Физические основы памяти

Объединение компьютеров в информационные сети привело к слиянию компьютерной и телекоммуникационной технологий. Растет потребность в обеспечении хранения больших массивов информации и параллельно – в улучшении оперативной памяти (ее быстроты и стабильности). Использование спинтроники позволит сделать память нанокомпьютера не только с высокой плотностью записи информации, но и энергонезависимой (не стираемой при отключении электропитания).

Кроме рассмотренной выше магнитной памяти, в стадии разработки находится наномеханическая память. Ее основная ячейка представляет собой наноструну, которая при определенной амплитуде внешнего высокочастотного напряжения принимает одно из двух состояний.

В ряде лабораторий мира разрабатываются основы оптической, голографической памяти (трехмерной). Специалисты полагают, что переход к трехмерной записи и считыванию информации, в отличие от сегодняшней двумерной (на поверхности носителя), позво­лит на несколько порядков увеличить плотность записи. Один из вариантов трехмерной памяти основан на одновременном использовании двух лазеров, излучение которых действует на разной глубине элемента памяти. Но чтобы такая память стала «молекулярной», т. е. область воздействия лазеров была по величине сравнима с 1 нм, необходимы лазеры с очень короткой длиной волны, например лазеры, работающие в ультрафиолетовом диапазоне, что пока проблематично.

Получены трехмерные структуры ДНК, которые можно использовать для создания трехмерных элементов наноэлектроники. Предлагаются экзотические варианты памяти, например с использованием вирусов табачной мозаики, на поверхность которых внедрены наночастицы платины. Среди множества лабораторных разработок постепенно выкристаллизовываются технически и экономически перспективные.

Полупроводниковые гетероструктуры и сверхрешетки

На полупроводниковом гетеропереходе скачком меняется ширина запрещенной зоны и другие электриче­ские характеристики. Граница двух полупроводников при этом должна быть по возможности без структурных дефектов и механических напряжений. Это возможно при практическом совпадении кристаллической структуры двух полупроводников А и В (гетеропары А/В), например для GaAs/AlAs. В этом случае их кристаллические структуры аккуратно «сшиваются ».

Прогнозируется [1], что электроника еще долгое время будет основываться преимущественно на гетероструктурах. Ведущим исследовательским центром в области полупроводниковых наноструктур в России является Физико-технический институт РАН.

Гетероструктуры позволили получить современные инжекционные лазеры, создать детекторы инфракрасного излучения, улучшить характеристики транзистора – основного элемента микроэлектроники – и т. д. Их применение позволяет создавать принципиально новые приборы и улучшать характеристики старых. Гетеролазеры используются в CD-плеерах, лазерных принтерах, в высокоскоростной волоконной связи. Гетероструктуры используются в фотодетекторах, в сол­нечных элементах. Международная космическая стан­ция при введении в строй всех солнечных батарей станет самым ярким небесным телом после Луны. Светодиоды позволят решить проблему экономичного освещения: в настоящее время на освещение помещений, улиц, заводов и пр. тратится около 20% всей по­лучаемой в мире энергии.

Гетероструктуры не только служат основой многих современных устройств и приборов, они широко используются в физическом эксперименте, и с их по­мощью уже сделан ряд открытий в квантовой электро­нике.

Если размеры гетеропереходов меньше 100 нм – это уже наноструктура. Современная технология формирует такие наноструктуры с атомарной точностью, что позволяет ввести термины «инженерия зонной структуры» и «инженерия волновых функций». В 1970 г. Л. Эсаки и Р. Цу создали первую искусственную сверхрешетку – периодически расположенные в полупроводнике квантовые ямы и барьеры. Это было началом практической инженерии зонной структуры.

Свойства гетероструктуры, т. е. расстояние между потенциальными барьерами и ямами, их высоту, регу­лируют за счет размеров наноструктур, их химического состава, формы, а также воздействием различных внешних полей (электрических, магнитных, электромагнитных).