கார்பன் நானோ குழாய்களை தெரிந்துகொள்வோம்

This entry is part of 41 in the series 20040909_Issue

முனைவர். கதிரவன் கிருஷ்ணமூர்த்தி


மனித தலைமயிரினும் 10,000 மடங்கு மெல்லிய நுண்சிறுகுழாய்கள். உருட்டப்பட்ட கார்பன் அறுகோண தகடுகள். நானோக்குழாய்கள் இரும்பினும் வலிமையுடையது, அலுமினியத்தைக்காட்டிலும் மென்மையானது, செம்பினும் அதிக கடத்தும் திறன் கொண்டது. மெல்லிய, காற்றுப்புகுந்தாலும் நீர்ப்புகா உடுப்புகளிலிருந்து, மிளிரும் தட்டப்பலகை கணினி, மற்றும் தொலைக்காட்சி திரைகள் வரை கார்பன் நானோக்குழாய்களின் பயன்பாடுகளின் நீண்டுக்கொண்டே போகும் பட்டியல்.

கார்பன் நானோ குழாய்கள் 21 ஆம் நூற்றாண்டின் அற்புதப் பொருளாகப் பேசப்படுகிறது. பல களங்களில் நானோத் தொழிநுட்பத்தை பயன்படுத்தும் வாய்ப்புகள் பரவியிருந்தாலும், நானோக்குழாய்களின் பெரிய தாக்கம், மின்னணுவியல் துறையில் இற்றை-நிலை நுட்பத்தை மேம்படுத்துவதில் தான் உள்ளது. இதை எடுத்துக்காட்ட ஆய்வாளர்கள் பல வகைப்பட்ட நானோக்குழாய் மின்னணுவியல் மற்றும் ஒளிமின்னணுவியல் கருவிகளை வடிவமைத்துள்ளனர்.

நானோ குழாய்களும் புதிய மின்னணுவியல் முன்னேற்றமும்

மின்னிணுவியல் அமைப்புகளின் கட்டுமானத்தில் மையமாகத் திகழும் டிரான்சிஸ்டர்கள், தரவுகளை கணினி சில்களில் ஓரிடத்தில் இருந்து மற்றொரு இடத்துக்கு எடுத்துச் செல்லும் பாலமாக விளங்குகின்றன. அதிக எண்ணிக்கையில் டிரான்சிஸ்டர்கள் சில்லில் இருந்தால், அதிக வேகத்தில் தரவுகளை முறைவழிப்படுத்தலாம். மூர் விதியின் (Moore ‘s Law) அடிப்படையில் 18 மாததிற்கொருமுறை, சிலிக்கான் சில்லில் அடக்கக்கூடிய டிரான்சிஸ்டரின் எண்ணிக்கை இரட்டிகிறது என்று சொன்னாலும், இன்னும் 15-20 ஆண்டுகளில், சிலிக்கான் அதன் இயல்பெல்லையை எட்டிவிடும் என்று அறிவியலாளர்கள் கருதுகின்றனர்.

கணினிச் சில்களில் உள்ள சுற்றுகள் குன்றக் குன்ற, டிரான்சிஸ்டர்களின் அதிதீவர சிற்றளவாக்கம் இயற்பியல் வரம்பின் எல்லைக்கு தள்ளப்படுகின்றது. இன்றைய சிலிக்கான் அடிப்படையில் உள்ள தொழில்நுட்பம் விதிக்கின்ற வரம்புகளையும் மீறிய சிற்றளவாக்கத்துக்கு வழிகோளியாகத் திகழ்கின்றது கார்பன் நானோக்குழாய் தொழில்நுட்பம்.

வரைபடம்: கார்பன் நேனோ குழாய் (அ) ஒரு டிரான்சிஸ்டர் (ஆ) தடமாக இரண்டு முனைகளுக்கிடையில். ஒரு முனை மின்னணு மூலம் (source) , மற்றொன்று வடிகால் (drain) . மூன்றாவது முனையான ‘வாயில் ‘ (gate) மீது செலுத்தப்படும் மின்னழுத்தம் தடத்தின் மின்னோட்டத்தை கட்டுப்படுத்தும் மூடுகுமிழ் போன்றது.

சிற்றளவாக்கச் சிக்கல்

கணினி சில்களில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படும் சிலிக்கான் புலன் – விளைவு டிரான்சிஸ்டர்கள் (Field Effect Transistors) மூன்று முனைகள் கொண்ட நிலைமாற்றி. மூன்று முனைகள் முறையே மூலம் (source), வடிகால்(drain) மற்றும் வாயில் (gate) என்று வழங்கப்படுகின்றன. வாயில் முனைமீது ஏற்றப்படும் அழுத்தம், மூலம் மற்றும் வடிகாலுக்கிடையே மின்னோட்டத்தை கட்டுப்படுத்துகின்றது. வாயில் முனைக்கு கீழ் மின்னோட்டத் தடம் ஒரு மெல்லிய சிலிக்கான் படிகையாக அமைகிறது. வாயில் முனைக்கும் தடத்துக்கும் இடையே மெல்லிய மின்காப்பியாக (insulator) SiO2 பயன்படுத்தப்படுகிறது.

டிரான்சிஸ்டரை சிறிதாக்கவும், செயல் ஆற்றுகையை மேம்படுத்தவும் பல கட்டுமானப் பண்புக்கூறுகளை ஒரே நேரத்தில் சுருக்க வேண்டி உள்ளது. உதாரணத்துக்கு, டிராசிஸ்டர் செயல்படும் வேகத்தைக் 30% கூட்ட, தடத்தின் நீளத்தைக் 30% குறைக்க வேண்டும். மூலத்துக்கும் வடிகால் முனைக்கும் உள்ள இடைவெளியைக் 30% குறைக்க வேண்டும். இவ்வாறு செய்யும் போது மின்வழங்கியின் (Power Supply) அழுத்தம் 30% குறைக்கப்பட வேண்டும்; வாயிலுக்கும் தடத்துக்கும் இடையே உள்ள மின்காப்பியின் (insulator) பருமனைக் 30% குறைக்கவேண்டும்; டிரான்சிஸ்டர்களை இணைக்கும் கம்பிகளின் அகலத்தையும் குறைக்க வேண்டும்.

ஆனால் இன்றைக்கு, மேல்சொன்ன சுருக்கங்களை ஆக்குவது எளிதான காரியம் அல்ல. 100 நானோ.மீ தடநீளம் கொண்ட இற்றைநிலை தொழிழ்நுட்ப தொகுப்புச் சுற்றில், வாயில் மின்காப்பியின் பருமளவு 1.5 நேனோ. மீ. மின்னணுக்கள் வாயில் முனைக்கும், தடத்துக்கும் இடையே கசிவுறுவதைத் தடுப்பது மின்காப்பியின் பணி. ஆனால், மின்காப்பி மிகவும் மெலிந்தால், எலக்ரான்கள் குவாண்டம் விளைவால் குடைந்து (tunnel) வாயில் சுற்றில் மின்னோட்டம் ஏற்படுத்தும். தேவையில்லாத மின்னோட்டம் டிரான்சிஸ்டர் நிலைமாற்றிப் பணியைத் திறம்பட ஆற்றுவதற்கு குந்தகம் விளைப்பதாக அமைகிறது. தொகுப்புச் சுற்றில் வாயில் மின்னோட்டம் மின்அழிவை அதிகரிக்கிறது; இதன் நேர்விளைவாக மின்வழங்கியிலிருந்து மின்நுகர்வு அதிகரிக்கிறது. வெப்பத்தைக் தணிக்க இயலாதளவு கூட்டுகிறது.

இணைக்கும் கம்பிகளின் அகலம் குன்ற, மிந்தடைமமும் கூடி, சுற்றுகளின் நிலைமாற்றும் வேகம் குறைகிறது.

தனிப்பட்ட மின்னியல் பண்புகள்

கார்பன் நானோக்குழாய்களின் தனிப்பட்ட பண்புகளைத் தருவிப்பது 1. அவற்றின் 1-பரிமாண குணம் மற்றும் 2. காரீயகத்தின் (Graphite) மின்னியல் கட்டமைவுப் (structural) பண்புகள். உதாரணத்துக்கு குழாய்களின் மிகவும் குறைவான மின்னியல் தடைமம். எலக்ரான் நகரும் போது சந்திக்கும் தடைமம், கடத்தும் பொருளின் படிக கட் ஏதேனும் குறைபாடுள்ள இடங்களில் மோதுவதால் ஏற்படுகிறது. இந்தக் குறைபாடு ஒரு மாசுப்பொருள் அணுவோ, படிக கட்டுமானத்தில் உள்ள குறைபாடோ அல்லது அணுவின் நிலையிலிருந்து ஏற்படும் அதிர்வுகளாகவோ இருக்கலாம். மோதல்கள் எலெக்ட்ரான்களை நேர்ப்பாதையிலிருந்து விலகச் செய்கின்றன.

கார்பன் நானோக்குழாய்க்குள் எலெக்ட்ரான்கள் எளிதில் சிதறுவதில்லை. மிகச் சிறிய விட்டம் மற்றும் மில்லியனுக்கும் (1,000,000) மேலான விட்டத்திலிருந்து நீளத்தின் விகிதம் இருப்பதால் நானோக்குழாய்கள் 1-பரிமாண (1-D) அமைப்புகள். முப்பரிமாண (3-D) கடத்தியில் எந்தக் கோணத்திலும் சிதறலாம் என்பதால் சிதறுவதற்கு எலெக்ட்ரான்களுக்கு வாய்ப்புகள் அதிகம். 1-பரிமாணக் கடத்தியில் எலெக்ட்ரான்கள் முன்னும், பின்னும் தான் செல்ல முடியும். இப்படிப்பட்ட சூழ்நிலையில் பின்சிதறல்கள் (backscattering) தான் மின்தடைமம் விளைவிக்க வல்லன. பின்சிதறல்களுக்கு வலிமையான மோதல்கள் தேவைப்படுவதால், உண்டாகும் வாய்ப்பு குறைவு. எலெக்ட்ரான்கள் சிதற வாய்ப்புகள் குறைவாக இருப்பதால், தடைகளைச் சந்திக்கும் முன் நெடுந்தொலைவு செல்கின்றன.

நனோக்குழாய்களின் குறைந்த தடைமத்துக்கு காரணி மிகவும் குறைந்த சிதறும் வாய்ப்புகள் இருப்பது தான். உயர்-தர நானோக்குழாய்களில் மின் போக்குவரத்து ‘உந்துவிசை குன்றாத ‘ (Ballistic-பி.கு.1) இயல்புடையது. அதாவது, எலெக்ட்ரான்கள் ஒரு சில மைக்ரோ மீட்டர்கள் மோதல்களின்றி செல்ல முடிகிறது. மிகவும் திறமையான கடத்தியாக விளங்கும் செம்பை ஒப்புநோக்கினால், செம்பில் 40 நானோ.மீ. தான் சிதறாமல் எலெக்ட் ரான்கள் செல்லமுடிகிறது. குறைகடத்தும் நானோக்குழாய்களில் கூட ‘உந்துவிசை குன்றாதா ‘ தடங்களாக ஒரு சில நூறு நானோ மீட்டகள் விளங்குகின்றதால், நானோக்குழாய்கள் அடிப்படையில் புலன்விளைவு டிரான்சிஸ்டர்கள் உருவாக்க முடியும்.

வேகமாகச் செயலாற்றும் சிலிக்கான் சுற்றுகளில் அழியும் மின்திறன் (Power Dissipation) பிரச்சனைக்கு ஒரு தீர்வு தேடும் அறிவியலாளர் கவனத்தை நானோக்குழாய்களின் குறை-தடைமப் பண்பு பெரிதும் ஈர்த்துள்ளது.

எதிர்கொள்ளும் தடைகற்கள்

நானோக்குழாய்களின் பண்புகள் பல தொழில்நுட்ப சிக்கல்களைக் களையவல்லாத இருக்கிறது என்ற நம்பிக்கையை அறிவியலாளர்களுக்கு ஊட்டினாலும், ஒரு அடிப்படை மின்னணுவியல் தொழில்நுட்பமாக பரிணாமிக்க சில தடைக்கற்களை தாண்ட வேண்டியுள்ளது. முதலில், நானோக்குழாய்களை ஒருபடித்தான பெருளாகச் செய்யும் அணுகுமுறையை நிறுவப்பட வேண்டும். உலோக மற்றும் குறைகடத்தும் (semiconducting) குழாய்களின் கலவையாகவும், பலவேறு விட்டங்களும், பலதரப்பட்ட முறுக்குகளும் தங்கள் கட்டமைவில் கொண்டதாக தற்போதைய நுட்பத்தில் தயாரிக்கப்படும் குழாய்கள் விளங்குகின்றன. நானோக்குழாய்களைக் கொண்டு தொகுப்புச் சுற்றுகளை செய்யவதற்கு நாம் உருவாக்கும் குழாய்களின் இயல்பை முழுமையாகக் கட்டுப்படுத்தும் வல்லமை வேண்டும்.

அண்மை காலத்தில், குறிப்பிட்ட விட்டம் மற்றும் முறுக்குகளுடைய நானோக்குழாய்களை செயற்கைபொருளாக்க முறையில் உருவாக்கும் முறைவழியில் (process) சிறந்த முன்னேற்றம் கண்டுள்ளனர். சரியான வினையூக்கிகள் (catalyst) , ஆரம்பப் பொருள்கள் மற்றும் எதிர்வினை நிலைகளை தெரிவுசெய்வதன் மூலம், ஒரே விட்டமுடைய சிறிய எண்ணிக்கையில் நானோக்குழாய்கள் செய்துள்ளனர். அதே நேரத்தில், தயாரித்த பிறகு, பலவகைப்பட்ட நானோக்குழாய்ளை பிரித்தெடுக்கும் வேதியியல் மற்றும் இயற்பியல் நுட்பங்களை ஆய்வாளர்கள் கண்டு வருகின்றனர்.

அடுத்த தலைமுறை நானோக்குழாய் தொகுப்புச் சுற்றுகளின் கட்டுமானத்தில் மைய பங்கு வகிக்கும் கார்பன் குழாய்க் கருவிகளை CMOS-வகை சுற்றுக்களோடு இணைப்பது அடுத்த கட்ட முயற்சியாக இருக்கும். இந்த முயற்சியில் பல தரப்பட்ட நுட்பங்கள் பயன்படுத்தப்படும். சிலிக்கான் சில்களின் கட்டமைவை வரையறுக்கும் தோரணி வார்ப்படத்தை ஆக்கும் கல்லச்சுக்கலை (Lithography) பயன்படுத்தப்படலாம். டிரான்சிஸ்டர்களை கட்ட, ஆய்வாளர்கள் குழாய்கள் சரியான அமைவடிவத்தில் தாங்களே ஒன்றிணைத்துக்கொள்ளும் வழிமுறைகளை ஆய்ந்துவருகின்றனர். இந்த சுய-ஒன்றிணைக்கும் (self-assembly) நுட்பங்களின் வளர்ச்சி ஆரம்பக் கட்டத்தில் இருக்கிறது.

முடிவுரை

சிலிக்கான் CMOS (பி.கு.2) டிரான்சிஸ்டர்கள் தொடர்ந்து சுருங்கிக்கொண்டே போகும் நிலையில், அதிகரிக்கும் மின்திறன் அழிவு, மின்கசிவு, மற்றும் டிரான்சிஸ்டர் அளபுருக்களின் வேறுபாடுகளால் எதிர்கொள்ளும் சிக்கல்கள் தொடர்ச்சியாக வளர்ந்து கொண்டு போகும். இந்நிலையில், கார்பன் நானோக்குழாய் மின்னணுவியல் நுட்பம் வளர்ந்து, சிலிக்கான் CMOS எதிர்கொள்ளும் பிரச்சனைகளைக் களையும் தீர்வாக அமையும் என்று நம்பப்படுகிறது.

பின்குறிப்பு

1.Ballistic Transport: உந்துவிசை குன்றா போக்குவரத்து: ஒரு ஊடகத்தில் உள்ள அணுக்கள், மூலக்கூறுகள் மற்றும் மாசுப்பொருள்கள் மின்னணுக்களுக்கு சிதறல் விளைவை ஏற்படுத்துகின்றன. இச்சிதறல்கள் உண்டாக்கும் மின் தடைமத் திறன் மிகவும் குறைவாக இருக்கும் ஊடகத்தில், மின்னணுக்களின் உந்துவிசை மழுங்காமல் போக்குவரத்து நடைபெறுகிறது. இதை பாலிஸ்டிக் போக்குவரத்து என்று இயற்பியலாளர்கள் அழைக்கின்றனர்.

பாலிஸ்டிக் தடம்: Ballistic Channel Ballistic உந்துவிசை குன்றா; உந்துவிசை மழுங்கா

ஒரு குறிப்பிட்ட ஊடகத்தில் நகரும் மின்னணுவோடு ஒரு சராசரி கட்டில்லா பாதையை தொடர்புறுத்தலாம். இரு மோதல்களுக்கிடையில் மின்னணு நகரும் சராசரி தொலைவு தான் சராசரி கட்டில்லா பாதை (mean free path). கட்டில்லா பாதையை அதிகரிக்க மாசுப்பொருளை குறைக்கலாம்; வெப்பநிலை குறையும் போதும் சராசரி கட்டில்லா பாதை அதிகரிக்கிறது.

2. CMOS

Complementary Metal Oxide Semiconductor என்பதன் குறுக்கம். கணினி சில்களில் உள்ள டிரான்சிஸ்டரின் தொழில்நுட்பப் பெயர்.

செய்தித் துணுக்குகள்

IBM நிறுவனத்தின் சாதனை

1991 ஆம் ஆண்டு NEC ஆய்வாளர்களால் கண்டறியப்பட்ட குழாய்களை நுண்சிறு மின்னணுக் கருவிகளில் பயன்படுத்தக் கூடிய வாய்ப்பு அதிகரித்துள்ளது. நானோக்குழாய்களை மின்னணுக் கருவிகளில் அமைக்க IBM ஆய்வாளர்கள் அணுவிசை நுண்னோக்கியைப் (Atomic Force Microscope) பயன்படுத்தியுள்ளனர். நானோக்குழாய்களின் இடநிலை, வடிவம் மற்றும் திசைநிலையை மாற்ற, நுண்னோக்கியின் நுணியிலிருந்து துல்லியமாக அளக்கப்பட்ட விசையை அணுக்கள் மற்றும் மூலக்கூறுகளின் மீது செலுத்தும் முறையை நிலைநாட்டியுள்ளனர்.

நானோ தொழிநுட்ப முன்னிலை வல்லுனர் டாக்டர். மெய்யா மெய்யப்பன் தலைமையில் ஆய்வு

NASA நிறுவனத்தின் நானோ தொழில்நுட்ப மையத்தின் தலைவராக விளங்குபவர் டாக்டர். மெய்யா மெய்யப்பன். தமிழகத்தில் காரைக்குடியில் பிறந்து, 1979 ஆம் ஆண்டு கிளார்க்சன் பலகலைக்கழகத்தில் முனைவர் படிப்புக்காக அமெரிக்கா வந்த திரு. மெய்யப்பரின் சாதனைகளை மிகவும் பெருமிதத்துடன் பல ஊடகங்கள் பாராட்டியுள்ளன. அவருடைய இணையத் தளத்திலிருந்து சில முத்துகளை திண்ணை வாசகர்களோடு பகிர்ந்து கொள்வதில் நானும் பெருமிதம் கொள்கிறேன்.

கார்பன் நானோக்குழாய்கள் பற்றி பெரிய அளவில் மின்னணுவியல் களத்தில் பேசப்பட்டாலும் பிற பொருள்களில் இருந்தும் நானோ குழாய்களை உருவாக்கலாம் என்று டாக்டர். மெய்யப்பன் சொல்கிறார். பல களங்களில், பலவேறுபட்ட பயன்பாடுகளைப் பற்றியும் பேசுகிறார்.

பிற நானோ குழாய்கள், பிற களங்கள்

நானோ தொழில்நுட்பத்தை மின்னணுவியல் மற்றும் கணினி களத்தில் மட்டும் அல்லாமல் உணர்வான்கள் மற்றும் பகுப்பான்கள் செய்ய பயன்படுத்தலாம். மரபணு வரிசைப்படுத்தும் (Gene Sequencing) பணியிலும் இந்த நுட்பம் பயன்படுத்தப்படுகிறது. நானோ தொழில்நுட்பப் பொருள்களில் கார்பன் நானோ குழாய்களில் கவனத்துக்கு முதலில் வந்துள்ளது. உணர்வான்கள் மற்றும் பகுப்பான்கள் உற்பத்தி செய்ய துத்தநாக ஆக்சைடு (Zinc Oxide) மற்றும் காலியம் நைடிரைடு (Gallium Nitride) நானோ கம்பிகளை பயன்படுத்தும் ஆய்வில் டாக்டர். மெய்யப்பன் தலைமையில் ஐம்பதுக்கும் மேற்பட்ட அறிவியலாளர்கள் இறங்கியுள்ளனர். மூன்றாவதாக, புரத அடிப்படையிலான உயிரியல் நானோ குழாய்களை கல்லச்சுக்கலை (lithography) வடிகத் தகடுகளாக பயன்படுத்தி வருகின்றனர். நான்காவது வகையாக, கரிமப் பொருள் மூலக்கூறுகளாலான நானோ குழாய்களை, கடத்தும் தடமாக மின்னணுக் கருவிகளில் பயன்படுத்தும் முயற்சியிலும் ஈடுபட்டு வருகின்றனர்.

நானோ குழாய்களின் தனித்தன்மை பற்றி டாக்டர். மெய்யப்பன்.

கார்பன் நானோ குழாய்கள் தனித்தமை வாய்ந்தன. அசாதாரணமான எந்திரவியல் பண்புகள் உடைய கார்பன் நானோ குழாய்களை இரும்புடன் ஒப்பிட்டால், வலிமையிலிருந்து-எடையின் விகிதம் 500 மடங்கு அதிகம். அதே நேரத்தில் கணினி சில்களைச் செய்யவும் நானோ குழாய்களைப் பயன்படுத்தலாம். அற்புத எந்திரவியல் பண்புகள் கொண்ட கார்பன் நானோ குழாய்கள், வினோதமான மின்னியல் பண்புகளும் கொண்டுள்ளன. நானோ குழாய்களை வளர்க்கப்படும் பதனப்பாட்டிற்கும், விட்டத்திற்கும் ஏற்ப, உலோகமாகவோ குறைகடத்தியாகவோ ஆக்கலாம்.

இன்று நாம் கணினி சில்கள் உருவாக்கப் பயன்படுத்தும் பொருள்கள் வானூர்தி கட்டுவதற்கு பயன்படுத்த முடியாது. ஆனால், நுணுக்கமான உணர்வான்கள் மற்றும் கணினி சில் முதல், பெரும் விண்வெளிப் படகுகள் போன்ற பேரியந்தர தொழிற்சாலைகளில் வரை, நானோ குழாய்களைப் பயன்படுத்தும் வாய்ப்பு உள்ளது. இந்தத் தனித்தன்மையே மக்களிடையே நானோக்குழாய்கள் பால் பேரார்வத்தை தூண்டியுள்ளது.

மூலங்கள்

1. P. Avouris, ‘Supertubes ‘, August 2004, IEEE Spectrum, page 41-45.

2. http://researchweb.watson.ibm.com/nanoscience/nanotubes.html.

3. http://en.wikipedia.org/wiki/Carbon_nanotube.

4. P. Avouris,P.G. Collins and M.S. Arnold, Science, Vol. 292, Issue 5517, April 27, 2001.

5. http://www.nasatech.com/NEWS/Oct02/who_1002.htm

6. http://www.research.ibm.com/pics/nanotech/.

7. Who ‘s Who at NASA. Dr. Meyya Meyyappan.htm. NASA Technical Brief.

8.http://www.clarkson.edu/depts/alumni/clarkson_stuff/magazine/fall_03/nanotechnology.html.

9. NRI takes nanotech to new heights. http://www.indianinternationalweb.com/News/News3.htm

—-

kathirk@earthlink.net

Series Navigation