eng
Выпуск #2/2007
В.Телец, С.Алфимов, А.Иванов, Ю.Митин, А.Борисов, Е.Истомин.
Прикладные аспекты нанотехнологий
Прикладные аспекты нанотехнологий
Просмотры: 2571
История общественного прогресса знает немало примеров успешного прогноза развития тех или иных областей науки, техники, технологий. Не стала исключением и нанотехнология.
В середине ХХ века один из создателей американской термоядерной бомбы Э.Теллер сформулировал тезис: "Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия" Его соотечественник, лауреат Нобелевской премии 1965 года Р.Фейнман высказался по проблеме фактически в том же ключе:
"Контроль и управление строением вещества в очень малых размерах являют малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной и может найти множество ценных технических применений…" [1].
Оба эти тезиса получили подтверждение в середине и второй половине 1980-х годов в результате бурного развития зондовой микроскопии, когда выяснилась принципиальная возможность целенаправленного манипулирования отдельными атомами вещества, и были представлены первые практические результаты освоения азов нанотехнологии.
Исходя из опыта первых двух научно-технических революций – промышленной и электронной – стало ясно, что человечество стоит на пороге третьей революции, но уже в области нанообъектов (нанотехнологий).
Стремительность процессов и обширность направлений в этой сфере таковы, что могут изменить облик мира уже в ближайшие десятилетия [2]. Это означает, что времени для бесплодных сомнений нет. Актуальность прикладных аспектов нанотехнологий Э.Дрекслер предрекал еще 20 лет назад: "Мощь нанотехнологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства" [3].
Какой же характер, мирный или угрожающий, принимает активное развитие нанотехнологий?
Поиск ответа на этот вопрос можно начать с определений, которых достаточно много [4, 5], поскольку ученые и технологи пока не договорились об их канонических формах. Ниже представлены наиболее распространенные и принятые определения в области нанотехнологии.
Нанотехнология – технология общего назначения, обещающая радикальное преобразование в науке, промышленности, экономике, военном деле.
Нанотехнология – ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой.
Нанотехнология – совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой.
Наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе нанотехнологий и наноматериалов функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинально отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям электроники при использовании микро- и макрообъемов веществ.
Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками, обусловленными эффектами масштабирования.
Любое из приведенных определений не меняет сути нанотехнологии, как технологии, обеспечивающей возможность управляемого и контролируемого создания и модифицирования объектов с размерами менее 10-9-м с целью достижения принципиально новых качеств, и интеграцию их в системы, в том числе большего масштаба.
Очевидно также, что нанотехнологии и наноэлектроника не представляют собой угрозу как таковые, а являются закономерным этапом научно-технического прогресса, в который отечественные ученые и специалисты интегрированы уже более 20 лет (рис.1).
Одним из ярких подтверждений мирового развития и распространения нанотехнологий становится целенаправленное увеличение объемов финансирования и резкий рост числа публикаций и внедрений (рис.2) [6].
Зарубежные и отечественные исследователи и технологи прошли за этот период достаточно большой путь от первых операций в области растрово-туннельной и атомно-силовой микроскопии, перемещения единичных атомов и формирования композиций из нанотрубок до создания на их основе наноэлектронных устройств (элементов логики и памяти большой емкости, транзисторов, источников электропитания, суперконденсаторов, преобразователей физических величин, датчиков и т.п.).
В настоящее время более 50 стран мира инвестируют в развитие и освоение нанотехнологий до 14 млрд. долл. В развитых странах – это задача национального значения и ей отводится одна из первых строк в бюджете. Интересно отметить, что ЮАР финансирует такие исследования из прибыли от экспорта алмазов [7].
Основной потенциальной угрозой безопасности для России является не мировое развитие и внедрение наноэлектроники, а возможное отставание в этой области. В современных условиях наша страна приняла вызов и вступила "добровольно-принудительно" в мировую технологическую гонку нанотехнологий.
Добровольно – потому, что совершенствование технологий является естественным процессом, стимулирующим развитие технико-экономического потенциала страны и ее социальной сферы через улучшение потребительских свойств конкурентоспособных товаров и услуг (рис.3) [5]. По прогнозам, к 2015 году годовой оборот мирового рынка нанотехнологий достигнет 1-трлн. долл. [8], причем производственно-технологической основой нанотехнологий являются важнейшие направления науки и техники, непосредственно влияющие на развитие национальных критических и базовых военных технологий (рис.4).
Принудительно – потому, что научно-технический прогресс и военно-экономическая мощь государства – категории неразделимые. Для России в нынешнем ее положении – это очередной вызов, который исходит от процессов мировой глобализации, в том числе в науке и технологиях.
Именно поэтому Правительством РФ 25 августа 2006-года принято Распоряжение №1188-Р "О Программе координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации". Россия, обладающая большой территорией и богатыми запасами недр, не имеет права на необратимое технологическое отставание.
Во-первых, без участия в процессе внедрения и использования нанотехнологий России просто не останется места на мировом рынке высокотехнологичных продуктов труда.
Во-вторых, военную агрессию против России, по-прежнему, по мнению ряда экспертов, сдерживает лишь боязнь ответного удара. Но значение ядерного оружия скоро будет определяться не столько его наличием, сколько уровнем информационно-технологического обеспечения применения.
Прорыв в сфере нанотехнологий, по мнению аналитиков, приведет к не имеющему аналогов симбиозу "искусственного интеллекта" и оружия. Еще в 1995 году заместитель председателя Комитета начальников штабов США адмирал Д.Джеримайя заявил: "Военные приложения молекулярного производства несут в себе больший, чем ядерное оружие, потенциал для радикальных перемен в имеющемся балансе сил".
Нарушение баланса сил позволит странам-лидерам диктовать свою волю технологическим аутсайдерам и спровоцирует более сильного безнаказанно использовать военно-технологическое преимущество для достижения цели. В результате рухнет доктрина эффективного сдерживания.
В 2000 году США свой выбор сделали [9]. В "Национальной нанотехнологической инициативе" (программа исследований и разработок в области нанотехнологий) сформулирована задача создания к 2015 году новой отрасли на 2-млн. рабочих мест с годовым оборотом в 15 млрд. долл. Цель – лидерство в коммерциализации нанотехнологий и обеспечение абсолютного военно-технического превосходства США над любой страной мира.
Как свидетельствует анализ открытой информации, приоритеты отданы малозаметным непилотируемым боевым платформам для ведения всепогодной разведки и скрытного применения высокоточного оружия, оружию направленной и электромагнитной энергии, боевым роботам, совершенствованию и "интеллектуализации" экипировки, созданию новых болезнетворных вирусов, гибридов живых и искусственных устройств.
В качестве прототипа высокотехнологичного "электронного поля боя" может быть рассмотрена Перспективная боевая система – FCS (Future Combat Systems) [10], состоящая из 18 подсистем, объединенных в сеть: солдат, коммуникации и средства связи, наземные боевые машины, беспилотные летательные аппараты и наземные машины (рис.5). Принятие FCS на вооружение армией США планируется на рубеже 2015 года.
Предполагается, что электронной основой элементов FCS станут наноэлектронные комплектующие, находящиеся в стадии разработки. Результаты ряда исследований, технологический облик и потенциальный технический уровень будущей наноэлектронной компонентной базы можно представить из приведенных ниже примеров.
В начале нового десятилетия рядом американских исследовательских организаций представлены результаты экспериментов по созданию одно- и двухатомарных наноструктур, обладающих свойствами полевых транзисторов [11].
На рис.6 (слева) представлен полевой нанотранзистор, состоящий из двух атомов ванадия. Нанотранзистор на основе одного атома кобальта изготовлен путем помещения золотого проводника толщиной примерно 10-нм на кремниевую подложку и покрытия сложным органическим соединением. В проводнике проделывалось отверстие диаметром примерно 1-нм, в него помещалось органическое соединение с атомом кобальта. В результате были получены электроды истока и стока. В качестве изолятора использован диоксид кремния [12].
Аналогично создавался одноатомный транзистор, между золотыми электродами которого помещали молекулы ванадия, а в роли изолятора использовался оксид алюминия.
Исследователи установили, что ток протекает через нанотранзисторы только при подаче определенного напряжения, а при помещении их в магнитное поле, количество электронов увеличивалось. Изменение электронных свойств одноатомных транзисторов осуществлялось путем изменения химического состава органического соединения.
Таким образом, впервые были получены "живые" управляемые наноэлектронные структуры.
Для построения сверхбыстродействующего нанотранзистора [13] на IBM (США) использовались углеродные нанотрубки (цилиндрические структуры в 105 раз тоньше человеческого волоса с прочностью на порядок выше чем у стали).
Компания GE (США) сообщила о создании наноструктуры, пригодной для работы в качестве диода и транзистора [14]. Нанодиод выполнен по обычной схеме путем соединения двух полупроводников с электронной и дырочной проводимостью. Тип проводимости в углеродной нанотрубке, как и в обычных кремниевых транзисторах, задавался с помощью электрического поля путем создания избытка или недостатка электронов. Для этого в нанодиод вводился миниатюрный электрод с разделенным на две части затвором. Два расположенных в одной плоскости затвора соединялись с двумя половинами нанотрубки и образовывали устройство, похожее на полевой транзистор, где затвор также разделен на две независимые части.
Полученный p-n-переход нанодиода функционировал при подаче на один затвор положительного напряжения, а на другой – отрицательного. Если на затворы подавалось только положительное или только отрицательное напряжение, наноструктура работала в режиме транзистора по схеме p-n-p или n-p-n (в зависимости от знака приложенного напряжения).
Подобный способ построения нанотранзистора использовался учеными университетов в Сан-Диего и Клемсона (США). Им удалось изготовить транзистор из углеродных нанотрубок (рис.6, справа) [15]. Наноструктура функционирует так же, как и обычные полевые МОП-структуры. Основная ("прямая") углеродная нанотрубка получена путем химического осаждения. Введение катализатора в виде покрытых титаном наночастиц железа стимулировало рост дополнительной ветви. В результате нанотрубка приобрела форму буквы "Y", а катализатор постепенно поглотился соединением "стебля" и двух "ветвей".
Когда к разветвленным концам нанотрубки были присоединены электрические контакты, электроны перелетали через частицу катализатора из одного ответвления и попадали в другое, направленное наружу. Исследования показали, что движением электронов через Y-соединение можно прецизионно управлять, подавая напряжение на "стебель". Положительный заряд, приложенный к "стеблю", увеличивает поток электронов (включение), а при изменении полярности движение электронов прекращается (выключение).
Эксперты ожидают, что транзисторы на основе нанотрубок станут на порядок компактнее кремниевых, а благодаря отсутствию в них классической кристаллической структуры исчезнут и шумы, порождаемые "плазмонным резонансом" (плазмоны – коллективные колебания свободных электронов).
"Наноаналог" простейшей типовой микросхемы кольцевого генератора (рис.7) обладает высокой воспроизводимостью параметров, минимумом привносимых дефектов и выполнен на основе единственной однослойной углеродной нанотрубки, свернутой в кольцо [16].
На рис.8 показана топологическая структура ячейки флэш-памяти на основе углеродных нанотрубок, которая функционирует при нормальной температуре [17]. Структура позволяет создавать одноуровневые (SLC) и многоуровневые (MLC) ячейки для двух основных типов флэш-памяти – NOR и NAND, в типовом исполнении которых в качестве элементарных ячеек хранения информации используются полевые транзисторы с плавающим затвором (двухзатворные полевые МОП-транзисторы).
Трехмерная (3D) схема нанопамяти получена путем последовательного наращивания рабочих слоев кристалла [18]. В архитектуре (рис.9) молекулярные переключатели образуются на пересечении нанопроводов, между которыми при подаче напряжения возникают проводящие мостики, способные аккумулировать заряды и информацию. Логических взаимосвязей между слоями может быть множество, а значит, объем памяти можно наращивать "ввысь" практически неограниченно.
В гибких экранах и дисплеях нового поколения нашла применение уникальная "нанокожа" из полимерных нанокомпозитов и углеродных нанотрубок [13,19,20].
Нанокомпозит получают методом осаждения из газовой фазы – испарением при высокой температуре углерода, который осаждается на более холодную кремниевую подложку. Полученный слой заливают жидким полидиметилсилоксаном. После кристаллизации полимер усиливается нанотрубками и превращается в нанокомпозит, который отделяют от подложки, и получается готовый материал (рис.10). Для заданной ориентации нанотрубок на подложке на кремний литографией наносится слой диоксида кремния. На чистом кремнии нанотрубки не образуются. Новый материал уже находит применение при создании тонких гибких дисплеев и "электронной бумаги".
Эксперты полагают, что гибкие дисплеи на базе углеродных нанотрубок к 2010 году должны вытеснить с рынка другие виды дисплеев, поскольку обладают лучшими характеристиками и намного тоньше жидкокристаллических аналогов.
Используемые в дисплеях органические полимеры с микроскопической молекулярной структурой обладают высокой природной проводимостью и после процесса легирования (введения дозированного количества примесей) приобретают свойства полупроводников, становясь пригодными для создания тонкопленочных транзисторов, встроенных в гибкую подложку. Это позволит в будущем производить гибкие дисплеи, сворачивающиеся в трубочку, реализовав идею создания "электронных газет".
Для построения дисплеев на "квантовых точках" или "фотонных нанокристаллах" (гигантских молекулах из 103…105 атомов со свойствами единичных атомов и выраженными квантовыми эффектами) используются неорганические полупроводниковые наноматериалы (Si, InP, CdSe и др.) [21]. В основу их работы положен эффект свечения "квантовых точек" в зависимости от их размеров различными цветами с высокой чистотой спектра. Например, наноструктура диаметром 6 нм светится красным цветом, а 2 нм – голубым.
Прототип "квантового дисплея" представляет собой монохромный экран размером 32×64-пикселя, но изображение на нем можно видеть при ярком солнечном свете, а потребление энергии в 30 раз меньше, чем у аналогичных ЖК-дисплеев.
"Квантовые точки" используют также в детекторах ИК-излучения с длиной волны 8-2-мкм приборов ночного видения нового поколения, которые втрое дешевле и чувствительнее существующих (рис.11) [22]. "Квантовые точки" в них можно представить в виде пирамиды 20×4-нм (сердцевина из арсенида индия, покрытого арсенидом галлия и сплавом индия с арсенидом галлия), способной фиксировать ИК-излучение под любым углом [23]. Изменяя состав пирамид, можно использовать их в лазерах, оптических усилителях, туннельных диодах и транзисторах.
Нанолазер [15,24] на "квантовой точке" на основе полупрозрачного диэлектрика с десятками тысяч распределенных наноотверстий, образующих световые слои, осуществляет управление лучом без дополнительной фокусировки (рис.12). Кристаллы работают как оптические резонаторы, в которых каждая дырка является микроскопическим зеркалом, усиливающим световой пучок, испускаемый полупроводником. Отверстия пропускают световые волны заданной длины, а остальные частично отражаются или поглощаются. При звуковом воздействии, например, длина световой волны и направление ее распространения могут изменяться.
Нанолазер на основе коллоидных "квантовых точек" может обеспечить оптическую передачу ИК-сигнала внутри объема трехмерной СБИС [25]. Для этого наночастицы полупроводника, взвешенные в растворителе, наносят тонким слоем на кремниевую подложку, как на краску, и высушивают горячим воздухом. После подачи напряжения нанолазер генерирует ИК-сигнал с длинной волны 1,5 мкм, который передается по оптоволоконному каналу.
Оптические нановолноводы (рис.13) на основе кристаллического SnO2 передают свет от одного устройства к другому в различных спектрах и имеют оптимальные размеры для передачи и управления светом в видимом и УФ- диапазонах при малых значениях оптических потерь [15].
Наноконденсаторы [15] способны накапливать и выдавать в импульсе мощность 30-кВт/кг (современные конденсаторы – 4 кВт/кг), поскольку гребенчатые наноструктуры обладают намного большей совокупной площадью, чем пластины традиционного конденсатора (рис.14).
Один из вариантов получения нанопровода толщиной 20-нм с высокой электропроводимостью – сплавление кремния с никелем при температуре 550-0C [26]. Для обеспечения совместимости нанопроводов с полупроводниковыми наноструктурами никель наносят на одну половину кремниевой заготовки, оставляя другую для организации соединения (рис.15, вверху слева). Ожидается, что применение нанопроводов, например, в СБИС оперативных запоминающих устройств позволит сократить площадь внутренних межсоединений и увеличить за счет этого количество ячеек памяти более чем в 104 раз.
Как уже отмечалось, расположив два нанопровода крест-накрест один над другим можно получить нанотранзистор или нанодиод (рис.9). Другая основа для их получения – "полосатые" нанопровода с зонами различной проводимости (рис.15, внизу слева). Фактически – это готовые диоды и транзисторы, которые выращивают из микрокапелек расплавленного золота, разбрызганного на поверхности кремниевой подложки, и осажденного испарением наноматериала полупроводника (например, фосфида индия).
Когда его концентрация при растворении в каплях достигает определенного значения, начинается рост "цилиндра" нанопровода с диаметром золотой капли. Изменяя состав испаряемой примеси, можно чередовать состав слоев растущего цилиндра-провода с различными физическими свойствами в зоне перехода слоя в слой. Чем медленнее протекает рост нанопровода, тем точнее можно контролировать состав образуемых слоев с различными типами проводимости и формировать четкие границы между ними.
Наносветодиоды получают в области пересечения нанопроволок или нанотрубок (эффект "квантовой точки") (рис.16, вверху). Излучение происходит в зоне накопления заряда на пересечении нанопроволок из p-Si и n-InP (и-других полупроводников с проводимостью n-типа: n-GaN, n-CdS, n-CdSe и т.п.).
Ток, подаваемый на "квантовую точку", подбирается таким образом, чтобы в рекомбинации участвовала только одна пара "электрон-дырка". В результате происходит испускание фотона (рис.16, внизу). Если наносветодиод испустит два фотона, они будут иметь разную длину волны, что позволит отсечь "лишнюю частицу" при помощи фильтра [27].
Для передачи световых волн видимого диапазона может использоваться коаксиальный нанокабель диаметром около 300-нм. Его конструкция аналогична обычному коаксиальному кабелю и предполагает соосное расположение центрального проводника из углеродных нанотрубок в изоляторе из пленки оксида алюминия и внешней проволочной оплетки из хрома или алюминия.
Наноматериалы [28] нашли применение в источниках вторичного электропитания (рис.17, вверху): топливном (в 10 раз превышает энергию литий-ионной батареи); литий-ионном с наноприсадкой в материале отрицательного электрода (105 циклов заряда-разряда, работа при -40-0С); электролитном (срок хранения батареи 20 лет).
В топливном источнике электрическая энергия трансформируется из энергии, выделившейся при взаимодействии кислорода и водорода, по отработанной схеме: выделяется водород из жидкого топлива (метанола, бутана, очищенных бензина и дизельного топлива) и окисляется кислородом воздуха.
В качестве отрицательного электрода в топливном источнике используется карбонная нанотрубка, что позволяет получить на 20% больше электрической энергии, чем при использовании электродов из активированного углерода. Количество полученной электроэнергии на порядок превышает энергию, выделяемую литий-ионной батареей того же объема, причем энергоемкость такого топливного источника питания достаточна для использования в качестве аккумулятора для работы ноутбука в течение нескольких дней или мобильного телефона в течение месяца.
В литий-ионных топливных элементах наноприсадки быстро собирают (что обеспечивает в десятки раз их более быструю зарядку) и долго хранят ионы лития. За одну минуту такую батарею можно заправить на 80%, а полная емкость аккумулятора 600 мА×ч заполняется за единицы минут. За 1000 циклов заряда-разряда она теряет 1% своей емкости и способна работать при -40-0С (емкость батареи составит 80% относительно 100% в нормальных условиях).
В электролитных элементах осуществляется смачивание каплей электролита "ворсистой" поверхности нанобатареи, состоящей из множества "волосков" диаметром 50-150 нм – например "нанотравы" из оксида цинка (рис.17, внизу) [29]. Такие наноструктуры, благодаря большой совокупной площади поверхности "волосков", обладают повышенными гидрофобными и гидрофильными свойствами, что позволяет в сотни раз увеличить смачиваемую электролитом поверхность нанобатареи, а значит – площадь образования заряда.
Свойства "нанотравы" из оксида цинка таковы, что созданная поверхность способна мгновенно переходить из гидрофобного в гидрофильное состояние под действием ультрафиолета, радиоизлучения, звукового давления, импульса напряжения и т.п. До этого капелька электролита находится над "нанотравой", не взаимодействуя с ней. Указанные воздействия приводят ее в подвижное состояние, что заставляет ее проникнуть в пространство точно между "нановолосками", увеличив площадь поверхности, на которой электролит взаимодействует с наноматериалом батареи, вызывая электрический ток. В результате в нанобатарее обеспечивается направленная химическая реакция в реальном масштабе времени.
Ворсистая структура в виде наноструктурированных столбиков диаметром 350-нм и высотой 7-мкм может быть выращена на пластине кремния [30]. Расстояние между столбиками 1-4-мкм. Упорядоченность структуры достигается травлением кремния в плазме через маску из фоторезиста и выращиванием на ней тонкого слоя диэлектрика (оксида кремния). Сверху наноструктура покрывается нанослоем гидрофобного полимера. Площадь касания капель электролита с "нанотравой" в такой конструкции мала, поэтому они очень подвижны и легко управляемы.
Подобные структуры планируется использовать не только в нанобатареях и акумуляторах, но и для охлаждения микрочипов, в оптических компонентах оптоволоконных сетей и других изделиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://www.aforismo.ru
2. Алексенко А.Г. "Наноиндустрия как научно-техническая основа микросистем". – http://www.chipnews.ru/html.cgi
3. Дрекслер Э. "Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии" (русск. пер.). – http://mikeai.nm.ru/russian/eoc/eoc.html
4. http://www.cnews аnalytics.ru
5. http://www.nanonewsnet.ru
6. http://www.innovations-report.com
7. http://www.sani.org.za
8. http://www.rian.ru/technology
9. http://www.house.gov/science
10. http://www.nextwar.ru
11. http://www.internet news.ru
12. http://www.phisicsweb.compulenta.ru
13. http://www.newscientist.ru
14. http://www.membrana.ru/articles/technic.html
15. http://www.рhisicsweb.org/article/news
16. http://www.terralab.ru/news
17. http://www.polyu.edu.hk
18. http://www.eetimes.com/news/semi
19. http://www.news.rpi.edu/update.do
20. http://www.scitation.aip.org
21. http://www.mobiledevice.ru
22. http://www.zduet.com
23. http://www.usk.edu.dept/ingineering/news
24. http://www.lucent.com/press
25. http://www.eurekalert.org/pub_realeases
26. http://www.sciteclibrary.ru
27. http://www.ledproducts/posts/view
28. http://www.science.compulenta.ru
29. http://www.computerra.ru
30. http://regionline.by.ru
"Контроль и управление строением вещества в очень малых размерах являют малоизученную область физики, которая представляется весьма важной и перспективной и может найти множество ценных технических применений…" [1].
Оба эти тезиса получили подтверждение в середине и второй половине 1980-х годов в результате бурного развития зондовой микроскопии, когда выяснилась принципиальная возможность целенаправленного манипулирования отдельными атомами вещества, и были представлены первые практические результаты освоения азов нанотехнологии.
Исходя из опыта первых двух научно-технических революций – промышленной и электронной – стало ясно, что человечество стоит на пороге третьей революции, но уже в области нанообъектов (нанотехнологий).
Стремительность процессов и обширность направлений в этой сфере таковы, что могут изменить облик мира уже в ближайшие десятилетия [2]. Это означает, что времени для бесплодных сомнений нет. Актуальность прикладных аспектов нанотехнологий Э.Дрекслер предрекал еще 20 лет назад: "Мощь нанотехнологий можно обратить и на создание военной силы. Перспектива создания новых вооружений и их быстрого производства является причиной для серьезного беспокойства" [3].
Какой же характер, мирный или угрожающий, принимает активное развитие нанотехнологий?
Поиск ответа на этот вопрос можно начать с определений, которых достаточно много [4, 5], поскольку ученые и технологи пока не договорились об их канонических формах. Ниже представлены наиболее распространенные и принятые определения в области нанотехнологии.
Нанотехнология – технология общего назначения, обещающая радикальное преобразование в науке, промышленности, экономике, военном деле.
Нанотехнология – ожидаемая технология производства, ориентированная на дешевое получение устройств и веществ с заранее заданной атомарной структурой.
Нанотехнология – совокупность методов и приемов манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровнях с целью производства конечных продуктов с заранее заданной атомной структурой.
Наносистемная техника – полностью или частично созданные на основе нанотехнологий и наноматериалов функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинально отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям электроники при использовании микро- и макрообъемов веществ.
Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками, обусловленными эффектами масштабирования.
Любое из приведенных определений не меняет сути нанотехнологии, как технологии, обеспечивающей возможность управляемого и контролируемого создания и модифицирования объектов с размерами менее 10-9-м с целью достижения принципиально новых качеств, и интеграцию их в системы, в том числе большего масштаба.
Очевидно также, что нанотехнологии и наноэлектроника не представляют собой угрозу как таковые, а являются закономерным этапом научно-технического прогресса, в который отечественные ученые и специалисты интегрированы уже более 20 лет (рис.1).
Одним из ярких подтверждений мирового развития и распространения нанотехнологий становится целенаправленное увеличение объемов финансирования и резкий рост числа публикаций и внедрений (рис.2) [6].
Зарубежные и отечественные исследователи и технологи прошли за этот период достаточно большой путь от первых операций в области растрово-туннельной и атомно-силовой микроскопии, перемещения единичных атомов и формирования композиций из нанотрубок до создания на их основе наноэлектронных устройств (элементов логики и памяти большой емкости, транзисторов, источников электропитания, суперконденсаторов, преобразователей физических величин, датчиков и т.п.).
В настоящее время более 50 стран мира инвестируют в развитие и освоение нанотехнологий до 14 млрд. долл. В развитых странах – это задача национального значения и ей отводится одна из первых строк в бюджете. Интересно отметить, что ЮАР финансирует такие исследования из прибыли от экспорта алмазов [7].
Основной потенциальной угрозой безопасности для России является не мировое развитие и внедрение наноэлектроники, а возможное отставание в этой области. В современных условиях наша страна приняла вызов и вступила "добровольно-принудительно" в мировую технологическую гонку нанотехнологий.
Добровольно – потому, что совершенствование технологий является естественным процессом, стимулирующим развитие технико-экономического потенциала страны и ее социальной сферы через улучшение потребительских свойств конкурентоспособных товаров и услуг (рис.3) [5]. По прогнозам, к 2015 году годовой оборот мирового рынка нанотехнологий достигнет 1-трлн. долл. [8], причем производственно-технологической основой нанотехнологий являются важнейшие направления науки и техники, непосредственно влияющие на развитие национальных критических и базовых военных технологий (рис.4).
Принудительно – потому, что научно-технический прогресс и военно-экономическая мощь государства – категории неразделимые. Для России в нынешнем ее положении – это очередной вызов, который исходит от процессов мировой глобализации, в том числе в науке и технологиях.
Именно поэтому Правительством РФ 25 августа 2006-года принято Распоряжение №1188-Р "О Программе координации работ в области нанотехнологий и наноматериалов в Российской Федерации". Россия, обладающая большой территорией и богатыми запасами недр, не имеет права на необратимое технологическое отставание.
Во-первых, без участия в процессе внедрения и использования нанотехнологий России просто не останется места на мировом рынке высокотехнологичных продуктов труда.
Во-вторых, военную агрессию против России, по-прежнему, по мнению ряда экспертов, сдерживает лишь боязнь ответного удара. Но значение ядерного оружия скоро будет определяться не столько его наличием, сколько уровнем информационно-технологического обеспечения применения.
Прорыв в сфере нанотехнологий, по мнению аналитиков, приведет к не имеющему аналогов симбиозу "искусственного интеллекта" и оружия. Еще в 1995 году заместитель председателя Комитета начальников штабов США адмирал Д.Джеримайя заявил: "Военные приложения молекулярного производства несут в себе больший, чем ядерное оружие, потенциал для радикальных перемен в имеющемся балансе сил".
Нарушение баланса сил позволит странам-лидерам диктовать свою волю технологическим аутсайдерам и спровоцирует более сильного безнаказанно использовать военно-технологическое преимущество для достижения цели. В результате рухнет доктрина эффективного сдерживания.
В 2000 году США свой выбор сделали [9]. В "Национальной нанотехнологической инициативе" (программа исследований и разработок в области нанотехнологий) сформулирована задача создания к 2015 году новой отрасли на 2-млн. рабочих мест с годовым оборотом в 15 млрд. долл. Цель – лидерство в коммерциализации нанотехнологий и обеспечение абсолютного военно-технического превосходства США над любой страной мира.
Как свидетельствует анализ открытой информации, приоритеты отданы малозаметным непилотируемым боевым платформам для ведения всепогодной разведки и скрытного применения высокоточного оружия, оружию направленной и электромагнитной энергии, боевым роботам, совершенствованию и "интеллектуализации" экипировки, созданию новых болезнетворных вирусов, гибридов живых и искусственных устройств.
В качестве прототипа высокотехнологичного "электронного поля боя" может быть рассмотрена Перспективная боевая система – FCS (Future Combat Systems) [10], состоящая из 18 подсистем, объединенных в сеть: солдат, коммуникации и средства связи, наземные боевые машины, беспилотные летательные аппараты и наземные машины (рис.5). Принятие FCS на вооружение армией США планируется на рубеже 2015 года.
Предполагается, что электронной основой элементов FCS станут наноэлектронные комплектующие, находящиеся в стадии разработки. Результаты ряда исследований, технологический облик и потенциальный технический уровень будущей наноэлектронной компонентной базы можно представить из приведенных ниже примеров.
В начале нового десятилетия рядом американских исследовательских организаций представлены результаты экспериментов по созданию одно- и двухатомарных наноструктур, обладающих свойствами полевых транзисторов [11].
На рис.6 (слева) представлен полевой нанотранзистор, состоящий из двух атомов ванадия. Нанотранзистор на основе одного атома кобальта изготовлен путем помещения золотого проводника толщиной примерно 10-нм на кремниевую подложку и покрытия сложным органическим соединением. В проводнике проделывалось отверстие диаметром примерно 1-нм, в него помещалось органическое соединение с атомом кобальта. В результате были получены электроды истока и стока. В качестве изолятора использован диоксид кремния [12].
Аналогично создавался одноатомный транзистор, между золотыми электродами которого помещали молекулы ванадия, а в роли изолятора использовался оксид алюминия.
Исследователи установили, что ток протекает через нанотранзисторы только при подаче определенного напряжения, а при помещении их в магнитное поле, количество электронов увеличивалось. Изменение электронных свойств одноатомных транзисторов осуществлялось путем изменения химического состава органического соединения.
Таким образом, впервые были получены "живые" управляемые наноэлектронные структуры.
Для построения сверхбыстродействующего нанотранзистора [13] на IBM (США) использовались углеродные нанотрубки (цилиндрические структуры в 105 раз тоньше человеческого волоса с прочностью на порядок выше чем у стали).
Компания GE (США) сообщила о создании наноструктуры, пригодной для работы в качестве диода и транзистора [14]. Нанодиод выполнен по обычной схеме путем соединения двух полупроводников с электронной и дырочной проводимостью. Тип проводимости в углеродной нанотрубке, как и в обычных кремниевых транзисторах, задавался с помощью электрического поля путем создания избытка или недостатка электронов. Для этого в нанодиод вводился миниатюрный электрод с разделенным на две части затвором. Два расположенных в одной плоскости затвора соединялись с двумя половинами нанотрубки и образовывали устройство, похожее на полевой транзистор, где затвор также разделен на две независимые части.
Полученный p-n-переход нанодиода функционировал при подаче на один затвор положительного напряжения, а на другой – отрицательного. Если на затворы подавалось только положительное или только отрицательное напряжение, наноструктура работала в режиме транзистора по схеме p-n-p или n-p-n (в зависимости от знака приложенного напряжения).
Подобный способ построения нанотранзистора использовался учеными университетов в Сан-Диего и Клемсона (США). Им удалось изготовить транзистор из углеродных нанотрубок (рис.6, справа) [15]. Наноструктура функционирует так же, как и обычные полевые МОП-структуры. Основная ("прямая") углеродная нанотрубка получена путем химического осаждения. Введение катализатора в виде покрытых титаном наночастиц железа стимулировало рост дополнительной ветви. В результате нанотрубка приобрела форму буквы "Y", а катализатор постепенно поглотился соединением "стебля" и двух "ветвей".
Когда к разветвленным концам нанотрубки были присоединены электрические контакты, электроны перелетали через частицу катализатора из одного ответвления и попадали в другое, направленное наружу. Исследования показали, что движением электронов через Y-соединение можно прецизионно управлять, подавая напряжение на "стебель". Положительный заряд, приложенный к "стеблю", увеличивает поток электронов (включение), а при изменении полярности движение электронов прекращается (выключение).
Эксперты ожидают, что транзисторы на основе нанотрубок станут на порядок компактнее кремниевых, а благодаря отсутствию в них классической кристаллической структуры исчезнут и шумы, порождаемые "плазмонным резонансом" (плазмоны – коллективные колебания свободных электронов).
"Наноаналог" простейшей типовой микросхемы кольцевого генератора (рис.7) обладает высокой воспроизводимостью параметров, минимумом привносимых дефектов и выполнен на основе единственной однослойной углеродной нанотрубки, свернутой в кольцо [16].
На рис.8 показана топологическая структура ячейки флэш-памяти на основе углеродных нанотрубок, которая функционирует при нормальной температуре [17]. Структура позволяет создавать одноуровневые (SLC) и многоуровневые (MLC) ячейки для двух основных типов флэш-памяти – NOR и NAND, в типовом исполнении которых в качестве элементарных ячеек хранения информации используются полевые транзисторы с плавающим затвором (двухзатворные полевые МОП-транзисторы).
Трехмерная (3D) схема нанопамяти получена путем последовательного наращивания рабочих слоев кристалла [18]. В архитектуре (рис.9) молекулярные переключатели образуются на пересечении нанопроводов, между которыми при подаче напряжения возникают проводящие мостики, способные аккумулировать заряды и информацию. Логических взаимосвязей между слоями может быть множество, а значит, объем памяти можно наращивать "ввысь" практически неограниченно.
В гибких экранах и дисплеях нового поколения нашла применение уникальная "нанокожа" из полимерных нанокомпозитов и углеродных нанотрубок [13,19,20].
Нанокомпозит получают методом осаждения из газовой фазы – испарением при высокой температуре углерода, который осаждается на более холодную кремниевую подложку. Полученный слой заливают жидким полидиметилсилоксаном. После кристаллизации полимер усиливается нанотрубками и превращается в нанокомпозит, который отделяют от подложки, и получается готовый материал (рис.10). Для заданной ориентации нанотрубок на подложке на кремний литографией наносится слой диоксида кремния. На чистом кремнии нанотрубки не образуются. Новый материал уже находит применение при создании тонких гибких дисплеев и "электронной бумаги".
Эксперты полагают, что гибкие дисплеи на базе углеродных нанотрубок к 2010 году должны вытеснить с рынка другие виды дисплеев, поскольку обладают лучшими характеристиками и намного тоньше жидкокристаллических аналогов.
Используемые в дисплеях органические полимеры с микроскопической молекулярной структурой обладают высокой природной проводимостью и после процесса легирования (введения дозированного количества примесей) приобретают свойства полупроводников, становясь пригодными для создания тонкопленочных транзисторов, встроенных в гибкую подложку. Это позволит в будущем производить гибкие дисплеи, сворачивающиеся в трубочку, реализовав идею создания "электронных газет".
Для построения дисплеев на "квантовых точках" или "фотонных нанокристаллах" (гигантских молекулах из 103…105 атомов со свойствами единичных атомов и выраженными квантовыми эффектами) используются неорганические полупроводниковые наноматериалы (Si, InP, CdSe и др.) [21]. В основу их работы положен эффект свечения "квантовых точек" в зависимости от их размеров различными цветами с высокой чистотой спектра. Например, наноструктура диаметром 6 нм светится красным цветом, а 2 нм – голубым.
Прототип "квантового дисплея" представляет собой монохромный экран размером 32×64-пикселя, но изображение на нем можно видеть при ярком солнечном свете, а потребление энергии в 30 раз меньше, чем у аналогичных ЖК-дисплеев.
"Квантовые точки" используют также в детекторах ИК-излучения с длиной волны 8-2-мкм приборов ночного видения нового поколения, которые втрое дешевле и чувствительнее существующих (рис.11) [22]. "Квантовые точки" в них можно представить в виде пирамиды 20×4-нм (сердцевина из арсенида индия, покрытого арсенидом галлия и сплавом индия с арсенидом галлия), способной фиксировать ИК-излучение под любым углом [23]. Изменяя состав пирамид, можно использовать их в лазерах, оптических усилителях, туннельных диодах и транзисторах.
Нанолазер [15,24] на "квантовой точке" на основе полупрозрачного диэлектрика с десятками тысяч распределенных наноотверстий, образующих световые слои, осуществляет управление лучом без дополнительной фокусировки (рис.12). Кристаллы работают как оптические резонаторы, в которых каждая дырка является микроскопическим зеркалом, усиливающим световой пучок, испускаемый полупроводником. Отверстия пропускают световые волны заданной длины, а остальные частично отражаются или поглощаются. При звуковом воздействии, например, длина световой волны и направление ее распространения могут изменяться.
Нанолазер на основе коллоидных "квантовых точек" может обеспечить оптическую передачу ИК-сигнала внутри объема трехмерной СБИС [25]. Для этого наночастицы полупроводника, взвешенные в растворителе, наносят тонким слоем на кремниевую подложку, как на краску, и высушивают горячим воздухом. После подачи напряжения нанолазер генерирует ИК-сигнал с длинной волны 1,5 мкм, который передается по оптоволоконному каналу.
Оптические нановолноводы (рис.13) на основе кристаллического SnO2 передают свет от одного устройства к другому в различных спектрах и имеют оптимальные размеры для передачи и управления светом в видимом и УФ- диапазонах при малых значениях оптических потерь [15].
Наноконденсаторы [15] способны накапливать и выдавать в импульсе мощность 30-кВт/кг (современные конденсаторы – 4 кВт/кг), поскольку гребенчатые наноструктуры обладают намного большей совокупной площадью, чем пластины традиционного конденсатора (рис.14).
Один из вариантов получения нанопровода толщиной 20-нм с высокой электропроводимостью – сплавление кремния с никелем при температуре 550-0C [26]. Для обеспечения совместимости нанопроводов с полупроводниковыми наноструктурами никель наносят на одну половину кремниевой заготовки, оставляя другую для организации соединения (рис.15, вверху слева). Ожидается, что применение нанопроводов, например, в СБИС оперативных запоминающих устройств позволит сократить площадь внутренних межсоединений и увеличить за счет этого количество ячеек памяти более чем в 104 раз.
Как уже отмечалось, расположив два нанопровода крест-накрест один над другим можно получить нанотранзистор или нанодиод (рис.9). Другая основа для их получения – "полосатые" нанопровода с зонами различной проводимости (рис.15, внизу слева). Фактически – это готовые диоды и транзисторы, которые выращивают из микрокапелек расплавленного золота, разбрызганного на поверхности кремниевой подложки, и осажденного испарением наноматериала полупроводника (например, фосфида индия).
Когда его концентрация при растворении в каплях достигает определенного значения, начинается рост "цилиндра" нанопровода с диаметром золотой капли. Изменяя состав испаряемой примеси, можно чередовать состав слоев растущего цилиндра-провода с различными физическими свойствами в зоне перехода слоя в слой. Чем медленнее протекает рост нанопровода, тем точнее можно контролировать состав образуемых слоев с различными типами проводимости и формировать четкие границы между ними.
Наносветодиоды получают в области пересечения нанопроволок или нанотрубок (эффект "квантовой точки") (рис.16, вверху). Излучение происходит в зоне накопления заряда на пересечении нанопроволок из p-Si и n-InP (и-других полупроводников с проводимостью n-типа: n-GaN, n-CdS, n-CdSe и т.п.).
Ток, подаваемый на "квантовую точку", подбирается таким образом, чтобы в рекомбинации участвовала только одна пара "электрон-дырка". В результате происходит испускание фотона (рис.16, внизу). Если наносветодиод испустит два фотона, они будут иметь разную длину волны, что позволит отсечь "лишнюю частицу" при помощи фильтра [27].
Для передачи световых волн видимого диапазона может использоваться коаксиальный нанокабель диаметром около 300-нм. Его конструкция аналогична обычному коаксиальному кабелю и предполагает соосное расположение центрального проводника из углеродных нанотрубок в изоляторе из пленки оксида алюминия и внешней проволочной оплетки из хрома или алюминия.
Наноматериалы [28] нашли применение в источниках вторичного электропитания (рис.17, вверху): топливном (в 10 раз превышает энергию литий-ионной батареи); литий-ионном с наноприсадкой в материале отрицательного электрода (105 циклов заряда-разряда, работа при -40-0С); электролитном (срок хранения батареи 20 лет).
В топливном источнике электрическая энергия трансформируется из энергии, выделившейся при взаимодействии кислорода и водорода, по отработанной схеме: выделяется водород из жидкого топлива (метанола, бутана, очищенных бензина и дизельного топлива) и окисляется кислородом воздуха.
В качестве отрицательного электрода в топливном источнике используется карбонная нанотрубка, что позволяет получить на 20% больше электрической энергии, чем при использовании электродов из активированного углерода. Количество полученной электроэнергии на порядок превышает энергию, выделяемую литий-ионной батареей того же объема, причем энергоемкость такого топливного источника питания достаточна для использования в качестве аккумулятора для работы ноутбука в течение нескольких дней или мобильного телефона в течение месяца.
В литий-ионных топливных элементах наноприсадки быстро собирают (что обеспечивает в десятки раз их более быструю зарядку) и долго хранят ионы лития. За одну минуту такую батарею можно заправить на 80%, а полная емкость аккумулятора 600 мА×ч заполняется за единицы минут. За 1000 циклов заряда-разряда она теряет 1% своей емкости и способна работать при -40-0С (емкость батареи составит 80% относительно 100% в нормальных условиях).
В электролитных элементах осуществляется смачивание каплей электролита "ворсистой" поверхности нанобатареи, состоящей из множества "волосков" диаметром 50-150 нм – например "нанотравы" из оксида цинка (рис.17, внизу) [29]. Такие наноструктуры, благодаря большой совокупной площади поверхности "волосков", обладают повышенными гидрофобными и гидрофильными свойствами, что позволяет в сотни раз увеличить смачиваемую электролитом поверхность нанобатареи, а значит – площадь образования заряда.
Свойства "нанотравы" из оксида цинка таковы, что созданная поверхность способна мгновенно переходить из гидрофобного в гидрофильное состояние под действием ультрафиолета, радиоизлучения, звукового давления, импульса напряжения и т.п. До этого капелька электролита находится над "нанотравой", не взаимодействуя с ней. Указанные воздействия приводят ее в подвижное состояние, что заставляет ее проникнуть в пространство точно между "нановолосками", увеличив площадь поверхности, на которой электролит взаимодействует с наноматериалом батареи, вызывая электрический ток. В результате в нанобатарее обеспечивается направленная химическая реакция в реальном масштабе времени.
Ворсистая структура в виде наноструктурированных столбиков диаметром 350-нм и высотой 7-мкм может быть выращена на пластине кремния [30]. Расстояние между столбиками 1-4-мкм. Упорядоченность структуры достигается травлением кремния в плазме через маску из фоторезиста и выращиванием на ней тонкого слоя диэлектрика (оксида кремния). Сверху наноструктура покрывается нанослоем гидрофобного полимера. Площадь касания капель электролита с "нанотравой" в такой конструкции мала, поэтому они очень подвижны и легко управляемы.
Подобные структуры планируется использовать не только в нанобатареях и акумуляторах, но и для охлаждения микрочипов, в оптических компонентах оптоволоконных сетей и других изделиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. http://www.aforismo.ru
2. Алексенко А.Г. "Наноиндустрия как научно-техническая основа микросистем". – http://www.chipnews.ru/html.cgi
3. Дрекслер Э. "Машины создания. Грядущая эра нанотехнологии" (русск. пер.). – http://mikeai.nm.ru/russian/eoc/eoc.html
4. http://www.cnews аnalytics.ru
5. http://www.nanonewsnet.ru
6. http://www.innovations-report.com
7. http://www.sani.org.za
8. http://www.rian.ru/technology
9. http://www.house.gov/science
10. http://www.nextwar.ru
11. http://www.internet news.ru
12. http://www.phisicsweb.compulenta.ru
13. http://www.newscientist.ru
14. http://www.membrana.ru/articles/technic.html
15. http://www.рhisicsweb.org/article/news
16. http://www.terralab.ru/news
17. http://www.polyu.edu.hk
18. http://www.eetimes.com/news/semi
19. http://www.news.rpi.edu/update.do
20. http://www.scitation.aip.org
21. http://www.mobiledevice.ru
22. http://www.zduet.com
23. http://www.usk.edu.dept/ingineering/news
24. http://www.lucent.com/press
25. http://www.eurekalert.org/pub_realeases
26. http://www.sciteclibrary.ru
27. http://www.ledproducts/posts/view
28. http://www.science.compulenta.ru
29. http://www.computerra.ru
30. http://regionline.by.ru
Отзывы читателей
