Nanofotonik, Nanoelektronik, Nanomanyetizma


Bir yarıiletken olan Si kristalinin tümleşik devre üretiminde kullanılması mikroelektronik teknolojisinde çığır açan gelişmelere yol açmıştır. 1940’lı yıllarda başlayan bu süreç, günümüzde milyonlarca elektronik aygıtı
barındıran karmaşık işlemcilerin aynı yonga üzerine üretilebildiği üretim düzeyine ulaşmıştır. Önümüzdeki 10-15 yıl içersinde silikon teknolojisinin son sınırlarına dayanması beklenmektedir. Bu durumda “silikon sonrası” teknolojilerin ne olacağı, nasıl şekilleneceği ve silikon teknolojisinin sadece kullanıcısı durumunda bulunan ülkemizin hangi yeni teknolojilerin gelişmesinde rol olabileceği önem kazanmaktadır. Boyutların küçülmesi ve nanometre boyutlarına inmesi nedeni ile nanoelektronik olarak isimlendirilen elektronik aygıtların, silikon sonrasında önemli bir yer alması beklenmektedir. Nanometre boyutlarında oluşan kuantum etkilerini temel alan tek-elektron transistörler, tünel diyotlar ile moleküler elektronik aygıtlar, bu yeni teknolojinin yapı taşlarını oluşturacaktır. Bu aygıtların oluşturduğu, moleküler ve belki de tek-elektron seviyesinde sayısal işlemlerin yapıldığı, trilyonlarca aygıtın bir araya geldiği geleceğin yüksek performanslı sayısal tümleşik nanoelektronik devrelerin, son 40 yıldır devam eden Moore yasasını 2020 ve daha sonrasına taşıması beklenmektedir.

Nanoelektronik devrelerin sayısal devrelerin gelişimine yapması beklenen katkının bir benzerini, nanofotonik aygıtların günümüzdeki optik iletişim ve internet teknolojilerine yapması beklenmektedir. 1990’larda başlayan ve baş döndürücü bir hızla ilerleyen internet ve bilgi iletim teknolojisi sürekli olarak artan bir bilgi aktarma hızına ihtiyaç duymaktadır. Günümüzde optik fiber teknolojisinin sunduğu kapasitenin yalnızca binde biri kullanılmaktadır. Bu kapasitenin kullanımı lazer, detektör ve modülatör gibi fotonik aygıtların kapasitesi ile sınırlı kalmaktadır. Nanofabrikasyon teknolojileri kullanılarak yaratılacak nanodetektör, nanolazer ve nanomodölatör aygıtlarının kullanıma girmesi ile daha yüksek hızlarda çalışan optik iletişim sistemleri, 2020 yılı ve sonrasında ihtiyaç duyulacak iletişim kapasitesini karşılayacaktır.

Nanofotonik yapılar ve fotonik kristaller kullanarak madde ile elektromanyetik dalgaların etkileşmesini kontrol altına almak mümkündür. Bu etkileşimi moleküler seviyeye taşıyarak tek bir molekül ile nanofotonik teknolojiler kullanarak etkileşmek mümkün olacaktır. Bu etkileşim ise tek molekül hassasiyetinde sensör yapılmasını sağlayacaktır. Bu tür bir aygıtın özellikle moleküler biyoloji ve nanotıp bilimlerinde önemli uygulamaları olacaktır. Biyoteknoloji uygulamalarının yanında moleküler bilgisayarların “input-output” sorunlarını da nanofotonik teknolojiler kullanarak çözmek mümkün olacaktır.Silikon ve diğer bir IV. grup yarıiletkeni germanyum, sahip oldukları indirek band aralığı nedeni ile etkili ışıma göstermezler ve fotonik uygulamalar için uygun değillerdir. Ancak son yıllarda, poroz ya da nanokristal biçimindeki düşük boyutlu Si ve Ge yapıların ışıma yaptığı gözlemlenmiştir. Bu buluş, Si tabanlı fotonik aygıtların mikroelektronik devrelerle tümleşik olarak üretilmesinin yolunu açmaktadır. Nanokristaller, görünür bölgede rengi boyutlarına bağlı olarak değişen ışık yayabilen etkili merkezler oluşturmaktadır. Görünür bölgede ışıma yapan yarıiletken nanokristaller elektroniğin dışında da uygulama alanları bulmaktadır. II-VI grubu bileşik yarıiletkenlerinden (CdS, CdSe, CdTe) oluşan nanokristaller boyutlarına bağlı olarak farklı renklerde ışıma yapabilmektedir ve bu özellik canlı hücrelerin işaretlenmesinde, tanı amaçlı olarak kullanılmaktadır.

Günümüzde sabit disklerde GMR (Giant Magnetic Resonance) etkisi kullanılmaktadır. Ama sabit disklerde kullanılan boyutların 100 nanometre seviyesine yaklaşması ile bu teknolojinin kullanımı pratik hale gelmeyecektir. 100 nanometreden daha küçük boyutlarda manyetizma etkisi elde edilmesini amaçlayan nanomanyetizma teknolojilerinin bu aşamada devreye girmesi beklenmektedir. Spintronik olarak da adlandırılan bu teknolojiler vasıtası ile tek atom spin seviyesinde sayısal bilgileri bu malzemelere yazmak ve okumak mümkün olacaktır. Atomik seviyede bilgi saklayabilme teknolojileri ile 2020 yılına kadar ve daha sonrasında ihtiyaç duyulacak bilgi saklama ihtiyaçları karşılanmış olacaktır. Yukarıda kısaca açıklanan bu nanoteknolojilerin ülkemizde geliştirilmesi için ihtiyaç duyulan insan altyapısı vardır. Bazı temel araştırmaları yürütecek teknik altyapı ve deneyim de mevcuttur. Bu alanlarda Türkiye’nin özgün teknoloji üreten bir ülke olması; özellikle uluslararası dev elektronik firmaların rekabet edemeyeceği özgün teknolojilere yönelerek varlığını uluslararası düzeyde sürdürebilmesi olasıdır. Bu alanda öncelikle AR-GE ve arkasından KOBİ oluşumu için yatırım gerekmektedir. Bu alanlardaki somut hedefler aşağıda sıralanmıştır.

Temel Araştırma Hedefleri

HEDEF 1: Yarıiletkenlerden (grup IV ve II-VI yerıiletkenleri) oluşan nanoyapıların üretim süreçlerinin anlaşılması. Bu süreçler hakkında fizik, kimya, biyoloji, elektronik ve diğer ilgili alanları kapsayan çok disiplinli araştırma programlarının geliştirilmesi. Üretilen nanoyapıların ölçülmesi ve analiz edilebilmesi
için yötemlerin araştırılması ve geliştirlmesi (2007).
HEDEF 2: Nanoyapılar içeren elektronik, fotonik ve spintronik aygıtların fiziğinin anlaşılması ve araştırılması. Yeni açılımların tespit edilmesi ve öngörülmesi (2010).
HEDEF 3: Elektronik, fotonik ve spintronik uygulamalara yönelik nanoyapıların çeşitlenmesi, çok boyutlu hale getirilmesi, ve boyutlarının küçültülerek moleküler düzeydeki davranışlarının incelenmesi (2013).
HEDEF 4: Nanoyapılar içeren elektronik, fotonik ve spintronik aygıtların bir arada tümleşik olarak üretilmesine yönelik bilimsel altyapının araştırılması (2014).

Uygulamalı ve Sınai Araştırma Hedefleri

HEDEF 1: Nanoyapılar içeren Light Emitting Diode (LED), lazer ve detektör prototipinin üretilmesi ve üretim metodolojisinin geliştirilmesi (2008 ).9
HEDEF 2: Nanoyapılar içeren tümleşik devre elemanlarının prototip üretiminin gerçekleştirilmesi ve üretim metodolojisinin oluşturulması (2011).
Sınai Geliştirme
HEDEF 1: Nanoyapılar içeren ilk özgün LED, lazer ve nanodedektör üretiminin gerçekleştirilmesi (2010).
HEDEF 2: Nanoyapılar içeren elektronik, fotonik ve spintronik aygıtlardan oluşan ilk tümleşik devre sistemlerinin üretilmesi (2013).
HEDEF 3: Nanoyapılar içeren çok boyutlu, çok çeşitli elektronik, fotonik ve spintronik tümleşik devre sistemlerinin üretiminin geliştirilmesi ve uluslararası düzeyde tanınan bir üretim merkezi haline gelinmesi (2023)).



Kaynak....:
http://vizyon2023.tubitak.gov.tr/stratejikteknoloji/nano.pdf