СОВРЕМЕННЫЕ НАУКОЁМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ Материал

СОВРЕМЕННЫЕ НАУКОЁМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ
Материал подготовил доцент кафедры
физической электроники И.И. Хинич
Энциклопедический словарь определяет технологию (от греч. «techne» –
«искусство», «мастерство», «умение» + «logos»– «наука») как совокупность методов
обработки, изготовления, изменения состояния (свойств, формы) первоначального
сырья в процессе производства конечной продукции. К высоким (наукоёмким)
технологиям обычно относят самые наукоёмкие отрасли промышленности: микро- и
нанотехнологии, вычислительная техника и информационные технологии, робототехника, перспективные виды энергетики, космическая техника, биотехнологии и др.
Предлагаемый методический материал посвящен обсуждению комплекса
вопросов, касающихся нанотехнологий, – изготовлению изделий, имеющих размер
1 – 100 нм хотя бы в одном измерении (рис. 1). Если говорить о нанотехнологиях в
природе, то такой важнейший объект, как клетка, значительно больше границы
нанотехнологий, но детали, из которых она состоит, а также бактерии, вирусы – это
уже нанотехнологии в природе. Мы же говорим о технологиях человека, т. е. о
методах изготовления сверхмалых изделий, хотя в принципе это могут быть и
относительно большие элементы, но, например, очень, очень тонкие.
Рис. 1. Сопоставление объектов в различных размерных диапазонах
В первую очередь поясним неслучайность границы нанотехнологий. В этом
диапазоне проявляются свойства, которых нет в других диапазонах, такие как
туннельные токи, силы взаимодействия между атомами вещества. В качестве
примеров свойств, наблюдаемых только в нанодиапазоне, можно привести:
1) квантовый эффект Холла, где для тонких кристаллов при низких температурах,
когда электронный газ нужно считать двумерным, изменяется зависимость
Холловского сопротивления от магнитного поля – на обычную линейную
зависимость накладываются участки с неизменным сопротивлением (рис. 2), при этом
под Холловским сопротивлением понимают отношение поперечного напряжения к
продольному току; 2) в нанодиапазоне изменяется представление о трении. Не в
нанодиапазоне трение – преодоление неровностей, зависящее от силы давления и
независящее от площади; в нанодиапазоне трение зависит от расстояния и от
площади.
Рис. 2. Схема наблюдения эффекта Холла
и зависимость Холловского сопротивления от магнитного поля
Ещё пример – прочность. Механическая нагрузка или давление – это отношение
веса детали к площади основания. С уменьшением размера это отношение
уменьшается – прочность растет. Свернутый в трубочку лист бумаги труднее согнуть,
чем обычный лист. Пример возрастания прочности – использование нанотрубок
(рис. 3). Нить из нанотрубок толщиной в человеческий волос способна удерживать
грузы в сотни килограммов. Прямой путь изготовления нанотрубок – использование
графена. Графен – это отдельный углеродный слой графита (рис. 4). Однако делать
нанотрубки из графена еще не умеют. Но уже освоена технология самосборки. Она
происходит на катоде при осаждении ионов углерода (испаренных с графитового
анода) в плазме дугового разряда.
2
Рис. 3. Виды углеродных нанотрубок:
а) – однослойная прямая,
б) – двухслойная прямая,
в) – однослойная спиральная.
Длина связи – 1,41 Ǻ, диаметр – 1 нм,
длина – >30 нм
Рис. 4. Слои графена в графите
Все обсуждаемые свойства наблюдаются в нанодиапазоне. Следующий пример –
алюминий не взаимодействует с водой, в то же время наночастицы алюминия
достаточно активно взаимодействуют с водой с выделением водорода. Надо отметить
практическую важность этого примера с точки зрения разработки новых видов
получения энергии.
На проявлении на нанорасстояниях сил взаимодействия между отдельными
атомами основан один из современных способов наблюдения нанообъектов –
сканирующая атомно-силовая микроскопия (рис. 5). Об этих приборах пойдет речь в
следующем методическом материале. Здесь же важно отметить, что неслучайность
границы нанотехнологий проявляется как в изменении способов наблюдения
нанообъектов, так и в изменении самих технологий. Оптические способы наблюдений
вследствие дифракционных эффектов не работают, начиная с расстояний в десятые
доли мкм.
Рис. 5. Внешний вид измерительной головки микроскопа NanoEducator
3
Действительно, вследствие эффекта дифракции любое изображение в
микроскопе оказывается несколько размытым, при этом при относительно небольших
увеличениях это размытие практически не проявляется, однако оказывается
принципиально невозможным рассмотреть какие-либо детали размером менее, чем
несколько десятых длины волны, что соответствует порогу нанотехнологий. Поэтому
для наблюдения нанообъектов в основном используют другие, неоптические методы
исследований. Основными инструментами нанотехнологий являются два метода –
сканирующая зондовая микроскопия и сканирующая электронная микроскопия. В
качестве примера еще одного прибора нанотехнологий можно привести оптический
пинцет, в котором частица удерживается в фокусе неоднородным электрическим
полем (рис. 6).
Рис. 6. Схематическое изображение оптического пинцета – луч лазера
своим неоднородным электрическим полем
удерживает в точке фокуса шарообразную наночастицу
4
Сегодня нанотехнологии – это передний край науки и промышленности. С
использованием нанотехнологии уже производится несколько тысяч товаров.
Естественно, в первую очередь надо говорить о применениях нанотехнологии в
электронике. Здесь интересно сказать несколько слов об истории микроэлектроники.
Более 40 лет назад на заре микроэлектроники один из создателей фирмы Intel Гордон
Мур сформулировал закон, носящий его имя – за 1,5 года происходит изменение
основных параметров элементов микроэлектроники в 2 раза (объем продаж, скорость,
время переключения, размер, себестоимость на бит, энергия на бит) (рис. 7). Этот
закон олицетворяет историю электроники – от дискретных элементов к современным
микросхемам. Нанодиапазон сначала был далеко, но оказалось, что и сейчас, когда
граница уже пройдена, закон пока работает.
Рис. 7. Закон Мура
Здесь целесообразно кратко напомнить о работе биполярного (рис. 8) и полевого
транзистора.
Рис. 8. Упрощенная схема поперечного разреза биполярного n-p-n транзистора
5
На границе нанодиапазона, пройденного на границе 21 века, изменились
принципы работы приборов, в которых нельзя не учитывать туннельные токи.
Рассмотрим работу одного из современных приборов на туннельных токах (рис 9).
Рис. 9. Схема и энергетические уровни истока, острова и стока
в одноэлектронном транзисторе для закрытого (верхняя часть)
и проводящего (нижняя часть) состояний
Одноэлектронный транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. В
области между электродами располагаются два туннельных перехода, разделённых
дополнительным металлическим или полупроводниковым электродом, который
называется «островом». Остров представляет собой наночастицу или кластер
нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими
прослойками, через которые и может при определённых условиях происходить
движение электрона. Электрический потенциал острова может регулироваться
изменением напряжения на затворе, с которым остров связан ёмкостной связью. Если
приложить напряжение между истоком и стоком, то ток, вообще говоря, протекать не
будет, поскольку электроны заблокированы на истоке – на острове нет доступных для
них энергетических уровней и для электрона «горит» красный цвет. Когда к затвору
прикладывается положительный потенциал, энергетические уровни на острове
понижаются и электрон (ему «горит» зелёный свет) может туннелировать на остров, а
отсюда он может туннелировать на сток. Почему транзистор называется
6
одноэлектронным – на острове размером менее 10 нм всего несколько состояний для
электронов и они проходят его порциями по несколько штук.
Среди многих преимуществ наноэлектронных приборов (размер, вес,
потребление и скорость) отдельно обсудим скорость его работы (время
переключения), что является очень важным параметром. Скорость работы
транзистора определяется временем, за которое электрон или дырка проходят через
его активную область, т. е. решающее влияние имеет размер транзистора. Сегодня
транзисторы работают на частотах в ГГц. Однако до бесконечности при использовании существующей схемотехники частоты возрастать не могут. В разных точках
схемы сигнал в одной фазе, если размер схемы меньше, чем расстояние, на которое
сигнал распространяется за период. Пусть частота сигнала 1 ГГц, тогда это
расстояние с∙Т = 3∙108 ∙ 10-9 = 30 см. Размер процессора меньше 30 см и он может
работать и при еще больших частотах, а размер материнской платы не позволяет
работать с большими частотами.
Теперь можно перейти к собственно нанотехнологиям, которые реализуются, в
частности, с использованием инструментов нанотехнологий, в первую очередь
сканирующих зондовых и электронных микроскопов. На рис. 10 приведен пример
литографии по созданию кратерообразных дефектов с помощью сканирующего
зондового микроскопа. Один из первых широко известных приемов наносборки – в
1990 г. в фирме IBM с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ)
сложили из 35 атомов ксенона название компании на пластинке из никеля (рис. 11).
Рис. 10. Пример литографии по созданию кратерообразных дефектов
глубиной в один монослой (размер скана – 256×256 нм)
Рис. 11. Название компании IBM, сложенное из 35 атомов ксенона
на пластинке из никеля
Можно привести еще 2 примера использования нанотехнологий (рис. 12–13).
7
Рис. 12. Схема процесса локального анодного оксидирования
(размер скана – 200×200 нм) и полученное этим методом изображение герба
РГПУ им. А.И. Герцена
Рис. 13. Схема процесса статической силовой литографии (размер скана 1,6×1,6 мкм)
и динамическая силовая литография,
выполненная на учебном микроскопе NanoEducator
8
Приведем еще несколько примеров проектов нанотехнологий в химии, биологии
и медицине.
1. Выдающееся достижение химии полимеров – создание дендримеров –
наноструктур размером от 1 до 10 нм, обладающих ветвящейся структурой. Их
выращивают так, чтобы не происходило объединение молекул друг с другом.
Достоинство дендримеров в наличие полостей, которые могут быть заполнены
веществом, химически не связанным с дендримером (рис. 14). Дендример –
нанокапсула данного вещества. Их можно использовать для многих целей, в
частности для адресной доставки лекарств. В этом случае на дендример необходимо
прикрепить молекулу, способную соединиться только с нужным адресатом, а это
самое сложное.
Рис. 14. Схематическое изображение дендримера
2. Для обнаружения раковой опухоли в кровь можно ввести микроскопические
силиконовые шарики – наносферы диаметром несколько нм, покрытые тончайшим
слоем золота (рис. 15). Идея в том, что стенки кровеносных сосудов в тканях опухоли
неполноценны и проницаемы, и наносферы могут из таких «протекающих» сосудов
попасть в ткань опухоли. Далее важно, чтобы наносферы были невидимы для
иммунной системы, для этого они покрываются защитным слоем полиэтиленгликоля.
Через 20 часов после введения наносфер проводится оптическая когерентная
томография и наносферы позволяют визуализировать опухоли. Затем опухоль
облучается ИК-светом, который разогревает золотую оболочку частиц, что приводит
к гибели опухолевых клеток.
Рис. 15. Наносфера золота
9
3. В медицине проблема применения нанотехнологий заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т. е. осуществлять
«молекулярную хирургию» с помощью нанороботов (рис. 16). Ожидается создание
молекулярных роботов-врачей, которые могут «жить» внутри человеческого
организма, устраняя все возникающие повреждения, или предотвращая
возникновение таковых. Манипулируя отдельными атомами и молекулами,
нанороботы смогут осуществлять ремонт клеток. Нанороботы или молекулярные
роботы могут участвовать (как наряду с генной инженерией, так и вместо нее) в
перепроектировке генома клетки, в изменении генов или добавлении новых для
усовершенствования функций клетки. Важным моментом является то, что такие
трансформации в перспективе можно производить над клетками живого, уже
существующего организма, меняя геном отдельных клеток, трансформировать сам
организм! Прогнозируемый срок создания роботов-врачей – первая половина XXI
века. Возможности наномедицины пока еще не реализованы, существуют лишь
отдельные нанопроекты.
Рис. 16. Нанороботы за «работой»
10