Сучасні нанотехнології

Размещено на http://www.allbest.ru/

Сучасні нанотехнології

Наноелеюронні пристрої з резонансним тунелюванням

Історія пристроїв з тунельними переходами різного типу (у тому числі резо- резонансними) налічує майже три десятиліття, проте лише після 1997 р. почала розглядатися можливість їх вживання як функціональні елементи електронних схем. У технології виготовлення таких квантових пристроїв особливе значення мало впровадження методів епітаксіального зростання кристалів і контролю над цими процесами в наномасштабі, що привело до організації їх промислового виробництва з гнучкими технологічними схемами і високою відтворюваністю. Діод з резонансним тунелюванням містить області еміттера і колектора, а також бар'єр подвійного тунелювання (мал. 6.11). Квантова яма є настільки вузькою (E--10 нм), що в ній може міститися лише один, так званий «резонансний» енергетичний рівень.

Рис. 6.11. Характеристики пристрою з резонансним тунелюванням [51].

Принцип дії таких пристроїв полягає в тому, що електрони можуть перетікати від еміттера до колектора лише після того, як їх енергія піднімається до резонансного рівня. Спочатку, коли прикладена впоперек пристрою напруга мала (мал. 6.11, А), енергія електронів нижче резонан- резонансного рівня, і струм через пристрій не протікає. Із зростанням напруги лінія потенційної енергії в області еміттера піднімається, а в області колектора -- опускається, внаслідок чого енергетична зона електронів в емітері виходить на резонансний рівень енергії і починається вільне тунелювання (у напрямі зліва направо, як показано на мал. 6.11, В).

Рис. 6.12. Ядро суматора з резонансним тунелюванням [52].

Цьому процесу відповідає наростання струму до пікового значення в точці В. Із зростанням напруги впоперек пристрою енергія електронів стає вище резонансної, тунелювання припиняється і струм різко спадає до точки С. При подальшому зростанні напруги все більше електронів стають здатними проходити над бар'єром тунелювання, і тому струм знову наростає. Вольт-амперна характеристика такого пристрою відповідає характеристиці тунельного діода. Відмінність полягає в тому, що резонансний тунелюний діод (РТД) має значно меншу ємкість, що збільшує швидкість спрацьовування. Крім того, форма вольт-амперної характеристики РТД (тобто положення піку і долини) може змінюватися шляхом відповідного конструювання забороненої енергетичної зони.

Програма «Ультраелектроніка» (Ultra Electronics Program), здійснювана Управлінням перспективних досліджень і розробок міністерства оборони США (DARPA), включає розробку і моделювання мініатюрних пристроїв, що підсумовують, з частотою гігагерца на основі елементів з надлишковою і багатозначною логікою. Вперше в світі було продемонстровано інтегрований пристрій, що запам'ятовує, який може використовуватися в суматорах (мал. 6.12), процесорах і схемах з багатозначною логікою. Розроблена технологія дозволила створити аналогово-цифровий перетворювач (4 біт, 2 ГГц), динамічний квантователь (3 ГГц, 40 дБ), пристрій вибірки і зберігання інформації (3 ГГц, лінійність 55 дБ), схеми синхронізації, зсувні регістри і статичні пристрої з довільною вибіркою, що запам'ятовують, мають наднизьке енергоспоживання (50нВт/біт)[52].

На початку 1980-х років були розроблені функціональні пристрої з квантовим утриманням. У оптоелектроніці прикладом приладів такого типу служить пристрій для фотонного перемикання на основі самоелектрооптичного ефекту (ефект Штарка з квантовими обмеженнями). Як ще один приклад можна відзначити поверхнево-випромінюючий лазер з вертикальним резонатором, важливий засіб оптичного зв'язку. Такий лазер забезпечує двократне збільшення швидкодії, має в 10 разів меншу вартість компонентів і в 10--2000 разів менше енергоспоживання.

пристрій тунелювання нанокомплекс

2. Використання нанопристроїв в космічних дослідженнях

За останні тридцять років організація НАСА завершила початковий, розвідувальний етап вивчення найближчих об'єктів Сонячної системи. Подальші роботи будуть пов'язані або з польотами до більш видалених цілей (у тому числі до Сонця або Плутона), або з апаратами, здатними вирішувати значно складніші завдання, такі, як висадка на поверхню небесних тіл відбір зразків і їх доставка на Землю. Для здійснення цих великомасштабних і дорогих досліджень НАСА розробила обширний проект під назвою «Програма розвитку технологій для досліджень в глибокому космосі» і позначенням Х2000, в рамках якого, починаючи з 2000 р., кожні два- три роки в космос повинні виводитися ракети з вдосконаленим бортовим устаткуванням, призначеним для вивчення Сонячної системи і навіть її околиць. Особлива увага приділяється зменшенню розмірів космічних апаратів; для цього постійно знижуються розміри і вага систем авіоніки (авіаційної електроніки, бортового устаткування літальних апаратів).

Рис. 6.13. Прогноз розвитку авіоніки.

У рішенні цієї задачі важливу роль повинна зіграти інтеграція мікро- і нанотехнологій. На мал. 6.13 представлені прогнози зміни основних параметрів (вага, об'єм, споживана потужність) бортових електронних пристроїв. Сучасному стану електронної техніки відповідають дані лівої колонки, що відносяться до космічного корабля «Марс Пасфайндер».

Перше покоління апаратури за проектом Х2000 відповідає інтегральним системам авіоніка, в якій об'єднані функції управління і обробки даних, контролю за положенням космічного апарату і його енергетичними установками, узгодження режимів роботи наукових приладів і так далі. Подальша мініатюризація устаткування і розвиток техніки автоматичного управління повинні привести до вищої міри інтеграції і створення модульної, елементної архітектури, призначеної для експлуатації в умовах тривалих комічних експедицій. Нові системи авіоніки матимуть значно менше енергоспоживання в порівнянні з сучасними системами.

Прототипом майбутніх однокристальних і багатокристальних інтегральних схем стане та, що розробляється за проектом Х2000 інтегральна схема авіоніки, що отримала назву «Система на чіпі» (System On A Chip, SOAC). Ця інтегральна схема міститиме систему управління енергетичними установками, систему датчиків, телекомунікаційні модулі, центральний процесор і пристрої, що запам'ятовують. Нанотехнологія покликана забезпечити як мініатюризацію таких пристроїв, так і їх інтеграцію.

Приблизно до 2020 р. очікується реалізація програми нових комп'ютерних технологій, яка дозволить не лише здолати межі напівпровідникової технології, але і створити повністю автономні, високоефективні і низькоенергетичні «мислячі космічні апарати». Безумовно, для цього буде потрібно застосування нанотехнологій, оскільки звичайна, цифрова обчислювальна техніка (навіть з урахуванням її успіхів за останні роки і можливого створення в майбутньому суперкомпютерів) не зможе змагатися з біологічними системами в задачах розпізнавання образів, чуттєвого сприйняття, управління в складних умовах або адаптації до навколишнього середовища. У розділі «5-е покоління» (рис. 6.13) представлені дві нанотехнологій, які будуть визначати можливості космічних апаратів 2020:

* Квантовий компютер. Такий пристрій має бути створено на основі поєднання принципів традиційної обчислювальної техніки і квантової фізики. Хоча концепція квантового компютера проста, цього не можна сказати про її реалізації. Розробка квантового компютера мотивується двома проблемами:

- Використання квантових уявлень, можливо, дозволить вирішити математичні задачі, недоступні звичайним обчислювальним методам.

- З точки зору мініатюризації обчислювальних пристроїв важливий розмір пристрою, який припадає на 1 біт інформації. В останні роки у звязку з розвитком нанотехнологій і проблемами конструювання напівпровідникових мікромеханічних пристроїв ставиться питання про доведення мініатюризації до квантової межі. Тому ідея квантового компютера, в якому носіями інформації є відокремлені атоми, привертає увагу вчених багатьох областей.

* Біометричні прилади. Біоміметикою називається науковий напрямок, повязаний з імітацією біологічних процесів. Цей напрямок грунтується на дослідженнях архітектури, функцій, механізмів і принципів дії біосистем. Нижче наводяться приклади біоміметичних обєктів, що представляють цікавість для нанотехнологій:

- 1 г ДНК може містити стільки ж інформації, скільки бібліотека Конгресу США.

- Мозок людини містить близько 1014 внутрішніх звязків та може здійснюватися здійснювати до 1016 операцій в секунду, причому його робота відрізняється високою точністю і дуже низьким енергоспоживанням.

- Людський організм володіє високоефективною імунною системою, яку можна назвати «системою саморемонта».

Надалі, коли дослідження цих явищ дозволять створювати невеликі та легкі пристрої з низьким енергоспоживанням, НАСА зможе створювати і запускати космічні зонди для вирішення завдань, недоступних в даний час.

3. Біологічний нанокомплекс для перенесення лікарських сполук

На рис. 6.14 представлений новий протираковий нанокомплекс РК1, який переносить до пухлини лікувальний препарат цитотоксин (доксорубіцин). Процес спрямованого переносу обумовлений ефектом підвищеної проникності і утримування комплексу в уражених хворобою тканинах, де порушена цілісність судинної системи організму.

Рис. 6.14. Біологічний протираковий нанокомплекс РК1 [54].

Ідея методу полягає в тому, що К-2-(гідроксіпропіл) метакриламід, що становить основу препарату РК1, утворює нанорозмірний комплекс, який через свої розміри не може проникати з кровотоком у здорові тканини організму. Проте в уражених раком тканинах проникність судинної системи різко зростає, внаслідок чого в них проникають комплекси РК1. Доксорубіцин, повязаний з комплексом, не є токсичним і не становить загрози здоровим тканинам. У своїй активній формі він вивільняється головним чином всередині уражених тканин. Обєднання К-2-(гідроксипропіл) метакриламіда і доксорубіцину в єдиний комплекс здійснюється за допомогою зв'язуючого агента, в якості якого був обраний лабільний пептидний лінкер, так як він є живильним середовищем для протеази (відомо, що пухлинні тканини виробляють протеазу в підвищених кількостях). Використання РК1 дозволяє більш ніж на порядок підвищити застосовувані дози доксорубіцину, як за допомогою направленого переносу, так і через переважного виділення доксорубіцину в уражених тканинах.

Метод проходить клінічні випробування випробування в Європі. Додатковою перевагою даного препарату і аналогічних засобів на полімерній основі є те, що в них використовуються монодисперсних нанополімери (дендритної будови), що дозволяє керувати ефектом направленого перенесення, а також вводити так звані домени «причалювання» (що дають можливість антигенів повязувати комплекс саме при вступі в зону пухлини) або додавати інші антиракові препарати, що володіють синергізмом дії з цитотоксину, включаючи ан-гіостатичні агенти [53].

4. Нанотехнологія на чіпі: нова парадигма систем повного хімічного

аналізу

Розробка більш дешевих і зручних методів отримання інформації про хімічну та біологічну структури речовин має велике значення для медицини, контролю якості харчових продуктів, служб правопорядку і національної безпеки та інших сторін суспільного життя США. Зараз у різних країнах ведуться роботи зі створення широкодоступної системи хімічного аналізу n-ChemLab ™-on-a-chip. Ця система мікро-повного аналізу (Micro-total analysis system ц-TAS) відрізняється від звичайних датчиків, оскільки вона здійснює повний аналіз (на вхід системи подається аналізована суміш, на виході системи виходить відповідь про її склад). Національна лабораторія Сандія розробляє переносну демонстраційну модель ц-TAS, здатну аналізувати газоподібні бойові отруйні речовини і рідкі вибухові речовини. У роботі над створенням ц-TAS бере участь міждисциплінарна дослідницька група з 50 фахівців в різних областях (мікрообробки, хімічне розпізнавання, мікрогідродинаміка, інформатика). Хоча нанотехнологія грає важливу роль в розробках системи ц-TAS, проте поки основні досягнення в цій області повязані з мініатюризацією вже відомих компонентів і пристроїв. Поки використовуються малогабаритні клапани, трубки, насоси, розділові колонки і т. д., що представляють собою зменшені копії деталей звичайної апаратури. Хоча вони функціонують не гірше (а іноді і краще) своїх великомасштабних аналогів, проте такий підхід не дозволить створити хімічну лабораторію мікроскопічних розмірів. Нанотехнологія робить реальним задум системи ц-TAS з абсолютно новою архітектурою, або нано-TAS, оскільки пропонує абсолютно новий підхід до виготовлення клапанів, насосів, пристроїв хімічного поділу та виявлення і т. д. з матеріалів з перемикаючими молекулярними фун-функціями. Наприклад, потоки рідин можна було б направляти не по попередньо створеній системі фізичних каналів, а за допомогою зміни поверхневої енергії. Перемикані молекулярні мембрани могли б замінити механічні клапани. За допомогою винятку складних гідродинамічних мереж і мікромасштабних компонентів (використовуваних в сучасних проектах систем ц-TAS) концепція нано-TAS забезпечить більш широкий набір робочих функцій і зниження енергоспоживання системи повного хімічного аналізу при набагато менших її розмірах.

5. Розробка систем нанорозмірною робототехніки

В принципі, можна припустити думку про виготовлення нанороботів, які виконували б досить складні функції або незалежно один від одного, або після самозбірки в деякі системи. Уявіть, наприклад, високороздільний відеоекран, який може виконувати «саморемонт», просто маючи мікроскопічного робота на кожному елементі екрану. Такі «піксельботи »(pixel - елемент або точка росту) були б здатні виробляти світло, але були б також досить « розумними », щоб видалити себе з екрану при поломці. Інші пікселботи при цьому повинні були б відчути утворену вакансію і перегрупуватися для її заповнення. Інший приклад - введення в людський організм мікророботів-санітарів, які хімічно нешкідливі, але здатні видаляти ракові клітини в місці їх утворення. Маючи здатність відрізняти хворі клітини від здорових, такі роботи функціонували б незалежно від організму і безперервно лікували б тканини, не заважаючи звичайному ходу біохімічних процесів в організмі. Аналогічний підхід може бути використаний для створення самооптимізуючихся кремнієвих запамятовуючих пристроїв і процесорів: при виникненні неполадок користувач просто повинен був би почекати, поки компютер сам себе не відремонтує.

Для створення таких пристроїв потрібне дослідження властивостей автономних систем, здатних до самозбирання. Співробітники Лос-Аламоської національної лабораторії вивчають такі системи, створюючи дуже недорогі і досить великі роботи (рис. 6.15), які здатні адаптуватися до оточення, включаючи взаємодію з іншими роботами при виконанні деяких завдань (наприклад, при виявленні розірваних мін, як показано на малюнку). Характеристики таких «розумних» клітинних систем зберігаються при зміні масштабу і можуть бути використані при створенні різноманітних наномашин, здатних виконувати неймовірні операції. Подібні розробки можуть мати величезний комерційний потенціал.

Рис. 6.15. Модельна система для нанороботів-техніки [55, 56].

Самозбираються роботи (діаметром 7,5 см) відзначають місце, де під землею знаходиться не розірвалася міна. Такі роботи дешеві, живляться від сонячних батарей і не мають процесора (що полегшує їх застосування і мініатюризацію).

6. Інтеграція нанотехнології в мікросистемах

Досягнення нанотехнології матимуть важливе значення для розробки інтегрованих мікросистем. Інтеграція мікроелектронних, мікроелектромеханічних, оптичних і хімічних мікродатчиків в єдині «системи-на-чіпі » є саме тим напрямком, який дозволить одночасно використовувати механічні, оптичні і хімічні властивості матеріалів. На рис. 6.16 представлені можливі варіанти застосування таких мініатюрних інтегрованих систем, які зможуть відчувати, думати, говорити (спілкуватися) і діяти.

Однак для їх створення необхідно навчитися керувати наномасштабними процесами. Так, наприклад, можливість створення зазначених на малюнку МЕМС і пристроїв фотоніки залежить від успіхів у вивченні нових явищ в нанонауці і процесів у нанотехнології.

Рис. 6.16. Можливості створення і використання інтегрованих мікросистем, в яких спільно використовуються механічні, електричні, оптичні і хімічних хімічні властивості наноматеріалів.

Література

1. Р. Помренке Наноелеюронні пристрої з резонансним тунелюванням

2. Н.Б. Тумар'ян Використання нанопристроїв в космічних дослідженнях.

3. С. Лі Біологічний нанокомплекс для перенесення лікарських сполук

4. Т.А. Міхалске Нанотехнологія на чіпі: нова парадигма систем повного хімічного аналізу

5. М.У. Тілден, Т.К. Лоу Розробка систем нанорозмірною робототехніки

6. С.Т. Пікрія Інтеграція нанотехнології в мікросистемах

Размещено на Allbest.ru