Нанотехнология

Нанотехнологическая революция стартовала!

Мы все чаще слышим слова нанонаука, нанотехнология, наноструктурированные материалы и объекты. Отчасти они уже вошли в повседневную жизнь, ими обозначают приоритетные направления научно-технической политики в развитых странах . Так, в США действует программа “Национальная нанотехнологическая инициатива” (в 2001 г. ее бюджет был 485 млн долл., что сопоставимо с годовым бюджетом всей Российской академии наук). Евросоюз недавно принял шестую рамочную программу развития науки, в которой нанотехнологии занимают главенствующие позиции. Минпромнауки РФ и РАН также имеют перечни приоритетных, прорывных технологий с приставкой “нано-”. По оценкам специалистов в области стратегического планирования, сложившаяся сейчас ситуация во многом аналогична той, что предшествовала тотальной компьютерной революции, однако последствия нанотехнологической революции будут еще обширнее и глубже. Да, собственно, она уже началась и взрывообразно захватывает все новые и новые области. В журнале “Природа” были опубликованы статьи, посвященные отдельным направлениям нанонауки ; теперь постараемся бросить взгляд на нее как на единое целое.

Углубляясь в наноджунгли

Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Сама десятичная приставка “нано-” происходит от греческого слова “nanos”, что переводится как “карлик” и означает одну миллиардную часть чего-либо. Таким образом, чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами. Реально диапазон рассматриваемых объектов гораздо шире - от отдельных атомов (R < 0.1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих свыше 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. Принципиально важно, что они состоят из счетного числа атомов, и, следовательно, в них уже в значительной степени проявляются дискретная атомно-молекулярная структура вещества и/или квантовые закономерности его поведения. Удовлетворяя наше стремление к миниатюризации, к снижению энергоемкости и материалоемкости, такие системы обладают еще одним козырем. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие. Пока в серийно производимых компьютерах достигнуто быстродействие (время, затрачиваемое на одну элементарную операцию) около 1 нс, и его можно уменьшить на несколько порядков величины в ряде наноструктур. Но существующие сейчас массовые технологии производства практически достигли своих теоретических пределов и нуждаются в кардинальном обновлении.

Научные основы и объекты нанонауки и нанотехнологии.

Новая парадигма в технологии - “снизу вверх”, вытесняющая и дополняющая старую - “сверху вниз” (т.е. от большой заготовки - к готовому изделию путем отсечения лишнего материала), - базируется на глубоких знаниях свойств каждого атома из таблицы Менделеева и использует силы притяжения между ними при нанометровых расстояниях. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации, стабильность которых определяется типом и прочностью внутренних связей, абсолютной температурой и характером окружения. Чем меньше частица и ниже температура, тем сильнее проявляются ее квантовые качества. Свойства наночастиц сильно изменяются по сравнению с макрочастицами того же вещества, как правило, уже при размерах RcЈ 10-100 нм. Для различных характеристик (механических, электрических, магнитных, химических) этот критический размер может быть разным, как и характер их изменений (монотонный-немонотонный) при R < Rc. Ввиду резкой зависимости свойств вещества от числа одинаковых атомов в кластере ее иногда аллегорически называют даже третьей координатой таблицы Менделеева.

Среди причин размерных эффектов в наномасштабных объектах есть как вполне очевидные, так и заслуживающие дополнительных комментариев. Например, ясно, что доля атомов a, находящихся в тонком приповерхностном слое (~1 нм), растет с уменьшением размера частички вещества R, поскольку a ~ S/V ~ R2/R3 ~ 1/R (здесь S - поверхность частички, V - ее объем). Также общеизвестно, что поверхностные атомы обладают свойствами, отличающимися от “объемных”, поскольку они связаны с соседями по-иному, нежели в объеме. В результате на поверхности может произойти атомная реконструкция и возникнет другой порядок расположения атомов. Для атомов, оказавшихся на краях моноатомных террас, уступов и впадин на них, где координационные числа значительно ниже, чем в объеме, возникают совершенно особые условия. Взаимодействие электронов со свободной поверхностью порождает специфические приповерхностные состояния (уровни Тамма). Все это вместе взятое заставляет рассматривать приповерхностный слой как некое новое состояние вещества.

Заметим также, что поверхность служит стоком (причем почти бесконечной емкости) для большинства дефектов кристаллической структуры благодаря действию сил изображения * и других причин.

* Силы изображения получили свое название по методу расчета электрических полей, который заключается в мысленном помещении симметрично за границей раздела точно такого же объекта, но противоположно заряженного.

Силы изображения убывают по мере удаления от поверхности, но если размер частички достаточно мал, они могут “высосать” из объема на поверхность большинство дефектов и сделать его более совершенным в структурном и химическом отношениях.

Далее, вспомним: рассматривая любой процесс переноса (протекание электрического тока, теплопроводность, пластическую деформацию и т.п.), мы приписываем носителям некоторую эффективную длину свободного пробега Rf. При R >> Rf рассеяние (или захват и гибель) носителей происходит в объеме и слабо зависит от геометрии объекта. При R < Rf ситуация радикально меняется и все характеристики переноса начинают сильно зависеть от размеров образца.

Примеры специфического поведения вещества на субмикронном масштабном уровне и основные причины специфики нанообъектов.

Наконец, если объект имеет атомарный масштаб в одном, двух или трех направлениях, его свойства могут резко отличаться от объемных для того же материала из-за проявления в поведении квантовых закономерностей. Например, когда хотя бы один из размеров объекта становится соизмеримым с длиной волны де Бройля для электронов, вдоль этого направления начинается размерное квантование.

Для анализа свойств нанообъектов используют широкий спектр физических подходов и методов.

Что и как получают

Всего за несколько последних лет разработаны сотни наноструктурированных продуктов конструкционного и функционального назначения и реализованы десятки способов их получения и серийного производства . Можно выделить несколько основных областей их применения: высокопрочные нанокристаллические и аморфные материалы, тонкопленочные и гетероструктурные компоненты микроэлектроники и оптотроники следующего поколения, магнитомягкие и магнитотвердые материалы, нанопористые материалы для химической и нефтехимической промышленности (катализаторы, адсорбенты, молекулярные фильтры и сепараторы), интегрированные микроэлектромеханические устройства, негорючие нанокомпозиты на полимерной основе, топливные элементы, электрические аккумуляторы и другие преобразователи энергии, биосовместимые ткани для трансплантации, лекарственные препараты.
 

Теоретические основы технологий различного масштабно-временного уровня.

Наиболее крупнотоннажным (после строительных) является производство высокопрочных конструкционных материалов, главным образом металлов и  сплавов. Потребность в них и материалоемкость изделий из них зависят от механических свойств: упругости, пластичности, прочности, вязкости разрушения и др. Известно, что прочность материалов определяется химическим составом и реальной атомарной структурой (т.е. наличием определенной кристаллической решетки - или ее отсутствием - и всем спектром ее несовершенств). Высоких прочностных показателей можно добиваться двумя прямо противоположными способами: снижая концентрацию дефектов структуры (в пределе приближаясь к идеальному монокристаллическому состоянию) или, наоборот, увеличивая ее вплоть до создания мелкодисперсного нанокристаллического или аморфного состояния. Оба пути широко используют в современном физическом материаловедении и производстве.

Схематическая зависимость прочности от плотности атомарных дефектов в материале.
G - модуль сдвига.

Разработаны составы и технологии нанесения сверхтвердых покрытий толщиной около 1 мкм, уступающих по твердости только алмазу. При этом резко увеличивается износостойкость режущего инструмента, жаростойкость, коррозионная стойкость изделия, сделанного из сравнительно дешевого материала. По пленочной технологии можно создавать не только сплошные или островковые покрытия, но и щетинообразные, с упорядоченным расположением нановорсинок одинаковой толщины и высоты. Они могут работать как сенсоры, элементы экранов высокого разрешения и в других приложениях.

Способность углерода образовывать цепочки –С–С–С– используется Природой для создания биополимеров, а человеком - синтетических полимеров и разнообразных пластмасс. В 1985 г. Х.Крото с сотрудниками обнаружили в парах графита, полученных его испарением под лазерным пучком, кластеры (или многоатомные молекулы) углерода. Наиболее стабильными из них оказались С60 и С70. Как выяснилось в результате структурного анализа, первый из них имел форму футбольного, а второй - регбийного мяча. Позднее их стали называть фуллеренами в честь американского архитектора Р.Фуллера, получившего в 1954 г. патент на строительные конструкции в виде многогранных сфероидов для перекрытия больших помещений. Шарообразные (или дынеобразные) молекулы имеют необычную симметрию и уникальные свойства. Все ковалентные связи в них насыщены, и между собой они могут взаимодействовать только благодаря слабым ван-дер-ваальсовым силам. При этом последних хватает, чтобы построить из сферических молекул кристаллические структуры (фуллериты). К каждой такой молекуле можно «привить» другие атомы и молекулы, можно поместить чужеродный атом в центральную полость фуллереновой молекулы, как в суперпрочный контейнер, или полимеризовать их, раскрыв внутренние связи, и т.д.

Впоследствии научились выращивать однослойные и многослойные углеродные нанотрубки. Крайне важно, что свойствами нанотрубок удается управлять, изменяя их хиральность — скрученность решетки относительно продольной оси. При  этом легко можно получить проволоку нанометрового диаметра как с металлическим типом проводимости, так и с запрещенной зоной заданной ширины. Соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластинки, — канал полевого транзистора. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и показали свою работоспособность. Нанотрубки с  регулируемым внутренним диаметром служат основой идеальных молекулярных сит высокой селективности и газопроницаемости, контейнеров для хранения газообразного топлива, катализаторов. Кроме того,
нанотрубки могут использоваться как сенсоры, атомарно острые иголки, элементы экранов дисплеев сверхвысокого разрешения.

Основные методы создания тонкопленочных структур можно разбить на два больших класса, базирующихся на физическом (в первую очередь, молекулярно-лучевой эпитаксии) и химическом осаждении. При малой толщине (до нескольких атомных слоев) двумерная подвижность осаждаемых на подложку атомов может быть очень высокой. В результате быстрой диффузии по поверхности происходит самосборка нанообъектов, обладающих ярко выраженными квантовыми свойствами: образуются квантовые точки, квантовые ямы, квантовые проволоки, кольца и др. Если систему квантовых точек покрыть слоем инертного материала, а затем снова напылить активный материал, то опять образуются островки, самоупорядочивающиеся на поверхности и даже скоррелированные с положением их предшественников. Повторяя такие процедуры множество раз, можно получить объемно упорядоченные структуры (квазирешетки) из квантовых ям или точек, называемые гетероструктурами, и сделать на их основе лазерные источники света, фотоприемники (в том числе инфракрасного излучения в области длин волн 8—14 мкм, соответствующей максимуму теплового излучения человеческого тела), накопители информации. Вся современная микроэлектроника базируется на планарных полупроводниковых технологиях, которые дают возможность создавать самые разнообразные многослойные тонкопленочные структуры с функциями сенсоров, логической и арифметической обработки сигнала, его хранения и передачи по электронным или оптическим линиям связи.

Наноэлектроника следующих поколений

Любые достижения в нанонауке сначала рассматриваются под углом их приложимости к информационным технологиям. Можно выделить несколько крупных направлений атаки на этом участке фронта:

– уже упоминавшиеся различные устройства на углеродных нанотрубках;

– одноэлектроника, спинтроника и джозефсоновская электроника, в том числе квантовые компьютеры;

– молекулярная электроника, в частности, с использованием фрагментов ДНК;

– сканирующие зондовые методы.

Несмотря на нарастающий уровень трудностей, в течение трех последних десятилетий поддерживается неизменный и очень высокий темп роста всех существенных характеристик в микроэлектронике. Наиболее революционные достижения приближаются к квантовым пределам, положенным самой Природой - когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т.д. Это сулит быстродействие порядка ТГц (~1012 операций в секунду), плотность записи информации ~103 Тбит/см2, что на много порядков выше, чем достигнутые сегодня, а энергопотребление - на несколько порядков ниже. При такой плотности записи в жестком диске размерами с наручные часы можно было бы разместить громадную библиотеку национального масштаба или фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех (!) жителей Земли. Действительно, с принципиальной точки зрения для оперирования в двоичной системе исчисления необходимы элементы, которые способны реализовывать два устойчивых (стабильных во времени и не разрушаемых термическими флуктуациями) состояния, соответствующие “0” и “1”, и допускать быстрое переключение между ними. Такие функции может выполнять электрон в двухуровневой системе (например, в двухатомной молекуле - перейти с одного атома на другой). Это реализовало бы заветную мечту - одноэлектронное устройство. К сожалению, пока лучшие современные электронные средства неэкономно “тратят” сотни, тысячи электронов на одну операцию. Другая возможность - переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое (например, воздействуя магнитным полем), чем и занимается спинтроника.

Динамика развития микроэлектроники в предшествующие 30 лет и прогноз на следующее десятилетие на примере роста параметров больших интегральных схем оперативной памяти для персональных компьютеров.

Магнитные квантовые эффекты задействованы также в работе сверхпроводящих элементов, включающих джозефсоновский переход. Последние представляют собой две сверхпроводящие пленки, разделенные тонким слоем (~1 нм) диэлектрика. Один или несколько джозефсоновских контактов включаются в обычную электрическую цепь. Электроны в сверхпроводнике ведут себя скоррелированно, в результате чего ток и созданный им магнитный поток квантуются: в кольце из двух джозефсоновских контактов, включенных параллельно, может укладываться только целое число длин электронных волн, а внутри такого кольца может существовать не любой магнитный поток, а только кратный целому числу квантов магнитного потока. Это обеспечивает автоматический переход от аналогового способа представления информации к дискретному.

Элементы быстрой одноквантовой логики, в которых единицей информации служит квант магнитного потока, позволяют обрабатывать сигналы с частотами выше 100 ГГц при крайне низком уровне диссипации энергии. Особенно ценно то, что такая структура является одновременно и логическим элементом, и ячейкой памяти. Поскольку объем данных, передаваемых в Интернете, удваивается каждые три-четыре месяца, в ближайшей перспективе даже лучшие из разрабатываемых сейчас полупроводниковых приборов не смогут пропускать такие большие потоки. Трехмерные структуры, состоящие из сложенных в стопу джозефсоновских электронных схем, видятся сейчас как единственная альтернатива планарным полупроводниковым микросхемам.

Страницы: 1, 2