Нанотехнологии в энергетике: наноэлектроника

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Преемственность этапов развития электроники

2. Закон Мура

3. Нанопровода

3.1 Подвешенные нанопровода

3.2 Напыленные нанопровода

3.3 Свойства и применения нанопроводов

4. Новая научная база наноэлекироники

Выводы

Список литературы

Введение

Нанотехнология -- междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Наноэлектроника -- область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нанометров.

Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.

Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, -- это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

1. Преемственность этапов развития электроники

За предыдущие сто лет сменили друг друга три поколения электроники, зародилась и успешно развивается наноэлектроника. Каждое новое поколение электроники всегда рождалось в муках неразрешимых проблем, возникавших в процессе развития предыдущего этапа электроники. Те особенности предыдущего поколения электроники, которые приводили к указанным проблемам, отбрасывались, использовались принципиально новые подходы. Тем не менее, каждое новое поколение электроники аккумулирует все прежние научные и инженерные находки, способствующие ее дальнейшему развитию. В технике не разрушают старое «до основания». Новое строят не на развалинах старого, а гармонично сочетают революционные изменения с эволюционным развитием. Переход от старого к новому характеризуется глубокой преемственностью не только в деталях. Например, все виды электроники - ламповая, полупроводниковая, интегральная - используются, в конечном итоге, для переработки информации. В этом смысле все поколения электроники характеризуются абсолютной преемственностью. Изменяются объемы, надежность, помехозащищенность, скорость и методы переработки информации, но сам факт ее переработки остается общей и неизменной целью любой электроники. Та же цель стоит и перед наноэлектроникой.

Далее, все поколения электроники черпали идеи из открытий естественных наук (в основном физики) и опирались на строгие математические теории. Эта база сохраняется и в наноэлектронике.

Вспомним теперь, что наноэлектроника родилась в некотором смысле из принципиальных ограничений, возникших на пути микроминиатюризации элементов интегральных микросхем (ИМС). Теоретически было ясно давно, а экспериментальные исследования последних лет подтвердили, что характер процессов, происходящих в элементах, соизмеримых с длиной волны де Бройля, принципиально изменяется. Они перестают работать как «классические» полупроводниковые приборы. Возникают так называемые размерные эффекты. Эти эффекты устанавливают абсолютный (физический) предел традиционному пути развития электроники. Однако эти же эффекты открывают широкую перспективу развития наноэлектроники на новых принципах. Таким образом, развитие микроэлектроники создало основу для наноэлектроники и привело к ускорению исследований электронных свойств наноразмерных объектов. Налицо прямая преемственность между нано- и микроэлектроникой.

Рассматриваемая преемственность имеет место и в частных случаях. Рассмотрим их на примере развития технологии формирования быстродействующих полевых транзисторов в составе ИМС. Простейшая структурная схема полевого транзистора с индуцированным каналом изображена на рис. 1.1. Транзистор этого типа функционирует благодаря возникновению индуцированного проводящего канала (инверсионный n-слой) под действием электрического поля, создаваемого управляющим потенциалом на затворе. Быстродействие таких транзисторов повышается, в частности, с уменьшением длины канала транзистора L и толщины подзатворного слоя диэлектрика h. Уменьшение длины канала достигается использованием при литографии излучения со все меньшей длиной волны.

нанотехнология энергетика электроника

Рисунок 1.1 - Упрощенная схема полевого транзистора с индуцированным каналом n-типа (слой подзатворного диэлектрика заштрихован )

Минимальная величина L, а следовательно и максимальное быстродействие транзистора зависят от его размера д. Размер транзистора в плане (топологический размер) определяется возможностями литографии. Параметр, характеризующий этот размер, называется минимальной топологической (или проектной) нормой технологического процесса. Например, при проектной норме д = 0,13 мкм такой размер имеет полевой транзистор, а длина канала L может быть уменьшена до 0,07 мкм (70 нм).

Чем меньше проектная норма, тем больше транзисторов может разместиться на чипе. На основе статистической обработки данных об увеличении числа транзисторов на чипе в период с 1959 по 1965 г. Мур (один из основателей корпорации Intel; в настоящее время -- председатель совета директоров этой корпорации.) установил, что «число транзисторов на полупроводниковом кристалле удваивается примерно каждые два года» (закон Мура). Следует помнить, что закон Мура не имеет естественнонаучной основы, а лишь фиксирует развитие технологии изготовления ИМС в прошлом. Поэтому он не может служить опорой для обоснованного прогноза темпов этого развития в будущем. Указанные темпы для разных транзисторов в составе различных ИМС, изготавливаемых по неодинаковой технологии, заметно различаются. Это видно из рис. 1.2.

Рисунок 1.2 - Изменение по годам числа (N) полевых (,) и биполярных (, ) транзисторов в ИМС памяти (,) и логики (,) (верхняя группа точек относится к вариациям процессоров Intel Pentium )

На рис. 1.2 показано, как со временем изменялась топологическая (проектная) норма для элементов ИМС. На рисунке видно, что за период с 1960 по 2003 гг. размер элемента уменьшился более чем в 100 раз. После 1990 г. микроэлектроника преодолела микронный рубеж, а после 2000 г. элементы ИМС приобрели наномасштабы.

На нижней части прямой на рис. 1.3 кружками отмечены значения д, прогнозируемые специалистами корпорации Intel для массового производства ИМС: в 2007 г. 5 - 45 нм, в 2009 г. - 32 нм и в 2011 г. - 22 нм. При указанных значениях 5 длина канала полевого транзистора L может иметь значения, равные примерно 20, 15 и 10 нм соответственно (см. звездочки на рис. 1.3).

Рисунок 1.3 - Уменьшение по годам проектной нормы элемента ИМС: пунктирное продолжение прямой - прогноз до 2011 г.; горизонтальные линии слева - длины волн излучения, используемого для литографии.

Таким образом, в ближайшие годы классическая микроэлектроника обеспечит производство ИМС на основе схемных элементов, топологические размеры которых приближаются к середине нанообласти (заштрихованная область на рис. 1.3).

Следует отметить, что минимальные структурные размеры элементов ИМС уже давно преодолели верхнюю границу нанообласти и в настоящее время приближаются к ее нижней границе (рис. 1.4). Толщина h подзатворного диэлектрического слоя составляет 1,4 нм (или 6 атомных слоев) у полевых транзисторов процессоров компании АМБ; h = 1,2 нм в процессорах компании Intel. При разности потенциалов на таком слое в 1 В напряженность поля в нем составляет не менее 10⁷ В/см, чтавыше пробивного напряжения большинства диэлектриков. Дальнейшее уменьшение h в полевых транзисторах, функционирующих по «классическому» механизму, вряд ли возможно.

Рисунок 1.4 - Уменьшение по годам толщины под затворного диэлектрика полевого транзистора

Преемственность нано- и микроэлектроники основывается не только на применении процесса литографии, но и на использовании в технологии ИМС способов создания объектов по принципу «снизу вверх» и «сверху вниз», а также процессов самоорганизации, как, например, в уже упомянутой эпитаксии.

Однако микроэлектроника стимулировала самые существенные разработки в области наноэлектроники не столько своими успехами, сколько трудностями, возникающими при уменьшении микроэлектронных элементов и приближении к физическому пределу миниатюризации полупроводниковых ИМС. Для преодоления этих трудностей потребовались глубокие физические исследования электронных, оптических и магнитных свойств наноразмерных объектов, а также процессов, с помощью которых можно создавать эти объекты. Обзор достижений, полученных на этом пути, дан в следующем параграфе.

Наконец, отметим, что наноэлектроника переживает в настоящее время такую же «болезнь роста», какую микроэлектроника переживала в период с 1958 по 1970 гг. Этот период характеризовался жесткой конкурентной борьбой между разными потенциально перспективными направлениями развития интегральной электроники. К ним относятся: пленочная, твердотельная, ионная, полупроводниковая, диэлектрическая, магнитная, сегнетоэлектрическая, акустическая, оптическая и другие направления электроники. В результате конкурентной борьбы были, во-первых, найдены эффективные компромиссные решения, во-вторых, наиболее перспективные отрасли электроники нашли свои области применения. Компромиссом стало, например, объединение пленочной и твердотельной электроники. Теперь доминируют так называемые совмещенные ИМС. В этих ИМС некоторые элементы (в основном пассивные и соединительные) изготавливаются в пленочном исполнении, а другие (активные) - в твердотельном. Опыт показал, что конкурентную борьбу выдерживает та электроника, которая допускает создание высокоэффективных массовых технологий, обеспеченных ресурсами. Например, в микроэлектронике - это интегральная твердотельная кремниевая электроника. Она может обеспечить любые масштабы производства, так как кремний составляет около 30% земной коры.

Аналогичным образом в настоящее время в наноэлектронике разрабатываются несколько потенциально перспективных направлений развития - одноэлектроника, молекулярная электроника и другие; исследуются прототипы электронных устройств в рамках каждого из направлений. Наверняка и в нанотехнологиях произойдет отбор ограниченного числа наиболее эффективных вариантов. В процессе этого отбора, несомненно, будет учтен опыт развития микроэлектроники.

В процессе развития микроэлектроники возникла и стала весьма серьезной так называемая «тирания межсоединений». В наноэлектронике проблема межсоединений возникла уже на первых этапах становления этого направления электроники.

Существенно, что при развитии микроэлектроники появилась потребность в глубокой интеграции знаний различных направлений фундаментальных наук и техники. В наноэлектронике эта потребность не только сохраняется, но и усиливается. Органическая взаимосвязь микро- и наноэлектроники заложена в ГОСах по микроэлектронным специальностям, в которых предусматриваются соответствующие учебные курсы, например «Процессы микро- и наноэлектроники» [1].

2. Закон Мура

Гордон Мур (Gordon Moore) за три года до основания компании Intel заметил, что плотность компонентов электронных схем удваивается каждые 18 месяцев. Он заявил, что если такая тенденция продолжится, то их плотность возрастет с 50 компонентов в одной схеме до 65 тыс. уже в 1975 г. Эта тенденция сохранилась и стала называться закон Мура. На рис. 2.1 показан график этой тенденции за последние годы.

Рисунок 2.1 - Закон Мура, согласно которому растет плотность компонентов электронных схем

Помимо технического прогресса, наблюдается тенденция экономического роста, причем почти в соответствии с законом Мура. Дело в том, что стоимость производства сложных электронных схем удваивается ежегодно. В 2005 г. типичный компонент сложной электронной схемы, микропроцессора имел размер 130 нм. Компания Intel планирует построить завод, который будет производить микропроцессоры с компонентами величиной около 65 нм, то есть шириной, равной цепочке из 300 атомов.

Уменьшение компонентов не замедляется, однако очевидно, что предел будет достигнут очень скоро, например, когда размер компонента станет равным размеру атома. Если этот предел все же будет достигнут, человечество научится выполнять квантовые вычисления. Одни специалисты считают, что это произойдет уже в 2010 г., а другие - что не ранее 2020-2030-х гг. Более мелкие компоненты компьютеров будущего, вероятно, будут состоять из субатомных частиц.

Как бы то ни было, но для достижения этого инженерам сначала нужно научиться использовать наноструктуры, например нанотрубки в качестве проводов.

За последние 35 лет специалисты компании Intel научились создавать все более миниатюрные чипы и их компоненты. В настоящее время отдельные компоненты этих чипов уже вышли за пределы нанометрового диапазона, то есть стали меньше 100 нм. Действительно, когда создавалась эта книга, ученые и инженеры компании Intel планировали перейти рубеж в 20 нм. Это достижение позволит компании Intel стать самой крупной нанотехнологической компанией в мире.

35 лет назад память на основе кремния стоила почти в 100 раз дороже, чем память на основе магнитных сердечников. Основателям Intel удалось создать первый микропроцессор Intel 4004, содержащий 2300 транзисторов на площади, которая меньше ногтя. Этот процессор стоил около 100 долл. США и обрабатывал порядка 60 тыс. инструкций в секунду. Сравните: чтобы достичь производительности среднего современного компьютера, потребовалось бы около 250 тыс. таких микропроцессоров! Ничто так не способствует прогрессу, как коммерческий успех. Специалистам компании Intel каждый год удавалось и удается сейчас создавать все более мощные и миниатюрные микропроцессоры [2].

3. Нанопровода

Нанопровод - это проволока диаметром всего несколько нанометров (то есть около 10^-9 м). На таком масштабном уровне важную роль играют законы квантовой механики, а потому подобные провода называют квантовыми проводами.

Методы очистки, распутывания, выпрямления и сортировки нанотрубок гораздо сложнее, чем методы выращивания кремниевых кристаллов. А создание электрических цепей на их основе - это огромная техническая проблема, которую сейчас решают ученые и инженеры.

Гораздо проще работать с кремниевыми нанопроводами (наностержнями, или квантовыми проводами), которые являются следующим этапом развития кремниевой электроники. Как и нанотрубки, нанопровода могут образовывать сложные конфигурации из сверхмалых транзисторов, но они не обладают сверхвысокой прочностью нанотрубок.

Нанопровода могут образовывать сложные системы с другими материалами. Кремниевые нанопровода научились делать благодаря огромным успехам современных электронных технологий. Дело в том, что ученые и инженеры могут контролировать их структуру и свойства так же, как делали это на протяжении многих лет.

Однако кремний -- не единственный материал, пригодный для создания нанопроводов. Для разных целей могут применяться металлические или многослойные нанопровода из золота, меди или марганца.

Нанопровода диаметром 12 нм можно использовать для оптических и электромагнитных систем, включая сенсоры и солнечные батареи.

На рис. 3.1 перечислены материалы, из которых можно изготавливать нанопровода [2].

Рисунок 3.1 - Нанопровода можно создавать из разных материалов

3.1 Подвешенные нанопровода

Нанопровода создают в лабораториях с помощью подвешивания или напыления. Обычный провод подвешивают в вакуумной камере и уменьшают его толщину либо с помощью травления, либо обстреливая его высокоэнергетичными частицами, либо вытягивая его из расплава (приблизительно так, как вытягивают вилкой очень тонкие волокна из расплавленного сыра моцарелла) [2].

3.2 Напыленные нанопровода

Напыленные нанопровода образуются на подложке из другого материала, например, в виде ряда атомов металла на непроводящей поверхности. Это обычно достигается с помощью лазерной абляции («стирания») атомов источника нанопроводов в состоянии типа пар-жидкость-твердое тело.

Сначала источник подвергается воздействию катализатора (например нанокластеров золота). Атомы источника просачиваются в катализатор и насыщают его. В момент перенасыщения они переходят в твердое состояние и начинают расти в виде кристалла-нанопровода. Длина такого нанопровода регулируется с помощью подачи атомов источника. Таким способом можно получать не только отдельные нанопровода из одного материала, но и сверхрешетки из перемежающихся материалов за счет включения разных источников во время напыления. Именно так получают нанопровода для полупроводниковых компонентов электрических схем.

Для создания компонентов электрических схем на основе нанопроводов отдельные нанопровода легируют (то есть добавляют примеси других химических веществ), чтобы получить полупроводники n-типа или p-типа. Затем простой переход p-n-типа фиксируют посредством простого физического соединения провода p-типа с проводом n-типа или при помощи химического легирования различными примесями. Например, переход p-n-типа можно получить с помощью всего одного провода. После создания переходов приступают к созданию логических затворов на основе нескольких переходов p-n-типа.

Несомненно, полупроводящие и проводящие нанопровода будут иметь огромное значение для будущих компьютеров, поскольку задействуют многочисленные преимущества нанотехнологий [2].

3.3 Свойства и применения нанопроводов

Благодаря своим сверхмалым размерам нанопровода имеют уникальные электрические свойства. В отличие от углеродных нанотрубок, в которых электроны свободно перемещаются между контактами, проводимость нанопроводов очень сильно зависит от краевых эффектов, возникающих, поскольку атомы на поверхности и внутри нанопровода по-разному связаны с соседними атомами. Частично связанные атомы на поверхности могут инициировать появление дефектов в нанопроводе, которые снизят электрическую проводимость нанопроводов. Чем меньше нанопровод, тем больше в нем поверхностных атомов, и тем сильнее краевые эффекты [2].

4. Новая научная база наноэлекироники

Классическая микроэлектроника осваивала нанообласть в основном «геометрически». Принципы функционирования элементов ИМС при этом оставались неизменными. В современной наноэлектронике эти принципы существенно модифицированы. Используются иные физические процессы, лежащие в основе функционирования электронных устройств, способы их получения, методика исследований. В настоящем параграфе перечислены некоторые перспективные направления развития наноэлектроники.

В окружающем мире всегда в изобилии существовали наночастицы. По одной из правдоподобных версий, в начале эры вещества (~ 14 млрд лет назад), при охлаждении расширяющейся Вселенной, преобладавший во Вселенной водород образовывал кластеры («снежинки») наноразмеров. Рассеяние в пространстве углерода и кремния при взрывах сверхновых (~5 млрд лет назад) привело к образованию космической пыли, наночастицы которой взаимодействовали между собой, с излучением, с полями, внося существенный вклад в динамику межзвездной среды.

С появлением жизни на Земле (~4 млрд лет назад) роль наноструктур стала массовой и определяющей. Например, структурные элементы клетки имеют наноразмеры.

Человек в своей деятельности использовал наночастицы давно (неосознанным образом). Так, уже в начале нашей эры было создано художественное стекло, окраска которого определялась наличием в нем наночастиц серебра и золота.

Первое научно обоснованное указание на важность исследований и разработок в области нанообъектов было дано американским физиком, нобелевским лауреатом Ричардом Фейнманом. Поэтому Фейнмана называют «отцом нанотехнологии». В 1959 г. в лекции «Внизу полным-полно места: приглашение войти в новый мир физики», прочитанной в Калифорнийском технологическом институте, Фейнман обратил внимание на то, что законы физики не запрещают манипулировать отдельными атомами, укладывая их поштучно в нужном порядке, создавая вещественные структуры с заданными свойствами. Однако уровень развития науки и техники 1950-х гг. не позволял реализовать такие технологии. Нанотехнологии стали входить в электронику и другие области техники лишь в конце 80-х гг. прошлого столетия.

В различных сферах науки и техники возникли свои причины и свои методы продвижения в нанообласть. В настоящий обзор включены достижения естественных наук, заложившие фундамент современной наноэлектроники.

В1962 г. Л. В. Келдыш показал возможность создания в кристалле особой периодической структуры, которая называется сверхрешеткой.

Сверхрешетка - это кристаллическая структура, обладающая помимо периодического потенциала, свойственного кристаллической решетке, дополнительным потенциалом, период которого существенно превышает атомарные размеры, но соответствует наномасштабам. Сверхрешетки могут создаваться в проводниковых, магнитных и полупроводниковых материалах. Наиболее полно исследованы полупроводниковые сверхрешетки, состоящие из чередующихся нанослоев вещества, различающихся по составу. В этом случае сверхрешетки могут рассматриваться как одномерные системы потенциальных ям, разделенных сравнительно узкими потенциальными барьерами с заметной туннельной прозрачностью. На основе сверхрешеток созданы приборы с отрицательной (М-образной) вольт-амперной характеристикой, способные усиливать и генерировать электромагнитные колебания, а также эффективные светоизлучающие приборы и приборы другого назначения.

В сверхрешетках может проявляться так называемый резонансный туннельный эффект. Этот эффект состоит в резком увеличении вероятности прохождения микрочастиц, например электронов, сквозь двух- или многобарьерную структуру, когда исходная энергия частицы совпадает с энергетическим уровнем в смежной потенциальной яме (резонансный уровень). Этот эффект широко используется в наноэлектронике при разработке сверхбыстродействующих приборов. Идея использования резонансного туннелирования для создания быстродействующих приборов, предложенная еще в 60-е гг. прошлого столетия, была реализована лишь в 1970 г. (Л. Есаки) благодаря появлению метода молекулярно-лучевой эпитаксии. В настоящее время молекулярная эпитаксия - самый эффективный метод наращивания на плоскую подложку слоев иного состава наноразмерной толщины. Такие слои являются квантовыми ямами для электронов.

В 1986 г. К. К. Лихаревым были теоретически предсказаны кулоновская блокада туннелирования и одноэлектронное туннелирование, т. е. прохождение электронов через туннельный барьер по одному. Эти эффекты подтвердились экспериментально. На их основе созданы одноэлектронные транзисторы и элементы памяти.

Вслед за сверхрешетками были теоретически описаны и получены на практике одномерные (малые в двух измерениях) и нульмерные (малые в трех измерениях) наноструктуры, называемые квантовыми проволоками (нитями) и квантовыми точками соответственно. В каждом слое сверхрешетки (двухмерная потенциальная яма) движение электронов ограничено лишь в одном измерении и реализуется в этом измерении за счет туннельного эффекта. В квантовой нити движение электронов ограничено в двух измерениях (нить наноразмерной толщины). В квантовых точках движение электронов ограничено в трех измерениях (наноразмерный кристаллик). В последнем случае реализуется предельный вариант размерного квантования, когда модификация электронных свойств наиболее выражена. Энергетический спектр электрона, принадлежащего квантовой точке, дискретен, подобно энергетическому спектру электрона в изолированном атоме. Однако реальная квантовая точка может содержать многие тысячи атомов. Например, квантовая точка в арсениде галлия размером в 14 нм содержит более 10⁵ атомов.

Квантовые ямы, квантовые нити и точки открывают широкие возможности создавать различные наноэлектронные приборы.

Еще одним важным для наноэлектроники достижением явилось открытие особых молекул, образованных атомами углерода: нанотрубок и фуллеренов. Фуллерен объединяет 60 (С₆₀) или более (С₇₀, С₇₀, С₈₀, С₈₄) атомов углерода. Фуллерен С₆₀ построен из 12 пентагональных (пятиугольных) и 20 гексагональных (шестиугольных) симметрично расположенных граней, образующих форму, близкую к шару диаметром ~1 нм. Открытие фуллеренов явилось в некоторой степени случайным результатом исследований природы межзвездной среды. Ученые воспроизвели условия, в которых находятся пары углерода во внешних слоях особых звезд (красные гиганты), и в результате зафиксировали процесс образования фуллеренов С₆₀ в подобных условиях.

Фуллерены могут быть объединены силами Ван-дер-Ваальса в кристалл со значительными пустотами между фуллеренами. Размещение в этих пустотах атомов щелочных элементов превращает первоначально диэлектрические свойства фуллереновых кристаллов в полупроводниковые, а при низких температурах -- в сверхпроводящие.

После обнаружения (1984-1985 гг.) фуллеренов начались интенсивные поиски других форм углеродных наночастиц. В 1991 г. были обнаружены трубчатые структуры из атомов углерода - углеродные нанотрубки. Они образуются свертыванием так называемой гексагональной плоскости решетки графита, состоящей из шестигранных ячеек, в вершинах которых располагаются атомы углерода. Углеродные нанотрубки могут быть одно- и многослойными. Их диаметры изменяются в пределах от ~ 0,4 (однослойные) до 100 нм (многослойные), длины -- достигают 100 мкм. Углеродные нанотрубки обладают необычными электрическими, механическими, магнитными и электронными свойствами; эти свойства можно модифицировать технологическими воздействиями. Углеродные нанотрубки находят многочисленные применения на практике. В настоящее время научились получать нанотрубки и из других материалов.

В 1980-х гг. были открыты магнитные полупроводники. Список таких материалов растет, все детальнее исследуются их свойства. Магнитные полупроводники -- перспективные материалы для приборов спинтроники. Спинтроника -- область наноэлектроники, в которой наряду с зарядом электрона используется для хранения и обработки информации его спин. В настоящее время обработка информации производится полупроводниковыми ИМС, а для ее хранения массово используются твердые магнитные диски. Ферромагнитные полупроводники позволяют объединять процессы обработки и хранения информации.

К этой области примыкает открытое в 1988 г. гигантское магнитосопротивление - наноразмерный эффект в металлах и полупроводниках, связанный с наличием спина у электронов. Этот эффект проявляется, например, в снижении сопротивления последовательно чередующихся наноразмерных слоев магнитных и немагнитных металлов под действием внешнего магнитного поля. Он используется в считывающих магнитных головках для магнитных дисков, в элементах памяти.

Вблизи нижней границы нанообласти существуют материальные структуры, называемые молекулами. Известно более 3·10⁵ неорганических и около 7·10⁶ органических молекул. Среди громадного числа различающихся по составу и структуре органических молекул обнаруживается достаточно много таких, которые в определенных условиях проявляют свойства проводников, диэлектриков, магнитных материалов, приемников и излучателей света, диодов, транзисторов, элементов памяти. На основе этих предпосылок зародилась идея создания молекулярной электроники. Уже существуют простейшие молекулярные схемы. Постепенно решается сложнейшая задача создания способов присоединения контактов к отдельным молекулам. Специалисты предсказывают появление ~ в 2015 г. молекулярных компьютеров. В США вкладываются большие средства в развитие этой области. Например, Агентство перспективных оборонных исследований развернуло большую программу по созданию элементной базы молекулярного компьютера. Уже разработано несколько гипотетических схем. Если каждый транзистор будет состоять из одной молекулы, то процессор из 10⁹ таких транзисторов будет размером с песчинку. При этом производительность его возрастет в сотни или даже тысячи раз по сравнению с современными, а энергопотребление будет очень малым.

Следует отметить, что хотя теоретические основы молекулярной электроники хорошо разработаны и созданы действующие прототипы многих элементов, на пути реального изготовления молекулярных схем стоят большие сложности, и пока молекулярная электроника - только одно из перспективных направлений наноэлектроники.

Еще одно из перспективных направлений наноэлектроники связано с так называемыми квантовыми вычислениями (с созданием квантовых компьютеров).

В обычных цифровых ЭВМ информация представляется в виде последовательности символов «0» и «1». Бит информации соответствует выбору одной из этих цифр. Последовательность N цифровых битов позволяет представить любое число в интервале от 0 до 2^N - 1.

В квантовых вычислениях оперируют квантовыми битами; кратко - кубитами. Кубит - это волновая функция состояний квантовомеханической двухуровневой системы (например, состояний электронного спина ±1/2). Один кубит может передать только один бит информации. Но система из N двухуровневых квантовых элементов может находиться в суперпозиции из 2N состояний («Суперпозиция состояний» - понятие квантовой механики, отражающее одно из важнейших свойств объектов микромира).

В квантовых компьютерах информация передается, хранится и обрабатывается в виде волновой функции N кубитов. Если последовательность N цифровых битов может задать одно из 2^N чисел, то последовательность N кубитов задает все эти 2^N чисел одновременно.

Поэтому с помощью квантовых компьютеров можно решать более сложные задачи, чем с помощью обычных. Объем и скорость операций с информацией во много раз увеличивается не только благодаря уменьшению времени одной операции, но и благодаря распараллеливанию вычислений: выполняется параллельная обработка сразу всех амплитуд 2^N состояний, тогда как в классическом компьютере такая операция потребовала бы 2^N шагов. Например, квантовый компьютер с регистром из 30 кубитов может описывать систему из 2³⁰ ? 10¹⁰ элементов, тогда как обычный компьютер не сможет вычислить будущее системы из 30 электронов в потенциальной яме, если задано начальное состояние и силы взаимодействия частиц. Такие задачи могут стать актуальными в связи с необходимостью моделирования электронных процессов в приборах наноэлектроники, в том числе молекулярных схем. Одно из интересных направлений - использование в качестве состояний кубитов двух спиновых электронных состояний, например в квантовых точках в гетороструктурах А₃В₅.

Пока квантовые компьютеры - гипотетические устройства. Разработаны квантовые алгоритмы вычислений для некоторых простых задач (например, разложение n-значного числа на простые множители) и созданы компьютеры с небольшими регистрами из нескольких кубитов.

Многие научные и технические разработки, открывающие перспективы создания наноэлектронных элементов, функционирующих на новых принципах, были бы трудно реализуемыми на практике, если бы не сопровождались разработками соответствующей исследовательской и технологической аппаратуры. К такой аппаратуре относятся прежде всего сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и сканирующий атомно-силовой микроскоп (АСМ).

Сканирующий туннельный микроскоп (1981) дает изображение металлических и полупроводниковых поверхностей с атомным разрешением. Он позволяет перемещать отдельные атомы вдоль поверхности, переносить их и помещать в заданные точки, производить поштучную укладку атомов и молекул, синтез и разложение отдельных молекул. Разработаны новые методы исследования морфологии поверхностей и распределения физических свойств поверхностей с атомным разрешением, а также методы локальной обработки и модификации поверхностей в масштабе единиц нанометров.

Сканирующий атомно-силовой микроскоп (1986) - это многофункциональный инструмент. Он дает, как и СТМ, изображение поверхностей с атомным разрешением. Используется для исследования морфологии поверхностей, распределений приповерхностных силовых и температурных полей, распределений физических свойств поверхностей и для исследования поверхностных процессов (например, травления). Используется, как и СТМ, для локальных модификаций поверхностей в нанометровом масштабе. На основе АСМ ведутся разработки ультраплотной записи информации и сверхчувствительных сенсоров.

Сканирующие зондовые микроскопы играют такую большую роль в нанотехнологиях, что их называют глазами и пальцами нанотехнологий.

В настоящей главе перечислены далеко не все достижения науки, позволяющие заложить основы современной наноэлектроники. Однако перечисленного достаточно, чтобы увидеть обилие и значимость таких достижений. Еще больше имеется частных технических достижений, которые позволяют во многих случаях достаточно быстро воплощать научные разработки в практику. В заключение отметим, что рассматриваемые в данной главе направления науки относятся к наиболее актуальным. В соответствии с индексом актуальности Хирта-Бэнкса (h-b-индекс) эти направления занимают первые позиции, располагаясь в порядке: углеродные трубки, нанопроводники, квантовые точки, фуллерены, гигантский магниторезистивный эффект, М-теория (микромир), квантовые вычисления. Индекс h-b определяется скоростью публикаций статей в рассматриваемом направлении, на каждую из которых имеется не менее 10 ссылок [1].

Вывод

Наноэлектроника - одно из наиболее судьбоносных для развития цивилизации научно-технических направлений. В не столь отдаленном будущем оно коренным образом изменит все важнейшие характеристики электронной аппаратуры, значительно ускорит создание эффективных систем управления глобальными экономическими, социальными и экологическими процессами и существенно улучшит качество жизни человека. Наноэлектроника несомненно станет инструментальной базой реализации проектов искусственного интеллекта и позволит создавать «разумные» роботы микро- и наноразмеров.

Глобальный интерес к наноматериалам и нанотехнологиям способствует улучшению качества уже существующих продуктов. По мере открытия новых удивительных свойств наноматериалов растут инвестиции в развитие потенциально очень выгодных нанотехнологий.

Хотя многие перспективы сегодня все еще относятся к области фантастики, вполне возможно, что уже завтра они будут претворены в реальность. В нанотехнологиях даже крошечные шажки могут привести к большим прорывам.

Список литературы

1. Лозовский В. Н., Константинова Г. С, Лозовский С. В. Нанотехнология в электронике. Введение в специальность: Учебное пособие. 2-е изд., испр. - СПб.: Издательство «Лань», 2008. - 336 с.: ил. - (Учебники для вузов. Специальная литература).

2. Л. Уильямс, У. Адамс Нанотехнологии без тайн. Путеводитель. М.: McGraw-Hill (Перевод), 2010. - 365 с.

3. Нанотехнология -- Википедия [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://ru.wikipedia.org

Размещено на Allbest.ru