Наноматериалы и устройства различного назначения на их основе

Введение

Развитие современной полупроводниковой электроники включает использование нанотехнологий, которые определяются как наука и техника создания, изготовления, характеристики и реализации материалов и функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровнях. Нанотехнологии должны обладать атомной точностью при подготовке полупроводниковых наносистем с требуемым химическим составом и конфигурацией и включать методы комплексной диагностики наноструктур, включая контроль в процессе изготовления и контроль технологических процессов на этой основе.
Развитие нанотехнологий стимулировалось развитием полупроводниковых наноструктур, выращенных методом молекулярной пучковой и металлоорганической эпитаксии, и созданием принципиально новых приборов и устройств электроники и оптоэлектроники, в настоящее время широко используемых в системах хранения, передачи и обработки информации (лазеры на квантовых ямах и сверхрешетках, СВЧ-транзисторы с двумерным электронным газом и др.).
Мощным толчком к развитию нанотехнологий стало открытие туннельной микроскопии в 1980-х годах, идеи которой легли в основу разработки широкого спектра современных зондовых методов диагностики материалов на наноуровне, а также ряда технологических методов (нанолитография, молекулярная сборка, самоорганизация). Значительно усовершенствованы известные технологии (электронная и рентгеновская литография, технология сфокусированного ионного пучка) и методы диагностики (электронная микроскопия сверхвысокого разрешения, сканирующая зондовая микроскопия, рентгеновские методы, в том числе с использованием синхротронного излучения, фемтосекундная спектроскопия). Наноматериалы и устройства различного назначения на их основе.
Современный опыт разработки приборов и устройств на основе квантовых гетероструктур (квантовых точечных лазеров, сверхбыстрых транзисторов, запоминающих устройств с гигантским магнитосопротивлением) показывает, что результаты фундаментальных исследований в этой области находят практическое применение в очень короткие сроки. В ближайшие годы эти достижения могут привести к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности-в электронике, информатике, энергетике, медицине и др. По данным иностранных экспертов, объем мирового рынка нанотехнологий к 2018 году составит более 1 триллиона долларов США.
Развитие нанотехнологий в стране и смежных областях науки, техники и производства направлено на повышение конкурентоспособности и расширение присутствия России на мировом рынке, повышение безопасности страны за счет широкого внедрения специальных наносистемных технологий, совершенствования вооружения, военной и специальной техники.В связи с вышеизложенным Государственная научно-техническая и инновационная политика в данной сфере деятельности должна быть приоритетной и иметь, прежде всего, технологическую направленность, включающую анализ рынка высокотехнологичной нанотехнологической продукции, прогнозирование возможного развития отдельных технологических направлений в области создания наноразмерных объектов.
Обеспечение перехода от исследований к использованию их результатов для разработки основ наноиндустрии заключается в создании благоприятных условий для поддержки работы, в том числе информационной поддержки. Этому служит региональный сегмент национальной нанотехнологической сети телекоммуникаций (ННС), разработанный в рамках данной работы, и базы данных по тематическому направлению деятельности ННС в области наноэлектроники, обеспечивающие информационно-технологическое и аналитическое сопровождение научных исследований и разработок в области наноэлектроники, а также опытно-конструкторские работы, направленные на создание конкурентоспособной продукции в данной сфере, их ускоренное промышленное развитие и коммерциализацию.


Что такое наноэлектроника и как она работает.
Области электроники, которая занимается разработкой технологических и физических основ для построения интегральных электронных схем с размерами элементов менее 100 нанометров, называется наноэлектроники. Сам термин "наноэлектроника" отражает переход от микроэлектроники современных полупроводников, где размеры элементов измеряются в единицах микрометров, к более мелким элементам - с размерами десятков нанометров.
С переходом на наноразмерности квантовые эффекты начинают доминировать в схемах, открывая множество новых свойств, и, соответственно, обозначая перспективы их полезного использования. И если для микроэлектроники квантовые эффекты часто остаются паразитическими, например, при уменьшении размеров транзистора, туннельный эффект начинает мешать его работе, то наноэлектроника, наоборот, предназначена для использования подобных эффектов в качестве основы для наногетероструктурной электроники.
Каждый из нас использует электронику каждый день, и наверняка многие уже заметили определенные тенденции. Память в компьютерах увеличивается, процессоры становятся более производительными, размеры устройств уменьшаются. В чем причина?
В первую очередь-с изменением физических размеров элементов микросхем, из которых фактически построены все электронные приборы. Хотя физика процессов сегодня остается примерно такой же, размеры устройств становятся все меньше и меньше. Большой полупроводниковый прибор работает медленнее и потребляет больше энергии, в то время как нанотранзистор работает быстрее и потребляет меньше энергии.
Известно, что все реальные тела состоят из атомов. И почему электроника не достигает атомного масштаба? Эта новая область электроники позволит решать такие задачи, которые просто невозможно решить на обычной кремниевой основе.
Графен и аналогичные ему монослойные материалы представляют сейчас большой интерес (см. статью “неожиданные свойства привычного углерода"). Такие материалы толщиной в один атом обладают замечательными свойствами, которые можно комбинировать для создания различных электронных схем.
Например, технологии, связанные с зондовой микроскопией, позволяют строить различные структуры отдельных атомов на поверхности проводника в сверхвысоком вакууме, просто переставляя их. Чем не основа для создания одноатомных электронных устройств?
Манипуляции с веществом на молекулярном уровне уже затронули многие отрасли промышленности, они не обошли электронику стороной. Микропроцессоры и интегральные схемы построены таким образом. Ведущие страны инвестируют в дальнейшее развитие этого технологического пути - так, чтобы переход на нано-уровень был быстрее, шире и дальше совершенствовался.
Некоторые успехи, кстати, уже достигнуты

. Intel объявила в 2007 году, что был разработан процессор на основе структурного элемента 45 нм (представлен VIA Nano), и следующий шаг будет 5 нм. IBM собирается достичь 9 Нм благодаря графену.
Углеродные нанотрубки (графен) - один из наиболее перспективных наноматериалов для электроники. Они позволяют не только уменьшить размеры транзисторов, но и придать электронике поистине революционные свойства, как механические, так и оптические. Нанотрубки не улавливают свет, подвижны,сохраняют электронные свойства схем.
Особенно творческие оптимисты уже предвкушают создание портативных компьютеров, которые можно вынуть из кармана, как газету, или носить как браслет на руке, а если хотите, можно открыть газету и весь компьютер будет похож на складную бумагу с сенсорным экраном высокого разрешения.
Еще одной перспективой применения нанотехнологий и использования наноматериалов является разработка и создание жестких дисков нового поколения. В 2007 году Альберт Ферт и Питер Грюнберг получили Нобелевскую премию за открытие квантово-механического эффекта сверхвысокого магнитного сопротивления (эффект GMR), когда тонкие металлические пленки из чередующихся проводящих и ферромагнитных слоев существенно изменяют свое магнитное сопротивление при изменении взаимного направления намагничивания.
Контролируя намагниченность структуры с помощью внешнего магнитного поля, можно создать настолько точные датчики магнитного поля и сделать такую точную запись на носителе информации, что плотность его хранения достигнет атомарного уровня.
Не обошлось без наноэлектроники и плазмы. Коллективные колебания свободных электронов внутри металла имеют характерную длину волны плазмонного резонанса около 400 Нм (для частицы серебра размером 50 Нм). Развитие наноплазмоники, можно предположить, началось в 2000 году, когда ускорился прогресс в совершенствовании технологии получения наночастиц.
Оказалось, что можно передавать электромагнитную волну по цепи металлических наночастиц, возбуждая плазмонные колебания. Такая технология позволит внедрить в компьютерную технику логические цепочки, которые смогут работать намного быстрее и передавать больше информации, чем традиционные оптические системы, а размеры систем будут значительно меньше, чем у принятых оптических.
Лидерами в области наноэлектроники и электроники в целом сегодня являются Тайвань, Южная Корея, Сингапур, Китай, Германия, Англия и Франция.
Самая современная электроника производится в США сегодня, а самым популярным производителем высокотехнологичной электроники является Тайвань, благодаря инвестициям японских и американских компаний.
Китай является традиционным лидером в области бюджетной электроники, но и здесь ситуация постепенно меняется: дешевая рабочая сила привлекает инвесторов из высокотехнологичных компаний, которые планируют создать свои нанопродукты в Китае.
У России тоже хороший потенциал. База в области СВЧ, радиационных структур, фотоприемников, солнечных элементов и силовой электроники позволяет, в принципе, создавать научные города наноэлектроники и развивать их.
Этот потенциал требует экономических условий и организации проведения фундаментальных исследований и научных исследований. Все остальное-технологическая база, перспективные кадры и научно-квалифицированная среда. Нужны только крупные инвестиции, и это часто оказывается ахиллесовой пятой ...


Наноэлектронные приборы и устройства.
Наноэлектронные устройства и устройства создаются с использованием методов нанотехнологий. Под нанотехнологией понимается совокупность технологий, процессов и приемов, основанных на манипулировании отдельными атомами и молекулами с целью получения новых материалов, устройств и приспособлений. Нанотехнологии могут быть использованы в электронике, материаловедении, химии, механике, биомедицине и других областях науки и техники. А атомная и квантовая физика считается характеристической единицей длины 1 А или 10-10 м. Этот выбор обусловлен тем, что ангстремы соответствуют диаметру самого маленького атома — атома водорода. Диаметры других атомов могут лишь незначительно превышать 2 А. нанометр в 10 раз больше.
Наноразмерный диапазон от 1 нм до 100 Нм. В природе, которая состоит так же, как и неодушевленная материя, из атомов, белковых молекул и липидов имеют размеры до 10 нм. Масштаб рибосом и вирусов лежит в пределах 100 Нм. Например, один из продуктов нанотехнологии-нанотрубки, а также элементы сверхбольших интегральных схем, также имеют размеры ~ 100 Нм. Именно это дает надежду на успешное сочетание технологий живых и неживых систем, создание микроминиатюрных устройств, лекарственных средств. Следует отметить, что с увеличением производительности микрочипов, они становятся дешевле и потребляют меньше энергии по сравнению с чипами предыдущего поколения.
По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. 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. Это и есть основные объекты исследований и разработок новой области электроники - наноэлектроники.


3.Зондовые нанотехнологии в электронике.
Формирование нанообъектов с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа или кантилевера атомно-силового микроскопа, возникнув как искусство и демонстрирует уникальные результаты, становится все более востребован для создания элементной базы наноэлектроники и создания устройств памяти с терабитной памяти. Таким образом, понятие “зондовая нанотехнология” становится все более определенным и достаточно распространенным.
Московский государственный институт электронных технологий работает над зондовой нанотехнологией с 1985 года. Получен ряд уникальных результатов, в том числе первое наблюдаемое квантование проводимости квазиодномерных микро проводников при комнатной температуре. Развернуты работы по созданию элементной базы наноэлектроники на основе зондовых методов .
Одним из перспективных направлений применения зондовых нанотехнологий является создание элементной базы углеродной электроники. Углеродные резисторы служили и служат в качестве электроники, являясь термостойкими и радиационно стойкими элементами. Методы планарных микроэлектронных технологий совместно с зондовыми нанотехнологиями позволяют создавать интегральные схемы, состоящие целиком из углеродных элементов.
На рисунке 1 приведены результаты локального анодного окисления углеродной дорожки толщиной около 10 нм в нормальных атмосферных условиях