Наноустройства, наноэлектроника, наносенсоры

Давая самую общую характеристику наноустройств, можно сказать, что они позволяют использовать в технологических целях предельные возможности электрических, магнитных, механических и биологических систем. Хотя в настоящее время такие устройства ассоциируются главным образом с информационными технологиями, их реальные возможности относятся к многим областям науки и техники. Со временем наноустройства будут играть важную роль в процессах преобразования энергии, организации защиты окружающей среды, производстве пищевых продуктов и медицинском обслуживании населения.

За последние десять лет умение преобразовывать вещества «сверху-вниз», в сочетании с некоторыми неожиданными открытиями в области синтеза и самосборки наноразмерных структур, привело к многочисленным открытиям. Наиболее яркие из них описываются ниже:

1. Была открыта возможность создавать углеродные нанотрубки (а затем и регулировать процесс их создания), а также применять зонды микроскопов и литографические методы для сборки получаемых трубок в отдельные электронные устройства .
2. За последние 1 -2 года ученые научились помещать тщательно сконструированные отдельные молекулы в зазор между соответствующими электродами и измерять перенос заряда через эти молекулы.
3. Бурное развитие зондовых методов и их использование для манипулирования отдельными атомами вещества и создания наноструктур.
4. Разработка химических методов синтеза нанокристаллов и методов их объединения в более крупные и упорядоченные структуры.
5. Использование в производстве наноустройств биомолекул и надмолекулярных структур..
6. Выделение биохимических «молекулярных двигателей» и их включение в небиологическую среду.

Переход от одного наноизмерения к двум или трем не прост, однако полученные выгоды были бы огромными. В области создания трехмерных наноструктур получены следующие важные результаты:

1. Обнаружение квантового эффекта кулоновской блокады и создание одно-электронных запоминающих и логических элементов, работающих при комнатной температуре.
2. Объединение щупов сканирующего зонда в крупные матрицы для механических и литографических средств хранения информации.
3. Изготовление полупроводниковых структур с фотонной шириной запрещенной зоны.
4. Интегрирование наночастиц в высокочувствительные газовые датчики.

С наноэлектроникой и наноустройствами связаны многие современные биотехнологические методы. Наноустройства будут содержать биологические компоненты, а биологические системы будут изучаться и регулироваться наноэлектронными устройствами, нанозондами и датчиками. Следует ожидать значительного прогресса в развитии наномеханических и нанобиомеханических систем, которые по своим характеристикам будут существенно отличаться от соответствующих макроскопических объектов.

Важное значение наноустройства могут иметь в космической технике, где их применение должно обеспечить точность измерений и манипулирования в диапазоне от микрометров до миллиметров. Некоторые наноустройства такого типа могут найти применение в боевых условиях, в качестве датчиков и приборов наблюдения за оперативной обстановкой.

И наконец, большое значение имеет создание нанометровых устройств для манипулирования другими наноразмерными объектами и их обработки, т. е. для выполнения тех операций, которые сейчас осуществляются при помощи СТМ и АСМ. Первым шагом на пути создания таких устройств должно стать введение нанометровых электронных устройств управления в микромашины.

Рис.33. Приборы ночного видения на основе наносенсоров.

Рис.34. Приборы для обнаружения теплового контраста нагретого самолёта. Дальность обнаружения – до 30 км. (Институт физики полупроводников РАН)

В области информационных технологий наноустройства играют двоякую роль: они одновременно требуют развития новой архитектуры систем обработки информации и способствуют ему. В качестве первых примеров смены парадигм в архитектуре вычислительных систем можно привести идеи квантовых вычислительных устройств, клеточных автоматов на квантовых точках, молекулярной электроники и вычислений с использованием цепей ДНК. Архитектура таких вычислительных систем принципиально изменяет типы задач, которые могут быть решены с помощью информационных технологий. Эффективное внедрение новых типов архитектуры вычислительных систем потребует разработки новых типов наноустройств.

Изменением подхода к развитию можно назвать появление квантованных магнитных дисков, однофотонных систем, позволяющих повысить эффективность оптических коммуникационных устройств, наномеханических систем, широкого класса структур и устройств интерактивного типа, в которых объединены биологические и небиологические объекты, нанокомпонентов для создания более экономной архитектуры обычных цепей. В последнее время значительно расширились исследования наноустройств с наноразмерными соединениями и молекулярными логическими элементами, а также были предложены новые принципы работы таких устройств (например, спиновая электроника).

Основным ограничением для реализации указанного процесса является то, что при химическом производстве и сборке системы неизбежно должны возникать «дефектные» компоненты и соединения.

Использование новейших методов микросоединений и самосборки позволило провести исследования электронного переноса в молекулярных системах. В частности, проводились измерения электронной проводимости через молекулы, прикрепленные концами к поверхностям в различных условиях: на щупе СТМ, в нанопорах специально обработанного кремния [48] и между зондами СТМ. В экспериментах со сближением зондов было показано, что через отдельную молекулу может протекать ток до 0,1 мкА. Однако во всех описанных выше случаях электронные характеристики молекул соответствуют простым диодам, что делает их непригодными для применения в электронных схемах. Лишь недавно исследователям удалось создать достаточно большие и практически пригодные электронные устройства, в которых молекулы являются активными компонентами, поскольку проявляют обратимость переключения.

Характерной особенностью данного процесса изготовления наноразмерных устройств является то, что в нем участвует небольшое число молекул (около 1000), что исключает возможность появления дефектов (в частности, микроотверстий), обычно препятствующих проведению точных измерений электронного переноса через мономолекулярный слой.

Рис. 35. Схема изготовления наноустройств. а — сечение кремниевой пластинки с наноотверстием (нанопорой), полученным травлением через мембрану из суспензии нитрида кремния. 6 — переход Au-CCM-Au в области наноотверстия. в — увеличенное изображение активной зоны ССМ с соединением 1с, закрепленным между электродами, г — СЭМ-изображение пирамидальной структуры из атомов Si, образовавшейся после анизотропного травления кремниевой пластины, что соответствует виду снизу на структуру а. д — СЭМ-изображение нанопоры, полученной травлением мембраны из нитрида кремния (© 1999 American Association for the Advancement of Science).

Разработанный метод показал возможность надежного контроля над состоянием поверхности и высокую устойчивость созданных внутренних контактов. Метод позволяет производить наноустройства в достаточном количестве и с достаточной эффективностью, что дает возможность получать статистически достоверные результаты.

1. Полевой транзистор на основе однослойной углеродной нанотрубки

На основе однослойных углеродных нанотрубок нескольким исследовательским группам в различных странах удалось изготовить электрические переключатели, подобные полевым транзисторам. На рис. 36 показано такое устройство, полученное манипулированием однослойной углеродной трубки диаметром 1,6 нм в АСМ. Такая полупроводниковая трубка, присоединенная к металлическому контакту, ведет себя, как канал в полевом транзисторе, проводя или запирая ток, в зависимости от напряжения затвора. Многообразие наноструктур делает углеродные нанотрубки весьма перспективным материалом для изготовления элементов электронных схем.

Рис. 36. Полевой транзистор на основе углеродной нанотрубки диаметром 16 нм.

Исследователи только приступают к систематическому изучению их проводимости и методам их внедрения в соответствующие устройства. Интересно отметить, что и АСМ (используемые для изготовления таких структур), и углеродные нанотрубки (из которых эти структуры изготовляются) были созданы только в последнем десятилетии.

2. Наноэлекгронные устройства 

В настоящее время имеется много наноэлектронных квантовых устройств разнообразного назначения (рис. 37). Эффективность этих устройств связана с резким увеличением плотности (от 5 до 100 раз) и скорости (от 10 до 100 раз) записи, а также снижением энергопотребления (более чем в 50 раз). Устройства с резонансным туннелированием успешно использовались в различных запоминающих устройствах для создания логических схем (включая схемы с многозначной логикой). Методы молекулярной электроники и самосборки позволяют организовать производство новых устройств, работающих в новых режимах и измерениях другого масштаба. Например, в технике энергонезависимых и устойчивых к облучению запоминающих устройств возникло новое направление, связанное с наномагнитными спиновыми структурами.

Рис. 37. Наноэлектронные устройства и их архитектура, обеспечивающая высокие рабочие характеристики.

В этих устройствах используется магниторезистивный эффект в многослойных структурах. Сейчас интенсивно разрабатывается теория квантовых клеточных автоматов, связанных с технологией формирования соединенных квантовых точек, которые могут применяться для создания бестранзисторных вычислительных систем. Возможности существующих полупроводниковых комплементарных МОП-структур могут быть значительно расширены с помощью исследований кремниевых гетеропереходов, ширины запрещенной зоны, вертикальных структур и других особенностей. В качестве других применений наноэлектронных устройств можно отметить радары с цифровым управлением, приемники с электронной поддержкой, устройства синхронной передачи данных, широкополосные каналы связи, устройства формирования сигналов, устройства цифровой обработки данных и аналого-цифровые преобразователи. Эффективность устройств с резонансным туннелированием была доказана на практике, и в долгосрочной перспективе должно произойти внедрение наноэлектронных квантовых приборов в различные области, в особенности в те, которые связаны с аналого-цифровым преобразованием сигналов и их обработкой в телекоммуникационных системах.

3. Использование наноустройств в космических исследованиях

За последние тридцать лет организация НАСА завершила начальный, разведывательный этап изучения ближайших объектов Солнечной системы. Для осуществления этих крупномасштабных и дорогостоящих исследований НАСА разработала обширный проект под названием «Программа развития технологий для исследований в глубоком космосе» и обозначением Х2000, в рамках которого, начиная с 2000 г., каждые два-три года в космос должны выводиться ракеты с усовершенствованным бортовым оборудованием, предназначенным для изучения Солнечной системы и даже ее окрестностей. Особое внимание уделяется уменьшению размеров космических аппаратов; для этого постоянно снижаются размеры и вес систем авионики (авиационной электроники, бортового оборудования летательных аппаратов).

В решении этой задачи важную роль должно сыграть интегрирование микро- и нанотехнологий. На рис. 38 представлены прогнозы изменения основных параметров (вес, объем, потребляемая мощность) бортовых электронных устройств. Современному состоянию электронной техники соответствуют данные левой колонки, относящиеся к космическому кораблю «Марс Пасфайндер».

Первое поколение аппаратуры по проекту Х2000 соответствует интегральным системам авионики, в которых объединены функции управления и обработки данных, контроля за положением космического аппарата и его энергетическими установками, согласования режимов работы научных приборов и т. д. Дальнейшая миниатюризация оборудования и развитие техники автоматического управления должны привести к более высокой степени интеграции и созданию модульной, элементной архитектуры, предназначенной для эксплуатации в условиях длительных комических экспедиций. Новые системы авиони-ки будут иметь значительно меньшее энергопотребление по сравнению с современными системами.

Рис. 38. прогноз развития авионики.

Прототипом будущих однокристальных и многокристальных интегральных схем станет разрабатываемая по проекту Х2000 интегральная схема авионики получившая название «Система на чипе» (System On А Сhip, SOAC). Эта интегральная схема будет содержать систему управления энергетическими установками, систему датчиков, телекоммуникационные модули, центральный процессор и запоминающие устройства. Нанотехнология призвана обеспечить как миниатюризацию таких устройств, так и их интеграцию.

Примерно к 2020 г. ожидается реализация программы новых компьютерных технологий, которая позволит не только преодолеть пределы полупроводниковой технологии, но и создать полностью автономные, высокоэффективные и низкоэнергетические «мыслящие космические аппараты». Безусловно, для этого потребуется применение нанотехнологий, поскольку обычная, цифровая вычислительная техника (даже с учетом ее успехов за последние годы и возможного создания в будущем суперкомпьютеров) не сможет соревноваться с биологическими системами в задачах распознавания образов, чувственного восприятия, управления в сложных условиях или адаптации к окружающей среде. В разделе «5-е поколение» представлены две нанотехнологий, которые будут определять возможности космических аппаратов 2020 г.:

1. Квантовый компьютер. Такое устройство должно быть создано на основе объединения принципов традиционной вычислительной техники и квантовой физики. Хотя концепция квантового компьютера проста, этого нельзя сказать о ее реализации. Разработка квантового компьютера мотивируется двумя проблемами:
2. Использование квантовых представлений, возможно, позволит решить математические задачи, недоступные обычным вычислительным методам.
3. С точки зрения миниатюризации вычислительных устройств важен размер устройства, приходящийся на 1 бит информации. В последние годы в связи с развитием нанотехнологий и проблемами конструирования полупроводниковых микромеханических устройств ставится вопрос о доведении миниатюризации до квантового предела. Поэтому идея квантового компьютера, в котором носителями информации являются отдельные атомы, привлекает внимание ученых многих областей.

4. Биомиметические устройства

Биомиметикой называется научное направление, связанное с имитацией биологических процессов. Это направление основано на исследованиях архитектуры, функций, механизмов и принципов действия биосистем. Ниже приводятся примеры биомиметических объектов, представляющих интерес для нанотехнологий:

1. 1 г ДНК может содержать столько же информации, сколько библиотека Конгресса США.
2. Мозг человека содержит около 1014 внутренних связей и может осуществлять до 1016 операций в секунду, причем его работа отличается высокой точностью и очень низким энергопотреблением.
3. Человеческий организм обладает высокоэффективной иммунной системой, которую можно назвать «системой саморемонта».

В дальнейшем, когда исследования этих явлений позволят создавать небольшие и легкие устройства с низким энергопотреблением, НАСА сможет создавать и запускать космические зонды для решения задач, недоступных в настоящее время.

Развивается и применение нанопорошков к ракетному топливу, что позволяет увеличить тягу двигателей на 15-20%

Рис.39. Добавление нанопорошка алюминия в ракетное топливо уваличивает скорость горения и удельный импульс ракетного топлива.

5. Разработка систем наноразмерной робототехники

В принципе, можно допустить мысль об изготовлении нанороботов, которые выполняли бы достаточно сложные функции либо независимо друг от друга, либо после самосборки в некоторые системы. Вообразите, например, высокоразрешающий видеоэкран, который может производить «саморемонт», просто имея микроскопического робота на каждом элементе экрана. Такие «пикселботы» (pixel — элемент или точка растра) были бы способны производить свет, но были бы также достаточно «умными», чтобы удалить себя с экрана при поломке. Другие пикселботы при этом должны были бы почувствовать образовавшуюся вакансию и перегруппироваться для ее заполнения. Другой пример — введение в человеческий организм микророботов-санитаров, которые химически безвредны, но способны удалять раковые клетки в месте их образования. Обладая способностью отличать больные клетки от здоровых, такие роботы функционировали бы независимо от организма и непрерывно лечили бы ткани, не мешая обычному ходу биохимических процессов в организме. Аналогичный подход может быть использован для создания самооптимизующихся кремниевых запоминающих устройств и процессоров: при возникновении неполадок пользователь просто должен был бы подождать, пока компьютер сам себя не отремонтирует.

Для создания таких устройств требуется исследование свойств автономных систем, способных к самосборке. Сотрудники Лос-Аламосской национальной лаборатории изучают такие системы, создавая очень недорогие и достаточно крупные роботы, которые способны адаптироваться к окружению, включая взаимодействие с другими роботами при выполнении некоторых задач (например, при обнаружении неразорвавшихся мин). Характеристики таких «умных» клеточных систем сохраняются при изменении масштаба и могут быть использованы при создании разнообразных наномашин, способных выполнять невообразимые операции.

6. Наноразмерные датчики

Интегральные наноразмерные датчики позволят с высокой точностью прослеживать условия жизни или среды обитания живых организмов, качество продуктов питания и т. д. Системы ультраминиатюрных датчиков смогут собрать и переработать любую информацию о химических соединениях или процессах значительно быстрее и эффективнее, чем используемые сейчас разрозненные макроскопические датчики. Подобно тому как создание интегральных электронных схем позволило значительно повысить качество и объем производства устройств на их основе (одновременно с резким снижением стоимости устройств), массовое использование сложных и дешевых нанодатчиков в 21 в. существенно изменит условия нашей жизни.

7. Наномашины

В настоящее время сверхминиатюрные устройства изготовляются главным образом на основе механических, а не биологических принципов. В качестве примера можно привести устройство «снабжения» организма лекарственными препаратами в требуемое время. Устройство представляет собой автономный, миниатюрный (твердотельная кремниевая микросхема), имплантируемый механизм, способный по заданной программе выделять содержащееся в нем вещество (или вещества). Очевидно, что такой механизм может выполнять и другие функции (диагностика, химический анализ и т. д.).

С уменьшением размеров таких интегральных наносистем усложняется задача наделения их заданными функциональными характеристиками. В живых организмах многие технические задачи решаются с помощью молекулярных двигателей и других внутриклеточных функциональных машин. Изучение таких биологических объектов позволит в дальнейшем объединить их с неорганическими устройствами и создать новые, гибридные наномеханические системы. Наномашины с молекулярными (химическими) двигателями, оснащенные интегрированными насосами, клапанами и датчиками, смогут самостоятельно реагировать на изменения в организме или окружающей среде. Представьте себе сверхминиатюрные машины с автономным питанием, которые будут, например, контролировать и регистрировать распределение и концентрацию в почве нефтепродуктов и других веществ, загрязняющих окружающую среду.

В организме человека имплантированные микророботы смогут не только следить за состоянием здоровья, но и выделять требуемые организму вещества и гормоны.

Рис. 43. Прототип устройства на микрочипе, выделяющего лекарственные препараты.