Что такое нанотехнология?

Нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра.

Приведенные здесь в качестве эпиграфа строки взяты из фантастического произведения и пока не могут претендовать на серьезное отношение со стороны простого человека. Но для современного специалиста по нанотехнологиям, лемовские фантазии уже не утопия, а повседневная работа.

Для понятия нанотехнология, пожалуй, не существует исчерпывающего определения, но по аналогии с существующими ныне микротехнологиями следует, что нанотехнологии — это технологии, оперирующие величинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина, в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоставимая с размерами атомов. Поэтому переход от «микро» к «нано» — это уже не количественный, а качественный переход — скачок от манипуляции веществом к манипуляции отдельными атомами.

Когда речь идет о развитии нанотехнологий, имеются в виду три направления:

изготовление электронных схем (в том числе и объемных) с активными элементами, размерами сравнимыми с размерами молекул и атомов;

разработка и изготовление наномашин, т.е. механизмов и роботов размером с молекулу;

непосредственная манипуляция атомами и молекулами и сборка из них всего существующего.

Реализация всех этих направлений уже началась. Почти десять лет назад были получены первые результаты по перемещению единичных атомов и сборки из них определенных конструкций, разработаны и изготовлены первые наноэлектронные элементы. По оценкам специалистов, уже на рубеже следующего века начнется производство наноэлектронных чипов, например, микросхем памяти емкостью в десятки гигабайт.

ВОЗМОЖНОСТИ НАНОТЕХНОЛОГИИ

Нанотехнологический контроль изделий и материалов, буквально на уровне атомов, в некоторых областях промышленности стал обыденными делом. Реальный пример — DVD-диски, производство которых было бы невозможно без нанотехнологического контроля матриц.

Существующие способы осаждения примесей в полупроводниках (эпитаксии) по литографическим шаблонам уже практически приблизились к своему пределу не только в смысле размеров, но и топологически. Дело в том, что нынешние технологии фотолитографии позволяют изготовлять только планарные структуры — когда все элементы и проводники расположены в одной плоскости. А это накладывает существенные ограничения схемотехнику: наиболее прогрессивные схемные решения не могут быть осуществлены по такой технологии.

В частности, таким образом невозможно воспроизвести нейронные схемы, на которые возлагаются большие надежды. В то же время, сейчас активно развиваются нанотехнологические методы, позволяющие создавать активные элементы (транзисторы, диоды) размером с молекулу и формировать из них многослойные трехмерные схемы. По видимому, именно микроэлектроника будет первой отраслью, где «атомная сборка» будет осуществлена в промышленных масштабах.

Хотя сейчас в нашем распоряжении и имеются средства для манипуляций отдельными атомами, вряд ли их можно «напрямую» применять для того, чтобы собрать что-либо практически необходимое: уже хотя бы только из-за количества атомов, которые придется «монтировать».

Однако возможностей существующих технологий уже достаточно, чтобы соорудить из нескольких молекул некие простейшие механизмы, которые, руководствуясь управляющими сигналами извне (акустическими, электромагнитными и пр.), смогут манипулировать другими молекулами и создавать себе подобные устройства или более сложные механизмы.

Те, в свою очередь, смогут изготовить еще более сложные устройства и т.д. в конце концов этот экспоненциальный процесс приведет к созданию молекулярных роботов — механизмов, сравнимых по размерам с крупной молекулой и обладающих собственным встроенным компьютером.

Перспективы

За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека

МЕДИЦИНА

Создание молекулярных роботов-врачей, которые «жили» бы внутри человеческого организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращали бы возникновение таковых, включая повреждения генетические. Прогнозируемый срок реализации — первая половина XXI века.

ГЕРОНТОЛОГИЯ

Достижение личного бессмертия людей за счет внедрения в организм молекулярных роботов, предотвращающих старение клеток, а также перестройки и «облагораживания» тканей человеческого организма. Оживление и излечение тех безнадежно больных людей, которые были заморожены в настоящее время методами крионики. Прогнозируемый срок реализации: третья — четвертая четверти XXI века.

ПРОМЫШЛЕННОСТЬ

Замена традиционных методов производства сборкой молекулярными роботами предметов потребления непосредственно из атомов и молекул. Вплоть до персональных синтезаторов и копирующих устройств, позволяющих изготовить любой предмет. Первые практические результаты могут быть получены в начале XXI века.

СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО

Замена «естественных машин» для производства пищи (растений и животных) их искусственными аналогами — комплексами из молекулярных роботов. Они будут воспроизводить те же химические процессы, что происходят в живом организме, однако более коротким и эффективным путем. Например, из цепочки «почва — углекислый газ — фотосинтез — трава — корова — молоко» будут удалены все лишние звенья.Останется «почва — углекислый газ — молоко (творог, масло, мясо — все, что угодно)». Стоит ли говорить о том, что подобное «сельское хозяйство» не будет зависеть от погодных условий и не будет нуждаться в тяжелом физическом труде. А производительности его хватит, чтобы решить продовольственную проблему раз и навсегда. По разным оценкам, первые такие комплексы будут созданы во второй — четвертой четвертях XXI века.

БИОЛОГИЯ

Станет возможным «внедрение» в живой организм на уровне атомов. Последствия могут быть самыми различными — от «восстановления» вымерших видов до создания новых типов живых существ, биороботов. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

ЭКОЛОГИЯ

Полное устранение вредного влияния деятельности человека на окружающую среду. Во-первых, за счет насыщения экосферы молекулярными роботами-санитарами, превращающими отходы деятельности человека в исходное сырье, а во-вторых, за счет перевода промышленности и сельского хозяйства на безотходные нанотехнологические методы. Прогнозируемый срок реализации: середина XXI века.

ОСВОЕНИЕ КОСМОСА

По-видимому, освоению космоса «обычным» порядком будет предшествовать освоение его нанороботами. Огромная армия роботов-молекул будет выпущена в околоземное космическое пространство и подготовит его для заселения человеком — сделает пригодными для обитания Луну, астероиды, ближайшие планеты, соорудит из «подручных материалов» (метеоритов, комет) космические станции. Это будет намного дешевле и безопаснее существующих ныне методов.

КИБЕРНЕТИКА

Произойдет переход от ныне существующих планарных структур к объемным микросхемам, размеры активных элементов уменьшаться до размеров молекул. Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых величин. Получат распространение схемные решения на нейроноподобных элементах. Появится быстродействующая долговременная память на белковых молекулах, емкость которой будет измеряться терабайтами. Станет возможным «переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Прогнозируемый срок реализации: первая — вторая четверть XXI века.

РАЗУМНАЯ СРЕДА ОБИТАНИЯ

За счет внедрения логических наноэлементов во все атрибуты окружающей среды она станет «разумной» и исключительно комфортной для человека. Прогнозируемый срок реализации: после XXI века.

Элементы информационных систем

Это позволяет уменьшить размеры одного транзистора приблизительно до 10 нм, а рабочие частоты увеличить до порядка 1012 Гц.

ВВЕДЕНИЕ

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 возможности запоминать и передавать 1 бит информации с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Это позволяет уменьшить размеры одного транзистора приблизительно до 10 нм, а рабочие частоты увеличить до порядка 1012 Гц.

КВАНТОВЫЕ ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ

При переходе к наномасштабам, на первый план выходят квантовые свойства рассматриваемых объектов. С позиций квантовой механики электрон может быть представлен волной, описываемой соответствующей волновой функцией. Распространение этой волны в наноразмерных твердотельных структурах контролируется эффектами квантового ограничения, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры.

Специфическим проявлением квантового ограниче-ния является одноэлектронное туннелирование в условиях кулоновский блокады. Рассмотрим иллюстрируемый на следующем рисунке пример прохождения электроном структуры металл-диэлектрик-металл.

Первоначально граница раздела между диэлектриком и металлом 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 акта туннелирования система воз-вращается в первоначальное состояние. При сохранении внешнего приложенного напряжения все повторяется вновь. Так перенос заряда в структуре осуществляется порциями, равными заряду одного электрона.

НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Одними из первых, появились элементы на резонансном туннелировании, представляющие собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которых потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом.

Туннельный транзистор, состоит из двух последовательно включенных туннельных переходов. Туннелирование индивидуальных электронов контролируется ку-лоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора в его середине между двумя прослойками твердого диэлектрика. Если представить один бит как наличие или отсутствие одного электрона, то схема памяти емкостью 100 Гб разместится на кристалле, площадью всего 6 см2.

В 1993 г. было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. На этой основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ. Размер такой структуры ~ 10 нм, а рабочая частота ~ 10 12 Гц.

Квантовые точки

ОБЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Полупроводниковые квантовые точки представляют собой размерами порядка нанометра, гигантские молекулы, состоящие из 103 — 105 атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe и т.д. они больше обычных для химии традиционных молекулярных скоплений (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов), но меньше структур порядка нанометра по размерам, которые производятся современными литографическими средствами электронной промышленностью.

Аналогия с атомной физикой (но со сжатием энергетического масштаба в 10000 раз!) позволяет изучать «атомоподобную физику» используя магнитные поля, доступные в лабораторных условиях.

КВАНТОВЫЕ ТОЧКИ МОГУТ БЫТЬ ПОЛУЧЕНЫ ПОСРЕДСТВОМ

  • колоидальных химических средств
  • управляемым затвердеванием в процессе эпитаксического роста
  • флуктуаций размера в условных квантовых колодцах
  • нанопроизводство

КОЛЛОИДАЛЬНЫЕ ТОЧКИ

Коллоидальные точки являются свободными, т.е. они не погребены внутри другого полупроводника. Таким образом, они свободны от натяжения. Они закрыты органическими молекулами, используемыми для предотвращения свертывания маленьких точек в процессе их роста. Размер этих молекул можно контролировать в процессе роста и их форма приближается к сферической. Коллоидальные технологии были развиты достаточно глубоко в основном для ионных систем II — IV (CdS, CdSe) и недавно для полупроводников III — V групп (InP, GaP, InAs). В связи с совершенной универсальностью размеров, можно проводить спектроскопические исследования высокого разрешения. Последние выявили новые физические эффекты, включая значительное расширение взаимодействия электронно-дырочного обмена применительно к соответствующим массивным твердым телам, передача заряда в возбужденном состоянии, необычное поведение (в отношении масс) под давлением (например, задержанные фазовые переходы), и определение до 10 возбужденных состояний электронно-дырочных переходов. Теперь стала возможной замена органической протравленную оболочку вокруг этих точек неорганическими полупроводниками — например: CdSe (ZnS) — таким образом производя структуры «ядро — оболочка». Были созданы массивы каллоидальных точек. Более того входные структуры запрещающие загрузку каллоидальных квантовых точек носителями недавно стали возможны для точек размерами 6нм.

УПРАВЛЯЕМЫЕ ЗАТВЕРДЕВАНИЯ

Управляемое затвердевание пленки материала А выращенного на субстрате созданном из материала В производит острова А, т. к . разница между атомными размерами А и В достаточно велика. Примеры А/В пар включают InAs|GaAs и InP|GaInP. Если остановить металлоорганическое химическое выпаривание или молекулярно-лучевой эпитоксический рост сразу перед объединением островов, можно получить удивительно универсальный набор точек материала А.

Формы этих точек сильно разнятся. Они появляются в виде пирамид, но накрапление изменяет форму и состав. Обычно может получиться только маленькое число размеров. Спектроскопические и транспортные изменения этих точек раскрыли мультиэкситонные переходы (несколько электронов и несколько дырок распадаются вместе). Также были обнаружены эффекты Кулоновской блокады, где загрузка точки электронами вызывает Кулоновское отталкивание электронов от других электронов так электронное сложение требует повышенного входного напряжения. Вертикальное выравнивание самособирающихся точек в настоящее время обещает заманчивые перспективы для создания сетки точек и приложения устройств.

ФЛУКТУАЦИИ РАЗМЕРОВ В КВАНТОВЫХ ЯМАХ

Флуктуации размеров в квантовых ямах нарушает периодичность в двух расширенных направлениях, таким образом вызывая образование точки. Управление формой и размером достаточно сложно, но качество восприимчивости такое хорошее, что можно наблюдать чрезвычайно точные спектроскопические черты. Фактически многие из недавних достижений одноточечной спектроскопии и наноядерного магнитного резонанса или нанофотолюменесценции были сфокусированы на этом типе точек.

НАНОПРОИЗВОДСТВО

Нанопроизводство квантовых точек идеально для изучения транспортных свойств таких как наблюдение перехода электронов поодиночке в точки. Это раскрывает красивую последовательность переходов перекомпановывая атомную физику в ее правиле отбора, но на энергетическом масштабе миллиэлектронвольт (вместо приблизительно 10эВ). Аналогия с атомной физикой (но со сжатием энергетического масштаба в 10000 раз!) позволяет изучать «атомоподобную физику» используя магнитные поля, доступные в лабораторных условиях.

Квантовые точки позволяют изучать обычные квантовые структуры, о которых можно прочесть в учебнике, в лабораторных условиях (например, «частица в ящике») на максимальном пределе нулевого измерения (т.е. никакой периодичности), и изучать необычное поведение, на чем могут быть основаны новые концепции различных устройств. В числе последних, высокоэкономичный квантовый лазер, диоды излучающие свет, ячейки солнечных батарей и одноэлектронные транзисторы. Таким образом эта область интересна теоретикам квантовой физики, экспериментаторам в области электроскопии, передачи информации и, вероятно, специалистам в области оптоэлектроники. Фактически, сегодня сложно найти конференцию по физике, химии или материаловедения одним из ключевых вопросов которых не являлся бы вопрос о квантовых точках.