Nanoelektronik - Küçültme ilkesi
Büyük şeyler, küçük çaplı olarak gerçekleşiyor. Elektronik üreticileri, sadece birkaç atomluk özelliklere sahip cihazlar üretmeyi öğreniyorlar. Bu ise bilgisayarları daha güçlü ve enerji tasarruflu hale getirmekle kalmayacak, aynı zamanda yepyeni elektronik cihaz türlerinin önünü de açacaktır. Bu yeniliklerin etkisi dünyadaki tüm yaşamı değiştirebilir.
Başparmak büyüklüğündeki bir kutu içinde tek kullanımlık eksiksiz bir klinik tanı test laboratuvarını ya da yalnızca yarınki hava durumunu göstermekle kalmayıp aynı zamanda telefonunuzun pilini de şarj eden bir gözlük merceklerini hayal edin. Bu tür cihazlar, malzemeler şekillendirilip en küçük ölçeklerde birleştirildiğinde ortaya çıkan benzersiz özelliklerden faydalanmaya yönelik bir yaklaşım olan nanoelektroniğin sağladığı bazı olanaklardan sadece birkaçı.
Belçika'daki bir nanoelektronik araştırma merkezi olan Imec'in Teknoloji Sorumlusu ve Başkan Yardımcısı olan Prof. Dr. Jo De Boeck bunu, "Nanoelektronik, boyut olarak 100 nanometreden daha küçük özelliklere sahip cihazları kapsar, bu özellik de cihazın işlevselliğini belirler", şeklinde açıklıyor. 100 nanometre (nm) aslında çok küçük bir ölçü; bir milimetrenin on binde biri, bu da yaklaşık olarak grip virüsünün boyutuna eşit. Konuşmasına, "Bu kadar küçük bir ölçekte son derece farklı özelliklerle karşılaşabiliyorsunuz", diye devam ediyor De Boeck. "Kuantum etkisini görüyorsunuz. Materyallerin elektriksel özelliklerini düzeltebiliyor ya da lazer ışığının dalga boyunu değiştirebiliyorsunuz."
Günümüzün popüler elektronik cihazları, nanoelektronik alanına uygun şekilde üretiliyor. En gelişmiş entegre devreler (IC) ya da bilgisayar çipleri, 25 nm ya da daha küçük milyarlarca transistörden meydana geliyor.
Antik Yunanlılar, kehribarın üzeri ovuşturulduğunda tozu çektiğini gözlemlemiştir. 19. yüzyıldaki bilim adamları, keşfetmiş oldukları negatif elektrik yüklü bir temel parçacığa Yunanca'da kehribar anlamına gelen ήλεκτρον (ēlektron) adını vermiştir. Bugün, elektronun dünyamızı bir arada tutan bir yapışkan görevi gördüğünü biliyoruz. Elektronlar molekül oluşturmak için atomları birbirine bağlar; kimyanın bütünü, elektronların kuantum özelliklerine bağlıdır.
Elektronların hareketini kontrol edebilme yeteneğimiz, evimizi aydınlatıp fabrikalarımızı çalıştırmak için kullandığımız enerjiden bilgi teknolojisi ve iletişim altyapılarına kadar pek çok alanda modern yaşamın temelini oluşturuyor.
Bilim adamları ve mühendisler son dönemlerde, normal şartlarda geçilemeyen materyallerin ince katmanları içerisinde "geçit" oluşturma becerisi gibi, elektron hareketlerinin özelliklerinden faydalanmaya yönelik yeni yollar bulmaya başlamıştır.
"Nanoelektronik, yaşantımızı çoktan değiştirdi", diyor De Boeck. "Modern cep telefonları ile konuşurken ellerimizin yanmamasının, cep telefonlarımızda ve dizüstü bilgisayarlarımızda çok yüksek çözünürlüklü ekranlar bulunmasının nedeni bu."
Aslında, saç telinden 1000 kat daha ince özellikte nesneler üretme becerimiz, entegre devrelerin gücünün ve verimliliğinin yarım yüzyılı aşkın bir süredir gelişmekte oluşunun bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. Intel Company'nin kurucu ortaklarından biri olan Gordon Moore tarafından 1965 yılında öne sürülmüş olan "Moore kanunları", tek bir entegre devre üzerine sığdırılabilen transistör sayısının her iki yılda bir iki katına çıkacağını öngörüyordu.
O zamandan bu yana sektör, sürekli olarak daha fazla sayıda ve daha küçük bileşenlerin silikon bir katman üzerine sığdırılabilmesini sağlayan yeni üretim teknikleri ve yeni malzemeler geliştirerek, Moore'un tahminlerini hayata geçirmenin yollarını bulmuştur. Günümüzün en gelişmiş entegre devreleri yalnızca 22 nm genişliğinde olsa da, araştırmacılar bu boyutu yarıya indirmenin yolları üzerinde çalışıyor. Ancak, bir avuç büyüklüğünde atom gibi özellikleri de ilave etmeye başladıkça, bazı zorlu fiziksel kısıtlamalarla karşılaşıyorlar.
Sınırları zorlamak
BASF Elektronik Malzemeler Bölümü Başkan Yardımcısı Claus Poppe, "Üreticilerin çip performansını artırabilmelerinin üç yolu var", diye ifade ediyor. "Bunlardan ilki, transistör boyutunun küçültülmesi. Moore kanunları bunu gösteriyor. Ancak sektör, transistör geçit boyunun uygun olabilmesi için 5 nm kadar küçük olması gerektiğini kabul ediyor, bu boyuta da önümüzdeki 10 sene içerisinde ulaşılması bekleniyor. İkincisi, günümüzde kullanılan silikonu çoğaltmak ya da yerine kobalt ve ya germanyum gibi yeni maddeler kullanılması. Üçüncüsü ise, günümüzün temel iki boyutlu tasarımlarını üç boyutlu olanlarla değiştiren bir geometri uygulanması."
Sektörün bir sonraki evrimsel hedefe ulaşma becerisi, bir bakıma doğru kimya kullanımına bağlı olacak. Son teknolojiye sahip bilgisayar çipleri üretmek için gereken 600 ila 1000 işlem döngüsündeki aşamaların büyük çoğunluğu kimyasal uygulama gerektiriyor, çiplerin her bir gelişim süreci de bu kimyasal maddelere yönelik yeni talepler doğuruyor. BASF Elektronik Malzemeler bölümünün Kıdemli Başkan Yardımcısı Lothar Laupichler, "Nanoölçeğe ulaştıkça, kimya bilgimiz, başarımızın temel faktörü haline geliyor", şeklinde konuşuyor. Şirketin dünya çapındaki elektronik işletmelerinde çalışan personelinin üçte ikisi, merkezi Güney Kore'de bulunan birimlerden birinde yer alıyor, bu da Asya'nın günümüzün global IC sektöründeki önemini ve özel malzemeler geliştirme konusundaki yakın işbirliğinin ciddiyetini ortaya koyuyor. BASF Elektronik Malzemeler Asya Pasifik İşletmesinin Başkan Yardımcısı ve bu birimin yetkilisi olan Boris Jenniches, bunu, "Bu nanoölçekte bir inovasyonu başarmak için, olağanüstü düzeyde bir saflık gerektiren moleküler düzeydeki etkileşimleri anlamanız gerekiyor", şeklinde ifade ediyor.
Saflık çok önemli, çünkü nanoölçekte yanlış bir materyalin birkaç atom zerreciği bile çalışan bir devre ile hatalı bir devre arasındaki farkı yaratabiliyor. BASF'nin elektronik malzemelerinin müşteriler tarafından talep edilen temizlik düzeyine uygun olup olmadığının kontrol edilmesi, Jan Willmann'ın görevinin önemli bir parçası. Almanya'da bulunan BASF Analiz Yetkinlik Merkezi - Steril Laboratuvar Müdürü olarak görev yapıyor. "Trilyon başına 10 ila 100 parça gibi bir oranda kirlilik tespiti yapmaya çalışıyoruz", diyor Willmann. "Bu öyle bir oran ki, ilaç sektöründeki birine bu örneği gösterdiğinizde, 'herhangi bir şey göremiyoruz, son derece temiz' yanıtını alırsınız."
Hızlı, ucuz, enerji tasarruflu bir sistem
Materyallerin nanoölçekte şekillendirilip kullanılabilmesi, klasik çip tasarımının da ötesinde pek çok alanda yepyeni fırsatlar sağlıyor. Klasik bataryaların önündeki ana engellerden bir çoğu fiziksel yapılarından kaynaklanıyor. Mühendisler, daha iyi bataryalar üretebilmek için, aradaki elektron akışını kolaylaştırmak amacıyla anot ve katodun etkin yüzey alanını genişletmek istiyorlar. Imec Enerji Teknolojileri İş Geliştirme Müdürü Philip Pieters bunu, "Elektrot yüzeyinin nanoölçekte üç boyutlu olarak şekillendirilmesi bunu mümkün kılıyor", şeklinde açıklıyor.
Araştırmacılar, bu tür bataryaların klasik tasarımlara göre yalnızca daha fazla enerji depolamakla kalmayıp, aynı zamanda daha hızlı şarj edileceğini ve böylece saatler yerine dakikalar içerisinde şarj edilebilen elektronik cihazların ve hatta elektrikli araçların önünü açabileceğini umuyor. Pieters'in araştırma ekibi, nanoölçekli bataryaların yanı sıra, pek çok alanda ultra ince elektronik malzeme katmanının uygulanmasında kullanılabilecek yüksek hassasiyete sahip baskı teknolojileri üzerinde de çalışıyor. Örneğin, yazdırılabilir fotovoltaikler, binaların ön cephelerine ve pencerelerine düşen güneş ışığından ve hatta iç mekândaki duvarlara ve tavana çarpan ve ziyan olan ışıktan elektrik üretilebilmesini sağlayacak.
“10 dakikadan kısa süren ve 10 Dolar'dan daha ucuza mal olan bir tanı testi, dünyanın pek çok yerindeki sağlık hizmetlerinde köklü değişiklikler sağlayabilir.”
Dr. Robert Bollinger, John Hopkins Üniversitesi
California Los Angeles Üniversitesi’nin yan oluşumu olan Aneeve Nanotechnologies, elektronik devrelerinin pek çok farklı alt katmana basılabilmesini sağlayan bir yaklaşım geliştirdi. Aneeve'in CEO'su Kosmas Galatsis, bunu, "Basım süreci, klasik çip üretimine kıyasla sadece ucuz ve enerji tasarruflu bir süreç değil, aynı zamanda başka çevresel avantajları da var", diye ifade ediyor. Aneeve tarafından kullanılan karbon nanotüplerinin, günümüzün klasik elektronik alanında ihtiyaç duyulan tantal ve indiyum gibi bazı nadir bulunan elementlere kıyasla "güvenli, sürdürülebilir ve bol miktarda bulunur" olduğunu da ekliyor.
Aneeve'in yaklaşımı, devrelerin çıplak gözle görünmeyecek biçimde şeffaf materyallere uygulanabilmesini sağlıyor. Şirket, bu işlemin, sağlam ve esnek ekranların ya da kablosuz iletişim olanaklarının üretim maliyetini ciddi oranda azaltacağını umut ediyor. Bu, aynı zamanda hareketli yön oklarının yabancı bir şehirde yön bulmaya yardımcı olduğu ya da yakındaki mağazaların ve restoranların açılış saatlerini ve müşteri yorumlarını okuyabildiğiniz bir "artırılmış gerçeklik" deneyimi sunan, dâhili ekranlara sahip gözlükler gibi yeni giyilebilir teknolojilerin de ortaya çıkmasını sağlayabilir.
Seattle'da bulunan ve bir grup eski Microsoft çalışanı tarafından kurulmuş genç bir şirket olan Heapsylon ise, doğrudan kıyafetlerin üzerine sensor yerleştirmek amacıyla nanoelektronikten faydalanarak daha sağlam bir adım atıyor. Koşucular için tansiyona duyarlı çoraplar ile giyen kişinin kalp atış hızını ölçebilen sutyenler ve tişörtlerden oluşan ürünlerin, son derece yumuşak ve makinede yıkanabilir olduğu öne sürülüyor.
Çipin içindeki laboratuvar
Nanoelektronik, entegre devre üretim teknolojilerini daha geniş uygulamalara taşırken, çiplerin içerisinde yepyeni olanaklar oluşturmak üzere kullanılıyor. Çip üreticilerinin transistör üretmek üzere farklı malzemeleri şekillendirip kullanabilmesini sağlayan teknoloji, aynı şekilde minik boru hatları, küçücük sensorlar ve minyatür makineler üretmek için de kullanılabiliyor. Bu yılın başlarında Imec, nanoelektronik tıbbi tanılama sistemlerinin geliştirilmesi amacıyla, Maryland - ABD'de bulunan Johns Hopkins Üniversitesi ile bir işbirliği başlattı. Imec'in yaşam bilimleri programının müdürü olan Liesbet Lagae, "Şu anda laboratuvarlarda gerçekleşen tanı testlerinin pek çoğunu yapabilecek, USB bellek boyutunda bir cihaz planlıyoruz", diye ifade ediyor.
Çiplere gömülü sensorlar kullanan Imec ekibi, gebelik testinden HIV gibi virüsler için antikor belirlenmesine ve hatta DNA analizine kadar pek çok işlemi gerçekleştirebilmeyi umuyor. "Temel yapı taşlarımızın hepsi yerli yerinde", diyor Lagae. "Mikroakışkanları biliyoruz, böylece devrelerin içlerine minicik kılcal pompalar yerleştirebiliyoruz, yani numune kendini çip içerisine etkin bir şekilde çekebiliyor. Test etmeden önce DNA'yı büyütmek için PCR (Polimeraz Zincir Reaksiyonu) uygulayabiliyoruz. Belli enzimlere ya da antikorlara maruz kaldığında elektrik sinyali ya da fotonlu sinyal üreten biyo-işaretleri devrelere nasıl entegre edeceğimizi de biliyoruz."
Imec Johns Hopkins ekibinin hedeflediği vizyonu gerçekleştirebilmesi için yapması gereken daha çok iş var, ancak klasik çiplerde de olduğu gibi, bunun büyük bir kısmı doğru kimyanın geliştirilmesine bağlı. Hassas biyolojik moleküllerin çiplere entegre edilmesi hala son derece zorlu bir süreç. Lagae, bunu, "Raf ömrü sorununun üstesinden gelmemiz gerekiyor", şeklinde açıklıyor. "Biyo-işaretçilerin kullanımdan önce bozulmaması için stabilize edilmesi gerekiyor, fakat bu işlem henüz silikon ortamında yapılmadı." Üretim açısından da zorluklar mevcut; klasik bir çip üretmek için uygulanan bu aşamalardan bazılarında yüksek sıcaklık kullanılması gerekiyor, bu da hassas biyokimyasal maddeleri tahrip edebiliyor.
“Şu anda laboratuvarlarda gerçekleşen tanı testlerinin pek çoğunu yapabilecek, USB bellek boyutunda bir cihaz planlıyoruz”
Imec Yaşam Bilimleri Program Müdürü Liesbet Lagae
Johns Hopkins Üniversitesi biyomedikal nanoelektronik programını yürüten Dr. Robert Bollinger, nanoelektroniğin dirimsel tıpta uzun süreli kullanımının dönüşümsel bir süreç olabileceğini söylüyor. "Nerede olursa olsun, hasta başında test yapabilme becerisi, yüksek kalitedeki tedavilere erişimi artıracak ve özel tıbbi tesislere duyulan ihtiyacı azaltacaktır."
Fakat, dünyayı değiştirebilecek küçücük ürünleri büyük miktarlarda ucuza mal ederek üretebilmek elektronik sektörünün becerisi olacaktır. Bollinger, konuşmasına, "Nanoelektronik, yarı iletken endüstrisinin üretim ölçeğinden faydalanabildiği için, bu imkânları yüksek miktarlarda ve çok düşük maliyetlerle sunabilme potansiyeli oluşturuyor", şeklinde devam ediyor. "10 dakikadan kısa süren ve 10 Dolar'dan daha ucuza mal olan bir tanı testi, dünyanın pek çok yerindeki sağlık hizmetlerinde köklü değişiklikler sağlayabilir."
