24 ноября 2017 Г. Нанотехнологии и наноматериалы Российские нанотехнологии STRF.RU регистрация вход

   
Подписка
Главная / Образование
Редколлегия
Контакты
Размещение рекламы
Партнёры
форум
Образование

Наноэлектроника вокруг нас

Сегодня нанотехнологии в развитии электроники занимают далеко не последнее место. Если взглянуть на современные интегральные микросхемы или микропроцессоры, на которых умещается уже более миллиона транзисторов, становится ясно, что технологические масштабы стремятся к уменьшению. Действительно, мощность современных компьютеров несравнима со старыми моделями, а с функциями, которые еще недавно выполняли настольные системы, сейчас с легкостью справляются КПК, умещающиеся в обычный карман. Такой стремительный прогресс не имел бы места без развития наноэлектроники, одной из мощнейших отраслей нанотехнологий.

 

Цифровые дорожки

Современные устройства памяти позволяют хранить огромное количество информации, используя при этом устройства, размером с почтовую марку. Такое стремление к уменьшению масштабов может привести к тому, что уже через несколько десятков лет биты и байты информации будут записываться на отдельных молекулах и даже атомах. Конечно, пока это фантастика, но уже сегодня есть немало примеров развития технологий, достойных восхищения.

В 1981 году сотрудники IBM получили нобелевскую премию за выдающееся изобретение, позволяющее получать картину рельефа поверхности исследуемого вещества на атомарном уровне. Созданный ими атомно-силовой микроскоп (АСМ) предполагал совершенно новый подход к исследованию: вместо увеличивающих линз и зондирующих электронов используется микроскопический зонд (кантилевер), толщиной в несколько сотен атомов. В результате сканирования поверхности происходит обработка информации, которая фиксирует отклонения зонда в зависимости от изменения рельефа исследуемой материи. Интересным фактом стало то, что при случайном соударении кантилевера с поверхностью на ней появляется небольшое углубление (пит). Если принять пит за логическую единицу, а его отсутствие за ноль, то принцип АСМ можно использовать для реализации запоминающей системы. Таким образом, используя технологию атомно-силовой микроскопии, компания IBM с успехом реализовала устройство хранения информации, получившее название Millipеde (пер. с лат. «многоножка»).

Основными элементами в устройстве являются записывающая матрица, среда хранения информации и манипуляторы. Для более детального понимания принципа работы Millipеde, рассмотрим иллюстрацию, которая подробно показывает, как работает этот прибор. Здесь специальный полимерный носитель представляет собой уникальную платформу, которая позволяет многократно производить процесс записи и стирания цифровых данных.

Полимерный носитель и матрица

Для реализации такого механизма хранения данных используют универсальную матрицу из 4096 щупов, каждый из которых имеет токопроводящую иглу. Запись информации происходит благодаря деформации полимерного носителя, а именно, нагретый конец иглы выдавливает небольшое углубление канонической формы, которое несет смысл логической единицы. Из рисунка видно, что щуп нагибается к носителю, когда через него протекает ток записи, и нагревает легированную область до 400 С. Отсутствие углубления означает логический ноль.

Для стирания информации необходимо удалить каноническое углубление. Это можно выполнить двумя способами. Во-первых, нагретая током игла воздействует на впадину таким образом, что при извлечении её обратно происходит вытягивание полимерного углубления, и как следствие этого достигается выравнивание полимерной платформы. Во-вторых, ликвидировать пит можно выплавкой небольшого углубления рядом со старым питом, что приводит к выравниванию последнего.

Считывание информации происходит в результате анализа полимерного носителя. На рисунке видно, что при попадании сканирующей иглы в пит, происходит процесс протекания тока чтения. Значит, наличие тока соответствует логической единице, его отсутствие логическому нулю. Таким образом, слабые изменения сигналов преобразуются в поток битов.

Процессы записи (слева) и считывания (справа) битов

Стирание битов

«Цифровой код»

Что такое двоичный цифровой код? Почему изобретатели компьютеров взяли за основу именно его? Для ответа на этот вопрос рассмотрим работу микропроцессора. В качестве активных элементов устройства выступают транзисторы, содержание которых колеблется от тысячи до миллиарда на одной микросхеме. Быстродействие такого устройства напрямую зависит от количества активных элементов на единице площади. По сути, данный механизм построен на базе множества ключей (переключателей), которые могут находиться только в двух состояниях: включен или выключен. Теперь представьте, насколько сложно было бы сконструировать систему, которая бы смогла посредством электрических сигналов кодировать десятичное число, то есть каждому значению от 0 до 9 соответствовало бы своё номинальное значение напряжения. Этим и обуславливается выбор двоичной системы кодирования информации. А программное обеспечение призвано свести любую задачу к последовательному выполнению операций: наличие напряжения и его отсутствие. Это позволяет реализовать огромную скорость вычислений и без проблем выполнять обработку информации.

Но для человека логические символы это всего лишь простой набор чисел. Чтобы понять информацию, представленную в двоичном коде, необходимо декодировать цифровые данные, т.е. перевести их на понятный для нас язык. Это реализуется за счет того, что для каждого элемента (это может быть буква или число) существует своя, присущая только ему комбинация нулей и единиц, и информация об этом храниться в декодирующем устройстве.

Эффективность цифрового кода заключается в его простоте, который обеспечивает процессору фантастическое быстродействие. На иллюстрации ниже представлен базовый элемент процессора – полевой транзистор. Приложенное к затвору напряжение индуцирует электрический заряд, благодаря которому канал пропускает ток от истока к стоку. При достаточно малых размерах затвора такой транзистор может выключаться и включаться миллиарды раз в секунду, выдавая миллиарды бит информации за единицу времени. И это только один активный элемент, а их количество может достигать миллиардов!

Полевой транзистор

 

Материалы для электронных устройств нового поколения

До недавнего времени основными материалами для изготовления изделий микроэлектроники считались кремний, предназначенный для производства чипов, и медь, используемая в токопроводящих дорожках и контактах. Хорошая электропроводность металлов объясняется тем, что благодаря плотному расположению атомов в кристаллической решетке, валентные электроны не участвуют в межатомных взаимодействиях и образуют так называемый «электронный газ». И чтобы заставить электроны двигаться упорядоченным образом, достаточно создать в области металлического проводника разность потенциалов.

На сегодняшний день перспективными материалами для наноэлектроники являются синтетические проводящие полимеры. Это открывает путь к новой электронике 21 века, основанной на органических материалах. Полимеры представляет собой огромные молекулы-цепочки, которые состоят из большого числа многократно повторяющихся однотипных звеньев (мономеров). В природе полимеры встречаются очень широко, это хорошо известные белки, каучуки, различные природные смолы. Человек сейчас научился синтезировать искусственные полимеры и наделил их уникальными свойствами, которые позволяют одним выдерживать очень высокие температуры, другим обладать высокой механической прочностью, сравнимой со сталью, третьим проводить электрический ток. Проводящие полимеры представляют собой молекулы, в которых чередуются двойные углеродные связи. В чистом виде они не проводят ток, так как электроны локализованы и участвуют в образовании межатомных связей. Обеспечить электропроводность возможно благодаря внедрению примесей, легированию. Это позволяет высвободить локализованные электроны, и тем самым обеспечить ток.

Многие из нас являются пользователями интернета. Не редко невысокая скорость передачи данных накладывает массу ограничений для полноценного пользования глобальной сетью. В скором будущем максимально возможную скорость планируют увеличить в сто раз, благодаря использованию специального полимера и фуллеренов. Созданный по специальной технологии фотонный транзистор будет способен управлять световым потоком при помощи других потоков. Это первый шаг на пути к созданию первых, полностью оптических, маршрутизаторов. Сейчас же для управления потоками данных (которые между крупными узлами передаются по оптоволокну), их преобразовывают из оптических импульсов в электронные. Такое двойное преобразование снижает общую пропускную способность Сети.

Еще одним уникальным материалом, обладающим широким спектром свойств является фуллерен. Внешне фуллерен имеет довольно интересную конфигурацию, его каркасная структура напоминает футбольный мяч. Внутри этой углеродной молекулы имеется полость, в которую, благодаря капиллярным свойствам, можно транспортировать различные атомы.

Углеродная нанотрубка

Но больший интерес вызывают углеродные нанотрубки, представляющие собой молекулы, состоящие из около миллиона атомов углерода. Ученые предсказывают, что нанотрубки смогут проводить электрический ток огромных значений практически без выделения тепла в пространство. Классический проводник при таких значениях мгновенно бы испарился. Углеродные трубки найдут широкое применение в компьютерной индустрии, с помощью них реализуют эмиссионные мониторы, разрешающая способность которых будет весьма впечатляющей, масштаб пикселя будет порядка одного микрона, что значительно повысит качество изображения.

Нанотрубки ученые планируют использовать и в создании полупроводниковых гетероструктур. Для реализации системы металл-полупроводник в процессе выращивания нанотрубки достаточно внести механический дефект в ее кристаллическую структуру. Таким образом, одна из частей материала будет обладать металлическими, другая полупроводниковыми свойствами.

Прогресс не стоит на месте. Кроме новых материалов, эволюции подвергаются и процессы изготовления электронных устройств на их основе. Сейчас можно смело предположить, что части приборов будущего будут печатать на обычных принтерах. Достаточно будет использовать специально созданный для этого носитель и особый химический раствор вместо чернил. Это очень серьезный конкурент для громоздкого и дорогостоящего оборудования по производству интегральных микросхем. На иллюстрации представлен экспериментальный образец пластичного дисплея, изготовленного из светоизлучающего полимера, где излучение происходит за счет рекомбинации электронов и дырок.

Пластичный дисплей

 

Нанопроцессор из 17 молекул

Как мы уже говорили, в будущем кодирование информации будет производиться на уровне атомов и молекул. И в этом направлении есть уже первые реальные шаги. Одна из разработок представляет собой молекулярную машину всего из 17 молекул DRQ (тетраметил и бензоквинон). Данное устройство функционирует как процессор и способно выполнять 16 команд за один такт. Размер этой машинки всего 2 нм. По форме устройство напоминает обычное кольцо с четырьмя спицами, которые способны изменять свое положение в пространстве, передавая, таким образом, информацию в двоичном коде. То есть, определенное положение спицы несет смысл логического нуля или единицы. Несмотря на микроскопические масштабы этот нанопроцессор способен кодировать свыше 4 миллиардов комбинаций в секунду.

Эта технология позволит в скором будущем приблизить нас к созданию молекулярных нанороботов. Но их надо будет обеспечить не только надежным и функциональным микропроцессором, но и электрической энергией. В рассматриваемом устройстве вырабатывает энергию наногенератор, в котором на отклоняющие струны из оксида цинка воздействуют ультразвуковые колебания. Для увеличения производительности устройства на нем размещено около тысячи нанонитей, работающих совместно.

Наногенератор

Так же есть гипотеза, что человеческий организм способен самостоятельно поддерживать работоспособность такого наногенератора. Дело в том, что живая материя создает незначительные вибрации, которых вполне может быть достаточно для нормального функционирования наноразмерной динамо-машины.

 

Кремниевая сетчатка

Проблема ослабленного зрения не сегодняшний день уже не является серьезным препятствием для медицины. Лазерная коррекция дает возможность навсегда расстаться с очками и линзами. Но развитие современной науки позволяет не только корректировать зрение, но и создавать биологические аналоги сетчатки глаза. На основе кремниевого чипа ученые создали модель, которая выполняет имитацию функций биологической сетчатки. В качестве светочувствительных элементов (клеток) здесь выступают фототранзисторы, которые находятся в непосредственной связи с другими активными элементами, выполняющих роль нервных клеток. Они обрабатывают первичную зрительную информацию с последующей передачей её в мозг. Масштабы такого устройства позволяют без труда расположить его внутри глаза. Если обратить своё внимание на перспективы развития, то использование органического полимера значительно упростит конструирование будущих имплантатов, а использование молекулярных нанороботов позволит воспроизводить человеческий глаз максимально приближенно к биологическому аналогу, и даже превосходить оригинал по функциональным показателям. Такая технология реализует фантастические проекты – позволит человеку анализировать невидимый для обычного глаза спектр излучения.

Биологическая сетчатка (слева), кремниевая сетчатка(справа)

 

NEMS-технологии

Искусственный нанопривод, содержащий огромное количество микроскопических щупов, реализует свои функции посредством механических перемещений токопроводящих игл. Такая совокупность электронных и механических систем хорошо демонстрирует нам NEMS-технологии в действии. Аббревиатура NEMS в переводе с английского означает наноэлектромеханические системы. Отличительной особенность таких устройств является то, что кроме электроники они могут выполнять различные механические действия. Примером такого устройства являются механо-транзисторы. На первый взгляд непонятно, зачем использовать механику, но, как оказалось, такой транзистор имеет ряд преимуществ перед микроэлектронным. Чтобы обеспечить положение логического нуля или единицы обычный транзистор затрачивает миллионы электронов, для механического достаточно одного. Только представьте, какая это фантастическая экономия энергии! На данном принципе исследователи пытаются разработать, так называемую, механопамять.

Электронный транзистор и механотранзистор

 

Капля воды

Перечисленные способы еще не весь потенциал разработчиков по увеличению мощности процессоров. Исследователи осваивают все новые возможности для уменьшения размеров активных элементов. Еще один способ уменьшить размеры электронных элементов на микросхеме и увеличить их плотность размещения – использовать свет с меньшей длинной волны. Преодолев множество технологических трудностей, ученым удалось наладить работу со светом с длиной волны в 157нм.

В своё время флоренский физик Джованни Батиста Амичи для увеличения качества изображения в окуляре микроскопа использовал капельки воды, которые он размещал на исследуемом объекте. Сегодня это идея нашла новое применение в полупроводниковой промышленности. На иллюстрации представлено устройство, которое показывает механизм работы данного метода.

Газовый лазер

Газовый лазер на основе фтора и аргона позволяет «печатать» на полупроводниковой подложке элементы, размером, начиная с размеров в четверть длинны волны, от 193 нанометров. Капелька воды выполняет функцию линзы, в результате увеличивается разрешающая способность и глубина резкости, т.е. диапазон расстояний до объектива, при которых изображение остается четким. Использование данной технологии позволит выпускать новое поколение микрочипов с расстоянием между транзисторами в 32 нанометра.

 

Заключение

Использование инновационных материалов 21 века позволяет воплощать в реальность самые немыслимые проекты. Органические полимеры проводят электрический ток, кодирование информации в скором будущем будет производиться с помощью отдельных атомов и молекул, мощность процессоров повышается с понижением энергопотребления. В наш век информационных технологий мы становимся свидетелями, как то, что еще недавно было фантастикой, становится реальностью.

В статье использованы материалы:

1. Ежемесячный научно-информационный журнал «В мире науки», 2003, N5.
2. http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/mekhanicheskii-nanogenerator-obespechit-nanorobotov-energiei
3. http://exit.kz/2008/03/12/print:page,1,ja_robot._chast_pervaja.html
4. Мария Рыбалкина «Нанотехнологии для всех»
5. Ежемесячный научно-информационный журнал «В мире науки», 2005, N8.
6. http://www.computerra.ru/254935/?r1=yandex&r2=news
7. А.В. Шилейко, Т.И. Шилейко «Микропроцессоры», Издательство «Радио и связь», 1986.

Александр Обуденов // 07.08.08


обсудить публикацию

версия для печати



ай вао
Новости

Вышел 3-4 номер журнала «Российские нанотехнологии» том 12 2017


Из печати вышел 3-4 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2017 год

читать полностью читать полностью

Вышел 1–2 номер журнала «Российские нанотехнологии», том 12 2017 год


Из печати вышел 1–2 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2017 год

читать полностью читать полностью

Вышел 11–12 номер журнала «Российские нанотехнологии», том 11 2016 год


Из печати вышел 11–12 номер журнала «Российские нанотехнологии» за 2016 год

читать полностью читать полностью

Нанотехнологии: от малого до великого


Сопредседатель 7-го Нано и Гига Форума Анатолий Коркин об особенностях конференции, которая пройдёт в 2017 году в Томске

читать полностью читать полностью

Наноконтейнеры для полиненасыщенных жирных кислот


Молекулы пищевых биополимеров можно использовать как микро- и наноконтейнеры для этих веществ и применять для обогащения продуктов питания

читать полностью читать полностью




Acta Naturae



© ООО «Парк-медиа», 2007-2008

Разработка - Metric

Все права защищены
Рейтинг@Mail.ru Rambler's Top100