1. Ю.И.Головин «Введение в нанотехнику», Машиностроение, Москва, 2007 г.

2. Ч.Пул, Ф.Оуэнс «Нанотехнологии», Техносфера, Москва, 2004.

3.П.П.Мальцев (ред.) «Наноматериалы. Нанотехнологии.Наносистемная техника», М., Техносфера,2005,152 стр.

4.М.Ратнер,Д.Ратнер «Нанотехнология»,М.,Вильямс,2004,240 стр.

Текст лекции

Основные функции информационных систем:

1. Обработка информации. Центральная задача любого компьютера или информационной системы - процессинг, т.е. быстрая обработка поступающей информации и выдача решений и управляющих команд. Часто ее необходимо проводить в режиме оn line (управление летательными и космическими аппаратами, атомными электростанциями, сложными энергетическими и технологическими установками и т.п.).

Для этого в любом компьютере имеются микропроцессор (или группа связанных микропроцессоров) и средства оперативной памяти, с которыми процессор во время работы периодически обменивается информацией. В настоящее время это наиболее сложные и дорогостоящие узлы информационных систем (компьютеров), в значительной мере определяющие их возможности.

2. Хранение информации.- долговременное энергонезависимое сохранение больших объемов информации, к которой время от времени может обращаться информационная система. Соответствующие устройства не обязаны быть такими же быстродействующими, как блоки оперативной памяти (обычное время доступа - миллисекунды), но они должны обладать большой емкостью и надежностью для безусловного сохранения информации в течение нескольких лет без энергопотребления и обновляющей перезаписи. Также они должны позволять записывать новую информацию и удалять ненужную.

3. Передача информации. Большая часть компьютеров, телефонов, телевизоров, технологической электроники работает в сетях, т.е. они должны быть соединены друг с другом линиями связи. Существуют и внутренние связи в компьютере, локальном информационном или технологическом модуле, каждой отдельной микросхеме. Очевидно, в будущем степень интегрированности на всех уровнях иерархии электронных систем (в микросхеме, компьютере, локальных и глобальных сетях) будет только нарастать и определять функциональность, надежность, себестоимость процесса и другие характеристики. Возможна как гальваническая связь посредством проводников, так и бесконтактная с помощью электромагнитных волн сверхвысокочастотного (СВЧ) или оптического диапазона.

4. Преобразование информации - получение ее из внешней среды и трансформация в электрический сигнал. Физически это осуществляется различными сенсорами, датчиками, микрофонами, видеокамерами.

Другая сторона этой функции - обратное преобразование закодированной информации в звуковые и зрительные образы, команды, исполнительные действия (механическое перемещение; силовое, тепловое или оптическое воздействие; технологическая обработка и т.п.). Здесь нарушается однородность системы и приходится переходить от одних физических процессов (механических; акустических, оптических, тепловых, химических и т.д.) к другим (электрическим) и, наоборот, преобразовывать электрические сигналы в действия и образы с помощью актуаторов, двигателей, инструментов, дисплеев, индикаторов, громкоговорителей и др.

Все устройства, преобразующие информацию об окружающей среде в электрический сигнал, называют сенсорами, а выполняющие обратное преобразование - актуаторами.

Поскольку практически все современные вычислительные машины работают с дискретной (оцифрованной информацией), а сенсоры и актуаторы - с аналоговой, для их взаимодействия необходимы аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, которые можно интегрировать в одном корпусе с соответствующим прибором или смонтировать на единой плате сбора и первичной обработки данных (Data Acquisition System - Das). Cовременные DAS способны не только собирать и оцифровывать первичные данные с большого числа датчиков (типично - с 32 или 64), но и выдавать команды и управляющие сигналы, которые формирует компьютер, в дискретной или аналоговой форме.

5. Защита информации. Функция - защита информации от несанкционированного доступа, использования, искажения, стирания. Она должна осуществляться как на физическом уровне, так и на программном и организационно-правовом.

С позиций новизны и радикальности подходов можно обозначить три основных парадигмы:

• развитие наноэлектроники путем эволюционного совершенствования существующих "кремниевых" планарных технологий;

• более глубокое модифицирование планарной технологии и распространение ее на другие материалы и ситуации;

• создание принципиально новой электроники следующих поколений на основе "некремниевых" устройств и физических принципов.

Эти идеи предполагают использование квантовых сверхпроводящих компонентов, нанотрубок, фуллеренов и их производных, оптотроники, биоэлектроники.

Эти три направления для краткости иногда называют так: "в будущее вместе с кремнием", "рядом с кремнием" и "без кремния". В настоящее время возможности кремниевых технологий до конца еще не исчерпаны (рис. 1), и при наличии больших производственных мощностей, отлаженного производства, подготовленных специалистов, инфраструктуры, разогретых рынков сбыта это направление еще долго будет занимать на рынке доминирующие позиции.

Табл. 1. Основные материалы наноэлектроники

Основные материалы наноэлектроники и области их применения в электронике представлены в табл. 1. Несмотря на значительную роль кремния (которая будет сохраняться и в ближайшем будущем), новые материалы постепенно вытесняют его из традиционных сфер приложений и создают новые ниши. В этом случае речь идет о промышленном освоении новых принципов и "некремниевых" полупроводниковых материалов, диэлектриков с высокой (для конденсаторов) и с низкой (для подложек и каналов связи) диэлектрической проницаемостью, сверхпроводников, фуллеренов и нанотрубок, новых самоупорядочивающихся магнитных и электрических материалов, синтетических и естественных макромолекулярных структур (органических молекул, полимеров, ДНК, энзимов, мембран и т.п.).

Наряду с неоспоримыми достоинствами, благодаря которым кремний прочно удерживает доминирующие позиции в микроэлектронике несколько десятилетий, он имеет ряд

особенностей, затрудняющих его использование в некоторых приложениях. Так, подвижность электронов в нем на один-полтора порядка величины ниже, чем в соединениях А³В⁵. Это предопределяет потенциально более высокое быстродействие приборов, построенных на "некремниевой" основе. Монокристаллический кремний является непрямозонным полу- проводником, т.е. минимум дна зоны проводимости на энергетической диаграмме (рис. 2) не располагается над максимумом потолка зоны проводимости в пространстве квазиимпульсов. Поэтому преобразование электрической энергии в световую в нем крайне неэффективно. Также мал и выход фотолюминесценции. Эти обстоятельства не дают возможности создавать кремниевые оптоэлектронные приборы и рассматривать монокристаллический Si как универсальный материал для микроэлектроники.

Основные процессы, используемые в производстве наноэлектроники на базе Si, могут быть объединены в три класса: модифицирующие, удаляющие и добавляющие новый материал (

Каждый из них, в свою очередь, разбивается на несколько групп. За редким исключением, почти все перечисленные на рис. 3 технологии уже применяются в промышленных масштабах, но при переходе на новый масштабный уровень (10... 100 нм) потребуют серьезного совершенствования.

Для того чтобы создать интегральную электрическую схему на поверхности чипа, необходимо сформировать на ней области с проводящими, диэлектрическими и полупроводниковыми свойствами.

Суть планарной технологии состоит в том, что сначала чистую поверхность кремния окисляют в потоке кислорода и образуют на ней тонкий слой диоксида кремния (рис. 4),

Рис. 4. Ключевые этапы планарной технологии:

а - окисление полированной поверхности монокристаллического кремния; б - вскрытие окон в слое оксида; в - создание тонких легированных слоев в кремниевой подложке и пленок других материалов в соответствии с заданными структурой и схемой внутренних соединений; /- поток ионов обладающий хорошими диэлектрическими свойствами. Затем в этом слое тем или иным способом вскрывают окна (обычно методом химического травления) для легирования кремниевой подложки и нанесения на эти места других необходимых материалов.

Наносимые слои с проводящими, диэлектрическими или полупроводниковыми свойствами имеют субмикронные толщины и, чередуясь, могут образовывать отдельные компоненты, связанные в заданную электрическую схему. Совокупность процессов формирования на поверхности кремния требуемых структур и составляют основу современных планарных технологий.

Другие составные части современной технологии производства БИС - разрезка слитка кремния на шайбы, их полировка, литография, различные виды термообработки, формирование тонкопленочных структур, сборка и контроль качества. На всех этих этапах, кроме литографии, не возникает особых затруднений при уменьшении масштабов технологической сетки. Каждый из них вносит несколько меньший, но сопоставимый с литографией вклад в производственные затраты (рис. 5).

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ И ИНФОРМАТИКИ

Кафедра ТИ-9 «Наноматериалы»

УТВЕРЖДАЮ

Ректор МГУПИ

И.В.Голубятников

« » 2013г.

ИЗБРАННЫЕ ЛЕКЦИИ

по дисциплине 4920

«ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ»

Рекомендуется для направлений подготовки

222900 «Нанотехнологии и микросистемная техника»

151001 «Технология машиностроения»

151700 «Технологические машины и оборудование»

220700 «Автоматизация технологических процессов и производств»

150100 «Материаловедение и технологии материалов»

151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»

Квалификация (степень) выпускника – бакалавр

МГУПИ-2013

Лекция №8. Нанобиотехнология

Время: 2 часа (90 мин.).

Учебно-материальное обеспечение: мультимедийный проектор

Содержание лекции:

Фундаментальные основы и области применения нанобиотехнологии. Основные направления развития биотехнологии. Основные объекты нанобиотехнологии. Самосборка и самоорганизация. Генная инженерия.

Литература к лекции: