاتر تصویری از یک ترانزیستور داده شده، و البته با تنها یک ترانزیستور، کامپیوتری ساخته نمی شود[۱۱۱] و تعدادی بی شمار ترانزیستور می بایست به یکدیگر متصل شوند[۱۱۲] و همچنین نیاز به سیم کشی و تعریف نقاط اتصال[۱۱۳] هم هست.
در اینجا اشاره کنم که برای آموزش و همچنین یادگیری، دانشجویان سال های دوم و سوم مهندسی برق مجبور به طراحی و وصل کردن ترانزیستورهایی زیاد در مداری برقی، و در کنار خازن[۱۱۴] و سیم مقاومت و غیره هستند. در اغلب موارد هم، با آزمون و خطا[۱۱۵]، دانشجویان بالاخره پروژه طراحی خود را به پایان می برند. مدارهای برقی آنها شاید حداکثر ۴۰ یا ۵۰ ترانزیستور را در خود جای دهد. اما برای آنچه ما امروز انقلاب مدارهای یکپارچه الکترونیکی[۱۱۶] می نامیم، که از دهه ۶۰ میلادی آغاز شد، نیاز به استفاده از هزاران ترانزیستور می بود. نتیجتا دانشمندان می بایست روش های علمی و ابزارهای فنی جدیدی را برای طراحی و تولید نیمه رساناهایی ریزتر و کوچک تر اختراع می کردند. نخستین تلاش که “ادغام تک سنگی[۱۱۷]” نامیده شد، تراش فنی نیمه رسانایی در تک سنگی (که کریستال سیلیکن بود) عملی شد.
نکته و چالش بعدی برای دانشمندان آن بود که چگونه می توانستند تعداد بی شماری از چنین نیمه رساناهایی را تولیدی انبوه کنند، بویژه اینکه طرح فنی تمام آن ترانزیستورها هم یکسان بود، و البته چالش سپسین، اتصال سیستمی همه ی آنها با یکدیگر بود. فرآیند اتصال ترانزیستورها با استفاده از روش های علمی، در فیزیک نوری (از طریق آنچه فتولیتوگرافی نامیده شد) بالاخره عملی شد[۱۱۸]. با استفاده از ماسکی که در بخش هایی اجازه تابش نور را بنحوی شفاف، و در بخش هایی دیگر بنحوی کدر، بر ویفری سیلیکنی می دهد، شابلونی[۱۱۹] از ترانزیستورها و همچنین از نقاط اتصال آنها با یکدیگر، بر روی آن ویفر نقش می بندد. بدینوسیله و با چنین روشی فنی، تعدادی بی شمار از ترانزیستورها بر آن ویفر نقش بسته و ثبت می شود. برای آنکه تصویری از این فرآیند داشته باشیم، می توانیم به تمثیل ظهور و ثبوت عکسی در فن عکاسی مراجعه کنیم.
شکل گیری شابلون در فتولیتوگرافی
فرآیند فنی فتولیتوگرافی امکان تولیدی انبوه و بی نهایت مقیاس پذیر[۱۲۰] را برای مدارهای یکپارچه الکترونیکی فراهم نمود.
اما نکته کلیدی اول برای ساخت ترانزیستورها، معرفی سطوحی کنترل شده از ناخالصی بر ویفر سیلیکن بود. در سطح تماسی که نور مستقیما بر سیلیکن می تابد، شابلون شکل می گیرد و در سطوحی که ناخالصی ها معرفی شده ا‌ند، اتفاقی نمی افتد[۱۲۱] و اجازه اندازه پذیری یا مقیاس پذیری [۱۲۲]هم، در طراحی چنین روش علمی مهندسی مواد میسرمی شود.
نکته کلیدی دوم در انقلاب الکترونیک این بوده است که ما روز به روز نیاز به مقیاس هایی ریزتر و فرآیندهایی سریع تر داشته ایم تا بتوانیم کامپیوترهایی با میلیاردها کارکرد را هرچه اتکاپذیرتر و سریع تر تولید کنیم. نتیجه اینکه اگر ما از نور، یعنی از فوتون ها (که موج ذره ا‌ند و طول موج دارند،) برای فرآیند فتولیتوگرافی استفاده می کنیم، به اندازه هایی کوچک تر از همان طول موج چنین نوری نمی توانیم برسیم. این بدین مفهوم است که مسیر حرکت لیتوگرافی به سوی نورهایی با طول موج های کوتاه تر بوده است. یعنی ما از نور قابل رویت به نور فرابنفش و امروزه به لیتوگرافی اشعه ایکسی در حرکت بوده ایم.
با کوچک تر کردن اندازه ها و کوتاه تر کردن مستمر طول موج نوری برای ساختن چیپ ها، و برای ساختن مدارهای یکپارچه الکترونیکی ای اتکاپذیر، مساله تمیز نگاه داشتن مرکز‌های تولیدی و پاکیزه نگاه داشتن نقطه تولید[۱۲۳] برای جلوگیری از هر گونه گرد و غباری ذره ای روبرو بوده ایم[۱۲۴]. عکس زیر تصویری از یک چیپ کامپیوتری[۱۲۵] با میلیاردها مدارهایی یکپارچه الکترونیکی است.
کوچک ترین ذره گرد و غبار بر هر ترانزیستوری[۱۲۶]، کارکرد کل مدار یکپارچه الکترونیکی را مختل می کند. امروزه برای کاهش هرگونه گرد و غباری یا حتی ذره ای بر ترانزیستوری که می تواند آن را آلوده کرده، کارکردش را مختل کند، تولید ترانزیستورها فقط در “اتاق هایی پاکیزه[۱۲۷]” با استفاده از اتوماسیون انجام می شود[۱۲۸]. تصویر پایین “اتاق پاکیزه ای اجاره ای” را هنگام آماده سازی نشان می دهد.
اگر هم در چنین مکان هایی پاکیزه، نیازی به نیروی انسانی باشد، ورود به آن اتاق ها تنها با پوششی کامل (شبیه به پوشش کارشناسان لابراتوارها) و همچنین با گذر از محفظه ها و دستگاه هایی آلودگی زدا[۱۲۹]، عملی است. بدلیل هزینه های بسیار سنگین ۵-۶ میلیارد دلاری برای ساخت چنین اتاق هایی پاکیزه، امروزه تنها تعدادی بسیار اندک از بنگاه ها، چنین توانایی مالی را دارند و برای بسیاری شرکت ها ساخت آنها مقرون به صرفه نیست. نتیجتا بسیاری کمپانی های سازنده ابزارهای الکترونیکی، با اجاره ساعتی یا روزانه این اتاق ها، چیپ ها و مدارهای یکپارچه الکترونیکی ویژه خود را با مدل “برون فرستی[۱۳۰]” می سازند. در چنین مدل های کسب و کاری اجاره ای “اتاق هایی پاکیزه،” شرکت های دیگر می توانند حتی لایه های فلز ویژه مورد نیاز خود، نوع فرآیند لیتوگرافی، استفاده از طرح های مدارهای “از پیش آماده ی موجود[۱۳۱]” یا طرح مدار خود، فرستادن متخصص های خود به آن کمپانی ها یا درخواست برای یاری گیری از کارشناسان آن آزمایشگاه یا کسب و کار، و بسیاری تسهیلات خدماتی دیگر، بهره ببرند.
ممکن است برای برخی این پرسش مطرح شود که مدارهای یکپارچه الکترونیکی در کجا مورد استفاده هستند؟ پاسخ اینکه آنها در درون تلویزیون ها و کامپیوترهای ما، در دوربین های عکاسی دیجیتال و همچنین در تلفن های هوشمند[۱۳۲] ما و در بسیاری ابزارهایی الکترونیک دیگر هستند. عکس زیر مدارهایی یکپارچه الکترونیکی را در تلفنی هوشمند نشان می دهد.
از آنها گذشته، امروزه با استفاده از چنین مدارهایی، پردازشگر‌ها یا فرآیندگرهایی[۱۳۳] طراحی شده ا‌ند که تنها برای پردازش تصاویر[۱۳۴] مورد استفاده هستند. آنها بقدری پیچیده و ظریف ا‌ند که میزان انرژی مصرفی آنها و نتیجتا حرارتی که تولید می کنند، بسیار بالاست[۱۳۵]. برای جلوگیری از چنین مشکلی، مدارهایی قطعه ای و موازی و کوچک تر[۱۳۶] به کار گرفته می شوند. در طراحی آنها، بجای تنها یک واحد پردازشگر مرکزی[۱۳۷]، چندین واحد که بهم پیوسته، بهم مرتبط و برهم متکی[۱۳۸] هستند، مورد استفاده ا‌ند.
“قانون مور[۱۳۹]“
روند چند دهه ای و رقابتی امروزی ما به اعماق مواد (آنگونه که ریچارد فینمن[۱۴۰] مطرح کرده بود[۱۴۱]) روندی برای رسیدن به مقیاس هایی کوچک تر و ریزتر بوده است و در قانونی (اگر بتوان آن را قانون نامید،) بنام “قانون مور[۱۴۲]” مطرح شده است. گوردون مور[۱۴۳] که یکی از بنیانگزاران شرکت اینتل[۱۴۴] بود، در سال ۱۹۶۵ بر اساس تعداد و میزان ترانزیستورهایی که آن شرکت بین سال های ۱۹۵۸ و ۱۹۶۵ در مدارهایی یکپارچه الکترونیکی جا داده بود، مطرح کرد که توانایی فنی بشر هر دو سال، دو برابر می شود. این بدین مفهوم بود که با دو برابر شدن تعداد ترانزیستورها، ما هر دو سال کامپیوترهایی پرتوان تر، سریع تر، پیچیده تر و بنحوی نسبی ارزان تر می سازیم. همین روند تا امروز هم و شاید کمی سریع تر در جریان است[۱۴۵]. “قانون مور” که بنیان همان پدیده ای است که انقلاب الکترونیک یا کامپیوتر[۱۴۶] می نامیم، مسیر رشد نجومی توانایی بشر برای ریزتر ساختن ترانزیستورها و نتیجتا مدارهایی یکپارچه الکترونیکی و جا دادن آنها در ابزارهای گوناگون الکترونیکی را بخوبی بیان می کند. اگر در دهه پنجاه میلادی ما قادر بودیم تا صد‌ها لامپ خلائی را در ابزاری جاسازی کنیم، امروزه میلیاردها ترانزیستور را بر روی چیپی طراحی کرده و قرار می دهیم[۱۴۷]. مهم تر اینکه هزینه ساختن چنین چیپی از چند ده دلار هم بیشتر نیست. عکس پایین ساخت چیپی را، از طریق معرفی هدفمند سطوحی کنترل شده از ناخالصی ای مقاوم به نور، بر روی ویفری با استفاده از تکنیک فتولیتوگرافی نشان می دهد.
در پایان اینکه، در این فصل کتاب به طلیعه های انقلاب ابزارهای نانویی[۱۴۸] پرداختم[۱۴۹] و گذار ابزاری ما از مقیاس هایی معمولی (میلی متری) به اندازه‌های میکرومتری را توضیح دادم[۱۵۰].
پرسش این است که هنگامی که به ابعاد نانومتری گذر می کنیم، چه اتفاقاتی می افتد[۱۵۱]؟ در فیزیک ابعاد نانویی، پدیده مکانیک کوآنتومی،[۱۵۲] فرصت مهندسی موادی شگفت انگیز را فراهم می کند[۱۵۳]. در ابعاد نانویی، ما به مقیاس های هندسی کوچک تر و ریزتری گام می گذاریم، و پیچیدگی هایی بزرگ تر و شگفت انگیزتری را مهندسی می کنیم، و اغلب هم با مانعی بجز توانایی های ابزاری خودمان روبرو نیستیم[۱۵۴]، اما با تغییراتی در قواعد فیزیکی و شیمیایی[۱۵۵] مواد روبرو می شویم[۱۵۶].
در فصل بعدی کتاب “سفر به ریزها[۱۵۷]” به چنین بینشی خواهم پرداخت[۱۵۸]. از سویی به میراث “قانون مور” و سفر به ریزها و ریزتر‌ها در ابعاد هندسی تا مرز‌های برخورد ما با تاثیرات کوآنتومی[۱۵۹] چنین گذاری[۱۶۰] خواهم پرداخت[۱۶۱]. از دیگر سو فرصت آن را خواهم داشت تا به تاثیرات فیزیکی نوین، مانند تونل زنی کوآنتومی،[۱۶۲] و به توانایی دیدن اندازه واقعی موج های الکترونی[۱۶۳] بیشتر بپردازم[۱۶۴]. البته به این هم خواهم پرداخت که دانشمندان علمی حوزه های الکترونیک چگونه با استفاده از روش های علمی مدرن[۱۶۵] و ابزارهایی فنی در مقیاس های نانویی در پژوهش هستند[۱۶۶] تا با استفاده از توانایی هایی نوین[۱۶۷]، پارادایم جدیدی را در صنعت کامپیوتر رقم بزنند[۱۶۸].
وقت و روزگار خوش. دانا و توانا باشید.
———————————-
New product development
با سپاس از دوست گرامی، جناب اسفندیار منفردزاده، که با مهر و دوستی آهنگ آغازین و پایانی “سفر به ریزها” را برای فایل های صوتی من ساختند.
“The Handbook of Nano Technology, Policy and Intellectual Property Law”, John C. Miller, et al, Hoboken New Jersey: John Wiley and Sons, 2005.
چاپ و انتشار این مقالات و فایل های صوتی بدون ذکر نام نویسنده (ر. رخشانی) و مرجع، و هرگونه استفاده برای مقاصد خصوصی (private)و اهداف انتفاعی (for profit goals)بدون گرفتن مجوز از نویسنده اکیدا غیر قانونی است.
برای مقالات علمی و فایل های صوتی من (منجمله این مقاله) به شکل پی دی اف، لطفا به کانال تلگرام “سرشت علم” من مراجعه فرمائید
همچنین می توانید به کانال لینکدین زیر مراجعه فرمائید
https://www.linkedin.com/in/raymond-rakhshani-16628a5/detail/recent-activity/shares/
Balzani, Vincenzo, and Credi, Alberto, and Venturi, Margherita. Molecular Devices and Machines: Concepts and Perspectives for the Nanoworld. Wiley-VCH, 2008.
Cohen, J. B. Revolution in Science. Cambridge: Harvard University Press, 1994.
Schwab, Klaus. The Fourth Industrial Revolution. Currency, 2017.
Computer or electronic revolution
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Industrial Applications. CRC Press, 2020.
Mitroff, Ian, I. Technology Run Amok: Crisis Management in the Digital Age. Palgrave MacMillan, 2018.
Sargent, Ted. Dance of the Molecules: How Nanotechnology is Changing Our Lives. Avalon, New York, 2006.
Lindsay, Stuart. Introduction to Nanoscience. Oxford University Press, 2009.
Sanders, Wesley, C. Basic Principles of Nanotechnology. CRC Press, 2018.
Tonomura, Akira. Quantum World Unveiled by Electron Waves. World Scientific Publishing Company Inc., 1998.
Frankel, Felice, C. and Whitesides, George, M. No Small Matter: Science on the Nanoscale. Belknap Press of Harvard University, 2009.
Ceruzzi, Paul, E. A History of Modern Computing. MIT Press, 2003.
Electronic Integrated Circuits
Computer chips
Nanoscale circuits
Clerc, Sylvain, and Di Gilio, Thierry, and Cathelin, Andreia. The Fourth Terminal: Benefits of Body-Biasing Techniques for FDSOI Circuits and Systems. Springer, 2020.
لطفا به مقالات و فایل های صوتی ۱۵، ۱۶، ۱۷ و ۲۴ “سرشت علم” من در تلگرام رجوع و گوش کنید.
https://t.me/natureofscience
Kitten, Primrose. Atoms, Electrons, Structure and Bonding: The Workbook. Independently Published, 2017.
Electrons controlling electrons
Davidow, William, and Malone, Michael, S. and Kennedy, David. The Autonomous Revolution: Reclaiming the Future We’ve Sold to Machines. Berrett-Koehler Publishers, 2020.
Green, Dan. Physics: Why Matter Matters!, Kingfisher, 2008.
Callister, William, D. and Rethwisch, David, G. Materials Science and Engineering. John Wiley & Sons, 2010.
Wikipedia. History of Computing Hardware. http://en.wikipedia.org/wiki/History_of_computing_hardware.
Hornyak, Gabor, L. and Dutta, Joydeep, and Tibbals, H. F. Introduction to Nanoscience. CRC Press, 2008.
Frankel, Felice, C. and Whitesides, George, M. No Small Matter: Science on the Nanoscale. Belknap Press of Harvard University, 2009.
Tehranipoor, Mark, and Forte, Domenic, and Rose, Garrett S. and Bhunia, Swarup. Security Opportunities in Nano Devices and Emerging Technologies. CRC Press, 2017.
Natelson, Douglas. Nanostructures and Nanotechnology. Cambridge University Press, 2015.
Cantera, Sonia. Nano Comes to Life: How Nanotechnology is Transforming Medicine and the Future of Biology. Princeton University Press, 2019.
Tong, Xin, and Wang, Zhiming. Core/ Shell Quantum Dots: Synthesis, Properties and Devices. Springer, 2020.
Natelson, Douglas. Nanostructures and Nanotechnology. Cambridge University Press, 2015.
Balzani, Vincenzo, and Credi, Alberto, and Venturi, Margherita. Molecular Devices and Machines: A Journey into the Nanoworld. Wiley-VCH, 2003.
Top down approach
Sikkandar, Mohamed, and Rajamani, Geetha, and Kumar, Deepak. Fundamentals of Nanoscience.Noor Publishing, 2020.
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Industrial Applications. CRC Press, 2020.
Frankel, Felice, C. and Whitesides, George, M. No Small Matter: Science on the Nanoscale. Belknap Press of Harvard University, 2009.
Electronic Numerical Integrator and Computer (ENIAC)
Taylor, Mark C. The Moment of Complexity. Chicago, The University of Chicago Press, 2001.
Natelson, Douglas. Nanostructures and Nanotechnology. Cambridge University Press, 2015.
Programming
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Design Strategies for Synthesis and Fabrication. CRC Press, 2019.
Plugs
Hardware electrical connections
Wikipedia. History of Computing Hardware. https://en.wikipedia.org/wiki/history_of_computing_hardware. A well-written perspective on computing hardware over the ages.
Twisted wiring
Kelly, Tracey. Computer Technology: From Punch Cards to Supercomputers (History of Inventions.) Brown Bear, 2019.
Coded instructions on Punched cards
Lorenzo, Mark Jones. Endless Loop: The History of the BASIC Programming Language (Beginner’s All-purpose Symbolic Instruction Code.) CreateSpace Independent Publishing Platform, 2017.
Financial and commercial calculations
Ceruzzi, Paul, E. A History of Modern Computing. Cambridge, MA: MIT Press, 2003.
Separation of Computer Hardware from Software
Tyne, Gerald, F. J. Saga of the Vacuum Tube. Prompt Publication, 1994.
Raza, Hassan. Nanoelectronics Fundamentals: Materials, Devices and Systems (Nanoscience and Technology.) Springer, 2019.
Simultaneous beginning
Vacuum tube
Jurich, E. J. Vacuum Tube Amplifier Basics. Createspace Independent Publishing Platform, 2014.
Electrical amplification
Gauss, Carl. Amplifying with Vacuum Tubes: Circuit Design for the Novice. . Createspace Independent Publishing Platform, 2018.
Lee De Forest
Adams, Mike. Lee De Forest: King of Radio, Television, and Film. Copernicus, 2012.
Electrical amplification
Sampaio de Alencar, Marcelo, and de Alencar, Raphael Tavares, and Rocha, Raissa Bezerra. Linear Electronics. River Publishers, 2020.
Primordial origins
Building blocks
Maccarald, Clara. The Invention of the Transistor (Engineering that Made America.) Momentum, 2017.
Frenzel, Louis, E. Electronics Explained: Fundamentals for Engineers, Technicians, and Makers. Newnes, 2017.
Pittman, Aspen. The Tube Amp Book. Backbeat, 2003.
Air molecules
Sargent, Ted. Dance of the Molecules: How Nanotechnology is Changing Our Lives. Avalon, New York, 2006.
Thermionic emission
Scherz, Paul, and Monk, Simon. Practical Electronics for Inventors, Fourth Edition. McGraw- Hill Education TAB, 2016.
Sanders, Wesley, C. Basic Principles of Nanotechnology. CRC Press, 2018.
Thermionic emission
Electrical amplification
Control modulation
Dwivedi, Sanjeet, and Jain, Shailendra, and Gupta, Krishna Kumar, and Chaturvedi, Pradyumn. Modeling and Control of power Electronics Converter System for Power Quality Improvements. Academic Press, 2018.
Valizadeh, Pouya. Field Effect Transistors, A Comprehensive Overview from Basic Concepts to Novel Technologies, Wiley, 2016.
Computer reliability
Cui, Zheng. Nanofabrication: Principles, Capabilities and Limits. Springer, 2017.
Cressler, John, D. Circuits and Applications Using Silicon Heterostructure Devices. CRC Press, 2007.
Semiconductor
Zubry, Boris, M. Introduction to Nanotechnology. Independently Published, 2019.
Carroll, John, M. Transistor Circuits and Applications. Literary Licensing, LLC. 2013.
Completely ordered and completely periodic
Sanders, Wesley, C. Basic principles of Nanotechnology. CRC Press, 2018.
Commensurability
The wave of the electron can follow perfectly the wave of silicon atoms
Schubert, Thomas, and Kim, Ernest. Fundamentals of Electronics Book 1: Electronic Devices and Circuit Applications. I K International Publishing House, 2017.
Commensurable flow of the electron wave
Ubiquitous
Delocalized
Reliability
Ubiquity or “everywhereness”
Pure, perfect and ordered structure of the silicon crystal
Vikraman, Na. Textbook of Linear Integrated Circuits and Applications. Independently Published, 2020.
Solid state
Management of interfaces
Germanium
Grebennikov, Andrei. RF and Microwave Transistor Oscillator Design. Wiley, 2007.
Its interface
Lundstrom, Mark, S. Fundamentals of Nanotransistors. WSPC, 2017.
SiO۲
Right temperature and precise humidity
Native oxide
At its atomic interface
Electronic integrated circuits
Walker, J.S. Computer Time Travel: How to Build a Microprocessor from Transistors. Oldfangled Publishing, 2017.
Fiore, James. Operational Amplifiers & linear Integrated Circuits: Theory and Application. James M. Fiore Publishing, 2019.
Points of connection
Capacitor
Trial and error
Agarwal, Anant, and Lang, Jeffrey. Foundations of Analog and Digital Electronic Circuits. Morgan Kaufman, 2005.
Monolithic integration
Cornelius, David William. The Study of the Velocity of Electrons in the Photo-Electric Effect, as a Function of the Wave-Lengths of the Light. Franklin Classics, 2019.
A template
Scalable mass production
Hentschel, Klaus, and Hentschel, Ann, M. Photons: The History and Models of Light Quanta. Springer, 2018.
Scalability
Point of production
Atherton, Linda, F. and Atherton, Robert, W. Wafer Fabrication: Factory Performance and Analysis. Springer, 1995.
A computer chip
Donovan, R. P. Particle Control for Semiconductor Manufacturing. CRC Press, 1999.
Clean room
Sattler, Klaus, D. 21st Century Nanoscience – A Handbook: Design Strategies for Synthesis and Fabrication. CRC Press, 2019.
Disinfecting devices and de-ionizing chambers
Outsourcing
Pre-existing integrated circuit design
Smart phone
Hemanth, Jude, D. Artificial Intelligence Techniques for Satellite Image Analysis. Springer, 2020.
Image processors
Phillips, Lonathan, B. and Eliasson, Henrik. Camera Image Quality Benchmarking (IS&T Series in Imaging Science and Technology.) Wiley, 2017.
Smaller, parallel and segmented circuits
Central Processing Unit (CPU)
Interconnected, inter-related and interdependent
Moore’s Law
Richard Feynman
nobelprize.org/prizes/physics/1965/feynman/facts
Brock, David, C. Understanding Moore’s law: Four Decades of Innovation. Chemical Heritage press, 2006.
Thackray, Arnold, and Brock, David, C. and Jones, Rachel. Moore’s law: The Life of Gordon Moore, Silicon Valley’s Quiet Revolutionary. Basic Books, 2015.
Intel
Jacak, Witold, A. Quantum Nano-Plasmonics. Cambridge University Press, 2020.
Electronic or computer revolution
Trimbakrao, Suresh. Nanomaterial Synthesis, Characterization and its Applications: A Scientific Approach. LAP Lambert Academic Publishing, 2019.
Revolutionary precursors of Nano instruments
Borisenko, Victor, E. and Ossicini, Stefano. What is What in the Nanoworld: A Handbook of Nanoscience and Nanotechnology. Wiley-VCH, 2013.
Scheer, Elke, et al. Molecular Electronics: An Introduction to Theory and Experiment (World Scientific Series in Nanoscience and Nanotechnology.) WSPC, 2017.
Dill, Ken, A. and Bromberg, Sarina. Molecular Driving Forces: Statistical Thermodynamics in Biology, Chemistry, Physics, and Nanoscience, 2nd Edition. Garland Science, 2010.
Haar, Ter, D. Problems in Quantum Mechanics: Third Edition. Dover Publications, 2014.
Kattan, Peter, I. Ratio of Surface Area to Volume in Nanotechnology and Nanoscience (Basic Nanomechanics Series.) Petra Books, 2011.
Voigtlaender, Bert. Atomic Force Microscopy (Nanoscience and Technology.) Springer, 2019.
Contera, Sonia. Nano Comes to Life: How Nanotechnology is Transforming Medicine and the Future of Biology. Princeton University Press, 2019.
Strathern, Paul. Mendeleyev’s Dream: The Quest for the Elements. Pegasus Books, 2019.
https://t.me/natureofscience
https://www.linkedin.com/in/raymond-rakhshani-16628a5/detail/recent-activity/shares/
Kragh, Helge. Niels Bohr and the Quantum Atom: The Bohr Model of Atomic Structure 1913-1925. Oxford University Press, 2012.
Mohseni, Masoud, and Omar, Yasser, and Engel, Gregory, S. and Plenio, Martin, B. Quantum Effects in Biology. Cambridge University Press, 2014.
Lueth, Hans. Quantum Physics in the Nanoworld: Schroedinger’s Cat and the Dwarfs. Springer, 2013.
Dosch, H. G. Beyond the Nanoworld: Quarks, Leptons, and Gauge Bosons. A K Peters/ CRC Press, 2008.
Electron waves
Nimtz, Guenter, and Haibel, Astrid, and Walter, Ulrich. Zero Time Space: How Quantum Tunneling Broke the Light Speed Barrier. Wiley-VCH, 2008.
Discrete energy packs called Quanta
Volokitin, Aleksandr, I., and Persson, Bo, N. J. Electromagnetic Fluctuations at the Nanoscale: Theory and Applications. Springer, 2017.
Halpern, Paul. Synchronicity: The Epic Quest to Understand the Quantum Nature of Cause and Effect. Basic Books, 2020.
Hohenester, Ulrich. Nano and quantum Optics: An Introduction to Basic Principles and Theory. Springer, 2020.
پی نوشت د
جدول تناوبی عناصر شیمیایی
