1.3.Границы изменения масштабов

Технологии типа сверху - вниз в неявной форме предпола­гают, что уменьшение размеров структур не влияет на их фун­даментальные свойства и принципы функционирования. Производственники как бы считали, что свойства вещества при миниатюризации не изменяются, так что проблема для них формально сводилась к уменьшению размеров ранее созданных (возможно, десятилетие назад) электронных устройств. Основ­ная проблема НТ заключается как раз в гораздо более сложном явлении, так как (на некотором этапе развития) изменение мас­штабов изучаемых и используемых объектов приводит к сущес­твенным изменениям не только условий производства, но и к необходимости пересмотра даже самих законов природы! Если используемая стратегия миниатюризации не противоречит по­нятным и известным нам законам природы, то исследователь, естественно, может придерживаться прежних концепций дизай­на. Для производства компонентов микроэлектроники это про­сто означает, что возможно изготовление новых, более миниа­тюрных изделий того же типа (но с повышенными характеристи­ками) на основе, например, совершенствования литографических технологий и иных стандартных материалов на основе ра­нее существовавших принципов функционирования. Но даже для литографии проблема не является столь простой, поскольку ее возможности (размеры получаемых структурных элементов) ограничены длиной волны используемого света, то есть переход от микро- к нанообласти требует перехода от ультрафиолетово­го (УФ) излучения к так называемой дальней ультрафиолетовой области, для которой пока не существует не только стандар­тных источников света и соответствующих материалов, но даже и методов оптической проекции. В данном случае, помимо со­храняемых теоретических принципов конструирования, необ­ходимо решить весьма непростые технические задачи, связан­ные с физикой процессов вообще. Аналогичные примеры можно привести для самых различных областей развития НТ.

Даже в тех случаях, когда изменение масштабов производ­ственных процессов представляется технически выполнимым и экономически целесообразным, исследователь должен серьезно задуматься о том, что любой переход «вниз» связан с возмож­ным изменением известных законов физики, делающих бес­смысленным постановку самой технологической задачи, вследствие неадекватного поведения физических явлений при новых масштабах. Например, обычный современный транзис­тор включает в себя от 10¹⁰ до 10¹² атомов, но нанотранзистор будет состоять только из 1000 (Ю³) атомов, в результате чего в нем может проявляться «индивидуальность» отдельных атомов (в объемных образцах атомы являются и считаются «идентич­ными»). Результатом такого изменения масштабов и соотноше­ний станет тот факт, что нанотранзистор не будет работать в соответствии с первоначальными критериями проектировщика, например, вследствие того, что свойства кристаллов кремния изменятся по нарастающей с уменьшением структурных разме­ров. Примерно к этому сводится множество новых явлений в нанотехнологии.

Представляется целесообразным различать три главных ас­пекта миниатюризации, которые могут влиять на функцио­нальную способность наноструктур настолько сильно, что исходные критерии их проектирования (дизайна) могут поте­рять всякий смысл: • В нанотехнологиях особую ценность приобретают свойства материала на поверхности структуры, поскольку в некото­рых случаях весь объект может быть представлен в виде особой «поверхности». При этом поверхностные области ма­териала по своим свойствам начинают существенно отли­чаться от физико-химических характеристик внутри мате­риала.

• Определенные параметры какого-то материала или компо­нента могут быть настолько уменьшены, что их возможнос­ти уже не реализуются в рамках предложенного принципа функционирования.

• Квантовые закономерности на новых масштабах могут про­являться в такой степени, что «исчезают» сами явления, необходимые для использования в предлагаемых устрой­ствах или материалах.

Перечисленные пределы уменьшения размеров не явля­ются решающими для математических расчетов, а также для оценки физических или химических характеристик в моде­лях типа снизу — вверх, поскольку во многих случаях не очень существенно, каким образом была получена та или иная наноструктура, однако почти всегда имеет огромное зна­чение само уменьшение масштабов (в нашем контексте, миниатю­ризация). Изменение масштабов всегда требует смены парадигм в отношении принципов функционирования и использования конкретных структур. В НТ это становится источником новых возможностей (недостатки превращаются в достоинства!), по­скольку функциональность систем может быть основана на ка­чественно новых свойствах, возникающих именно вследствие последовательной миниатюризации.

Выводы: Уменьшение размеров изделий всегда связано с экономическими и техническими проблемами, но важнейшие ограничения для бесконечной миниатюризации связаны, ко­нечно, с физическими законами природы, так как при некото­рых размерах мы неизбежно сталкиваемся с квантово-механическими эффектами, настоятельно требующими смены парадигмы развития, связанной с принципами функционирова­ния и критериями проектирования самих устройств. Направ­ленное использование новых свойств, обусловленных малыми размерами используемых структур, является одним из основных принципов НТ.