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).

NANOTECNOLOGIE 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). Strutture con l’equivalente ottico dell’energy gap nei semiconduttori potrebbero portare a computer veloci e comunicazioni ottiche Pozzi e fili quantici Cristalli fotonici Punti quantici 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 Mezzo attivo: In0.1Ga0.9N/Al0.3Ga0.7N Potenza: 15 mW Emissione: 405 n

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. 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: 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 Future applicazioni: 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. 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 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 www.nanovisions.net-rf@rfreitas.com/ 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