Опрос

Какие рубрики вам наиболее интересны?

View Results

Loading ... Loading ...

Наши партнеры

  • .

Последние комментарии

Наука и техника стремятся в наномир.

Опубликовал Сергей 3 марта 2012 в рубрике Наука.

наноэлектроникаЧУДЕСА, ЧТО НАМ ОБЕЩАЮТ. У истоков нанотехнологий, как сегодня считают, стоял американский физик Ричард Фейнман. Его знаменитая лекция, известная под названием «Там, внизу, еще много места», стала стартовой площадкой в нанокосмос. Тогда, в 1959 г., он назначил приз в $ 1000 тому, кто впервые запишет страницу из книги на булавочной головке (что, кстати, осуществилось уже 6 лет спустя; сегодня, по словам ученых, на поверхности одной булавочной головки уместится уже 10 тыс. книг!).

Понятие «нанотехника» ввел в 1974 г. японец Норио Танигучи, а первые средства для нанотехники изобретены в швейцарских лабораториях фирмы IBM. Вслед за ними появились приборы для работы в наномире: в 1982 г. был сконструирован растровый туннельный микроскоп (его создатели Герд Бинниг и Генрих Рорер через четыре года получили Нобелевскую премию), а в 1986 г. - атомный силовой микроскоп.

Со времени изобретения полупроводникового транзистора (1947 г., У. Браттейн, Дж. Бардин, У. Шокли), а затем интегральных микросхем на кремнии (1958 - 1959) электроника развивается по пути уменьшения размеров приборных структур. По прогнозам, современные кремниевые чипы могут при всевозможных технических ухищрениях уменьшаться еще в течение 8-10 лет. Однако при ширине дорожки в 40 - 50 нм начнут действовать квантовомеханические помехи: электроны пробьют разделительные слои в транзисторах, что равнозначно короткому замыканию. Выходом могли бы послужить наночипы, в которых, вместо кремния, используются различные углеродные соединения размером в несколько нанометров.

Есть уже лабораторные образцы первых молекулярных электронных деталей. Голландские физики из г. Дельфта смогли превратить такие трубочки в необходимый для транзисторов контакт «металл - полупроводник». Углеродные нанотрубки диаметром в 1 нм, открытые в 1991 г. в Японии, могут быть и тем, и другим. При надломе такой трубки посередине одна половинка получается с металлическими свойствами, а другая - со свойствами полупроводника. Но до промышленного производства таких транзисторов еще далеко.

Эксперименты ведутся также и с фуллеренами, открытыми в 1985 г., - молекулами углерода С60 в форме футбольного мяча. Исследовательская группа из Калифорнийского университета Беркли смогла превратить такой «мячик» в одно-электронный транзистор. Известен целый ряд органических молекулярных групп, которые могут функционировать как выпрямитель, проводящая шина или запоминающее устройство (ЗУ). Для хранения одного бита информации теоретически нужна всего одна молекула. Изготовленный таким образом накопитель на жестком диске мог бы во много раз превзойти по емкости сегодняшние аналоги.

Нано-ЗУ, работающее на механическом принципе, изобрели ученые из IBM под руководством Герда Биннига. Так называемый миллипед представляет собой растр из 1024 рычажков силового микроскопа. Если нужно записать «1», их кончики продавливают отверстие в мягком слое полимера. Для считывания битов миллипед проверяет поверхность на наличие дырочек. Если рычажок попадает в отверстие, его температура, а вместе с тем и сопротивление, изменяются, а его уже можно измерить. Таким способом можно получить плотность записи до 80 Гб/см2 (в 10 раз больше по сравнению с максимально достижимой сегодня). В IBM обещают изготовить миллипед с 4000 зондов, который можно будет применять в новом поколении портативной техники. По мнению Биннига, легко можно представить себе плату с миллионом зондов.

КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ

Наноэлектроника - новая область науки и техники, основанная на физико-химических особенностях формирования наноразмерных структур (структур с размером от единиц до десятков нанометров, 1 нм = 0,001 мкм = 10-9 м.),их электронных и оптических свойствах. Исследования в этой области важны для разработки нового поколения сверхминиатюрных супер быстродействующих систем обработки информации.

В современных интегральных микросхемах размеры твердотельных структур составляют единицы и десятые доли микрона. По мере их приближения к нанометровой области, а это образования из единиц и десятков атомов, все больше проявляются квантовые свойства электрона. С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой - открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем. Как можно управлять переносом электронов для кодирования информации в таких элементах?

С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, распространение которой в наноструктурах контролируется эффектами, связанными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Молекулярное домино

Молекулярное домино. С помощью столкновения молекул СО и меди можно решать арифметические задачи. Исследователи из лаборатории IT-концерна IBM занимаются цепными реакциями, распространяющимися по принципу домино. Они могут выполнять логические операции, на которых базируются вычислительные процессы в компьютерах

Квантовое ограничение. Волна, соответствующая свободному электрону в твердом теле, может беспрепятственно распространяться в любом направлении. Ситуация кардинально меняется, когда электрон попадает в твердотельную структуру, размер которой, по крайней мере в одном направлении, ограничен и по своей величине сравним с длиной электронной волны.

Классическим аналогом такой структуры является струна с жестко закрепленными концами. Колебания струны могут происходить только в режиме стоячих волн. Аналогичные закономерности поведения характерны и для свободного электрона, находящегося в твердотельной структуре ограниченного размера или области твердого тела, ограниченной непроницаемыми потенциальными барьерами. В этом случае возникает «квантовый шнур», где возможно распространение только волн с длиной, кратной геометрическим размерам структуры. Для электронов это означает, что они могут иметь только определенные фиксированные значения энергии, то есть имеет место дополнительное квантование энергетических уровней. Это явление получило название квантового ограничения. Вдоль же «шнура» могут двигаться электроны с любой энергией. Квантовое ограничение приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур отличаются от известных объемных свойств материала, из которого они сделаны.

Интерференционные эффекты. Взаимодействие электронных волн в наноструктурах как между собой, так и с неоднородностями в них, может сопровождаться интерференцией, аналогичной той, которая наблюдается для световых волн. Кроме того, электронами, благодаря наличию у них заряда, можно управлять с помощью локального электростатического или электромагнитного поля и таким образом влиять на распространение электронных волн.

Туннелирование. Уникальное свойство квантовых частиц, в том числе и электронов - способность проникать через преграду даже в случаях, когда их энергия ниже потенциального барьера, соответствующего данной преграде. Вероятность туннелирования рассчитывается из уравнения Шредингера. Она тем выше, чем тоньше барьер и меньше разница между энергией падающего электрона и высотой барьера. Квантовое ограничение, проявляясь в наноразмерных структурах, накладывает специфический отпечаток и на туннелирование. Так, квантование энергетических состояний электронов в очень тонких, периодически расположенных потенциальных ямах приводит к тому, что туннелирование через них приобретает резонансный характер, т.е. просочиться через такую структуру могут лишь электроны с определенной энергией.

Другое специфическое проявление квантового ограничения - одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновской блокады. Его можно рассмотреть на примере прохождения электроном структуры «металл - диэлектрик - металл». В качестве наглядной иллюстрации этого явления можно представить каплю, отрывающуюся от края трубки.

Первоначально граница раздела между металлом и диэлектриком электрически нейтральна. При приложении к металлическим областям потенциала на этой границе начинает накапливаться заряд. Это продолжается до тех пор, пока его величина не окажется достаточной для отрыва и туннелирования через диэлектрик одного электрона. После этого система возвращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Таким образом, перенос заряда в такой структуре происходит порциями, равными заряду одного электрона. Процесс же накопления заряда и отрыва электрона от границы металла с диэлектриком определяется балансом сил кулоновского взаимодействия этого электрона с другими подвижными и неподвижными зарядами в металле.

Эти квантовые явления используются в уже разработанных наноэлектронных элементах для информационных систем. Но ими не исчерпываются все возможности приборного применения квантового поведения электрона.

НАНОЭЛЕМЕНТЫ

В транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. Это достигается в полупроводниковых структурах с размерами, уменьшенными до 10 нм и ниже. Одними из первых появились элементы на резонансном туннелировании. Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 г. японским исследователем Л. Исаки и детально исследовалось им до 1974 г. Однако всестороннее теоретическое обоснование и экспериментальные транзисторы на резонансном туннелировании появились лишь в начале 90-х гг. Транзистор на резонансном туннелировании представляет собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом. Эти транзисторы имеют частоты переключения порядка 1012 Гц, что в 100 - 1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из современных интегральных микросхем. Есть предложения по созданию на таких транзисторах ячеек статической памяти и других элементов для вычислительных систем.

Кольцы кремния и германия

Только 5 нм в диаметре — таков размер кольца из 35 атомов кремния (желтый) и германия (красный), выращенного на кристалле учеными Центра исследований в Юлихе. Необычно то, что эти атомы не смешиваются, а кольца растут, самоорганизуясь. Похожим способом исследователи хотят привести атомы к тому, чтобы они соединялись в наноструктуры

В 1986 г. наши ученые К.К. Лихарев и Д.В. Аверин предложили и опробовали одно- электронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. В его конструкции, состоящей из двух последовательно включенных туннельных переходов, туннелирование индивидуальных электронов контролируется кулоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной в его середине между двумя прослойками тонкого диэлектрика. Количество электронов в этой области прибора должно быть не более 10, а желательно и меньше. Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм. В цифровых интегральных схемах на одноэлектронных транзисторах один бит информации, то есть два возможных состояния «0» и «1», может быть представлен как присутствие или отсутствие индивидуального электрона. Тогда однокристальная схема памяти емкостью 10,г бит, что в 1000 раз больше, чем у современных сверхбольших интегральных схем, разместится на кристалле площадью всего 6.45 см2. Над практической реализацией этих перспектив сегодня активно работают специалисты ведущих американских, японских и европейских электронных фирм.

Квантовый интерференционный транзистор, предложенный в 1986 г. Ф. Солсом и др., использует эффект фазовой интерференции электронов в вакууме. Прибор состоит из полевого эмиттера, коллектора и сегментированных конденсаторов между ними. Конденсаторы контролируют траектории и фазовую интерференцию электронов в вакууме за счет электростатического потенциала на них. Рабочие частоты этого прибора оцениваются величинами 1011 - 1012 Гц.

В 1993 г. японские ученые под руководством Ю. Вада разработали новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Базовая ячейка состоит из атомного шнура, переключающего атома и переключающего электрода. Общий размер такой структуры составляет менее 10 нм, а рабочие частоты оцениваются величинами порядка 1012 Гц. Переключающий атом смещается из атомного шнура электрическим полем, приложенным к переключающему электроду. Реле переходит в выключенное состояние. Зазор 0,4 нм в атомном шнуре - достаточный, чтобы прервать продвижение по нему электронов. На подобной основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ, ячейка динамической памяти. Предполагается, что они позволят создать суперкомпьютер с оперативной памятью 109 байт на площади 200 мкм2.

НАНОНАДЕЖДЫ

Если мы хотим добиться с помощью крошечных систем не просто наноэффекта, а чего-то большего, нужно связать их в крупные конгломераты. Чтобы создать функционирующий квантовый точечный лазер, необходимо практически одновременно произвести до 200 млрд. наноструктур на квадратный сантиметр. Чтобы сложить с помощью силового микроскопа пирамиду размером в один нанометр из атомов полупроводника, в которые включен один электрон, не хватит человеческой жизни. В природе это достигается путем самоорганизации.

Все физические системы стремятся к термодинамическому равновесию. Организовать равновесное состояние таким образом, чтобы желаемый продукт получился естественным путем - вот в чем заключается работа наноинженера. К примеру, на какой-то поверхности при заданных физических условиях выращивают кристалл полупроводника с измененным расстоянием между отдельными атомами, который по достижении определенной толщины распадается на множество практически одинаковых островков. Так «одним ударом» получается множество квантовых точек. Опыт создания таких наноструктур и управления их ансамблями уже есть.

Химики тоже активно интересуются наноинженерией, Ведь если создавать молекулярные структуры в наномасштабах и подвергать их анализу, становится возможным появление совершенно новых материалов. Например, обычное золото при комнатной температуре не является катализатором химических реакций, а частички золота размером от 3 до 5 нм - отличный катализатор. Одна японская фирма использовала этот эффект для изготовления оригинального продукта. Ее «пожиратель запаха» с помощью наночастиц золота разлагает молекулы туалетных испарений.

Нанокатализаторы могли бы также предотвратить потери и повысить эффективность многих технологических процессов. Почти 20% сырой нефти остаются непереработанными по причине несовершенной технологии очистки. Сейчас ведутся работы по созданию специальных керамических цилиндров, пронизанных нанопорами, способных удержать только одну молекулу. Если пропустить сырую нефть через такой катализатор, то эффективность крекинга достигнет 100%.

В том, что касается новых материалов. Наноинженерия - это уже не просто мечты: тончайшие, прозрачные и электропроводящие наноматериалы, которые невозможно поцарапать и к которым не пристает грязь, а также нанопорошки, без которых не было бы чипов Athlon от AMD или Intel Pentium. При химико-механической обработке кремниевая плата, из которой потом будут вырезаны процессоры, перед каждым этапом наращивания полируется таким порошком из йодида серы.

Посредством нанотехнологий можно оптимизировать даже процесс легирования металлов. Так, еще в средние века были известны, как бы мы их сейчас назвали, супертонкие углеродистые добавки, с помощью которых удавалось заметно повышать твердость стальных клинков. Но то, что раньше было случайным продуктом, рождавшимся между молотом и наковальней, сейчас становится новым направлением целенаправленного проектирования материалов.

Конечно, инструментарий нанотехнологий немыслим без компьютеров. Расшифровка человеческого генома, как объекта наноизмерения, была, прежде всего, компьютерным достижением.

ПРОБЛЕМЫ И РЕАЛЬНЫЕ ВОЗМОЖНОСТИ.

Американцу Эрику Дрекслеру приписывают введение термина «серая слизь». В 1981 г. была опубликована его научная работа, посвященная проблемам нано-технологии, а в 1986 - появилась его книга «Машины созидания», где речь шла о самовоспроизводящихся роботах размером с молекулу, которые, например, могли уничтожать раковые клетки в человеческом организме. Что же будет, если такие нанороботы выйдут из-под контроля? В худшем случае, все живое на Земле будет разобрано на молекулы, которые затем будут бесконечно копироваться, и толстый слой серой слизи покроет Землю.

Некоторых такие «прогнозы на будущее» отпугнули настолько, что они стали призывать к прекращению исследований в области нанотехнологий. Появился даже термин «наноапокалипсис». Горячие дебаты ведутся и сейчас, но, похоже, к ним серьезнее относится пресса, а не ученые. Ведь нанотехнология порождена самой земной жизнью. И речь здесь идет не только о системе воспроизведения, зашифрованной в молекуле ДНК. Наш слух в состоянии воспринимать колебания, амплитуда которых составляет величину, равную нескольким диаметрам атома, - вот это нанотехнология!

Дрекслеровскую концепцию самовоспроизводящихся нанороботов не поддерживают многие химики. Есть сомнения, что вообще нанотехнология пойдет именно по тому пути, который ей предрекают. Быть может, куда более важные принципы, применимые только в наномире, пока еще не открыты. Ведь неизвестно, каким бы сейчас был наш мир, если бы еще лет 100 - 150 назад ученые увлеклись бы совсем другими идеями и не сделали важнейших открытий, перевернувших ход научной мысли XX в.

Сейчас в Великобритании проводится независимое изучение перспектив нанотехнологии и возникающих при этом рисков. Эксперименты показали, что наночастицы могут проникать в цепь продуктов питания. Например, они были найдены в печени подопытных животных. Как было заявлено в итоге исследования, преимущества и недостатки могут быть выявлены лишь в результате открытого обсуждения. То же касается и нанороботов, которые могут быть запущены в систему кровообращения, хотя, по прогнозам медиков, через шесть лет эти «вспомогательные силы» должны прямо в организме начать справляться с болезнями.

Частицы размером в несколько нанометров

Частицы размером в несколько нанометров, входящие в состав лака, защищают поверхность от царапин и ударов

Так искрится вода

Так искрится вода на обработанном «нанолаком» дереве

Самыми последними достижениями нанотехнологии стали, например, устойчивые к царапинам автомобильные лаки и стекла для очков. Большие надежды возлагаются и на особые виды резины, к которым примешаны наночастицы. Эти шины должны иметь профиль, не изменяющийся много лет.

Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем. Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической и даже практической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (0 и 1) с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Ожидает практического разрешения и идея аналогичных однофотонных элементов. Все пока сдерживается недостаточной изученностью вопроса, а главное, отсутствием разработанной промышленной нанотехнологии, с помощью, которой можно было бы конструировать требуемые структуры из отдельных атомов. Такие возможности существуют только в исследовательских лабораториях. Однако наука и техника уверенно стремятся в наномир.

Читайте также:

ЖИВЫЕ ВИБРОДВИГАТЕЛИ
Азбука вкуса.
Нобелевская бацилла.
Асимметрия Земли. Луны и Венеры.


Написать комментарий

RSS

rss Подпишитесь на RSS для получения обновлений.