Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии без тайн (Уильямс), 2010, c.362
.pdf
ГЛАВА 9 Электроника и сенсоры
мышленности (Semiconductor Industry Association — SIA), в которую входят основные производители микропроцессоров, совместно с пра
вительственными органами США разработала программу оценки воз можностей новых нанотехнологических процессов и финансирования
исследований правительственными и частными организациями.
SIA сфокусируется на двух трех новых нанотехнологических
областях, чтобы максимально сконцентрировать в них средства и ресурсы. Ученые и инженеры смогут проводить свои исследования более организованно и координированно.
До 2005 г. ученые не знали, как можно производить нанотрубки
в промышленном масштабе. Дело в том, что после выращивания по
лучаются нанотрубки разного диаметра и длины, а также со свой ствами проводников и полупроводников. Действительно, миллионы углеродных нанотрубок выглядят как обычное пятнышко сажи. Для извлечения нанотрубок заданного типа и размера нужно изрядно по
трудиться.
Группе ученых из компании DuPont и Университета Райс (США) удалось разделить нанотрубки с помощью специальных добавок, ко торые не дают нанотрубкам слипаться. Лауреат Нобелевской премии Ричард Смолли описал эту ситуацию так: «Представьте себе, что на
нотрубки — это спагетти, а мы лишь изобрели масло».
В 2005 г. проблема получения однообразных трубок стала ме нее актуальной. Ученые из компании Southwest Nanotechnologies (США) предложили способ выращивания нанотрубок постоянного диаметра, а их коллеги из Университета Дюк и Национальной лабо
ратории в Лос Аламос (США) вырастили самые длинные нанотруб
ки — длиной около 4 см. Благодаря их усилиям теперь можно полу
чать нужное количество нанотрубок одинакового размера, а значит, упрощается их применение.
НАНОПРОВОДА
Методы очистки, распутывания, выпрямления и сортировки на нотрубок гораздо сложнее, чем методы выращивания кремниевых
кристаллов. А создание электрических цепей на их основе — это огромная техническая проблема, которую сейчас решают ученые и инженеры.
Нанопровод — это проволока диаметром всего несколько нанометров (то есть око- |
|
ло 10-9 м). На таком масштабном уровне важную роль играют законы квантовой |
|
механики, а потому подобные провода называют квантовыми проводами. |
203 |
|
ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
Гораздо проще работать с кремниевыми нанопроводами (нано стержнями, или квантовыми проводами), которые являются следу ющим этапом развития кремниевой электроники. Как и нанотрубки,
нанопровода могут образовывать сложные конфигурации из сверх
малых транзисторов, но они не обладают сверхвысокой прочностью нанотрубок.
Нанопровода могут образовывать сложные системы с другими материалами. Кремниевые нанопровода научились делать благода
ря огромным успехам современных электронных технологий. Дело
в том, что ученые и инженеры могут контролировать их структуру и свойства так же, как делали это на протяжении многих лет.
Однако кремний — не единственный материал, пригодный для создания нанопроводов. Для разных целей могут применяться метал
лические или многослойные нанопровода из золота, меди или мар
ганца.
Нанопровода диаметром 12 нм можно использовать для оптиче ских и электромагнитных систем, включая сенсоры и солнечные ба тареи.
На рисунке 9.4 перечислены материалы, из которых можно из
готавливать нанопровода.
204 |
Рис. 9.4. Нанопровода можно создавать из разных материалов |
ГЛАВА 9 Электроника и сенсоры |
|
ПОДВЕШЕННЫЕ НАНОПРОВОДА |
|
Нанопровода создают в лабораториях с помощью подвешивания |
|
или напыления. Обычный провод подвешивают в вакуумной камере |
|
и уменьшают его толщину либо с помощью травления, либо обстре |
|
ливая его высокоэнергетичными частицами, либо вытягивая его из |
|
расплава (приблизительно так, как вытягивают вилкой очень тонкие |
|
волокна из расплавленного сыра моцарелла). |
|
НАПЫЛЕННЫЕ НАНОПРОВОДА |
|
Напыленные нанопровода образуются на подложке из другого |
|
материала, например, в виде ряда атомов металла на непроводящей |
|
поверхности. Это обычно достигается с помощью лазерной абляции |
|
(«стирания») атомов источника нанопроводов в состоянии типа пар– |
|
жидкость–твердое тело. |
|
Сначала источник подвергается воздействию катализатора (на |
|
пример нанокластеров золота). Атомы источника просачиваются |
|
в катализатор и насыщают его. В момент перенасыщения они пе |
|
реходят в твердое состояние и начинают расти в виде кристалла |
|
нанопровода. Длина такого нанопровода регулируется с помощью |
|
подачи атомов источника. Таким способом можно получать не только |
|
отдельные нанопровода из одного материала, но и сверхрешетки из |
|
перемежающихся материалов за счет включения разных источников |
|
во время напыления. Именно так получают нанопровода для полу |
|
проводниковых компонентов электрических схем. |
|
Для создания компонентов электрических схем на основе нано |
|
проводов отдельные нанопровода легируют (то есть добавляют при |
|
меси других химических веществ), чтобы получить полупроводники |
|
n типа или p типа. Затем простой переход p n типа фиксируют по |
|
средством простого физического соединения провода p типа с про |
|
водом n типа или при помощи химического легирования различными |
|
примесями. Например, переход p n типа можно получить с помощью |
|
всего одного провода. После создания переходов приступают к созда |
|
нию логических затворов на основе нескольких переходов p n типа. |
|
Несомненно, полупроводящие и проводящие нанопровода будут |
|
иметь огромное значение для будущих компьютеров, поскольку за |
|
действуют многочисленные преимущества нанотехнологий. |
|
СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ НАНОПРОВОДОВ |
|
Благодаря своим сверхмалым размерам нанопровода имеют уни |
|
кальные электрические свойства. В отличие от углеродных нанотру |
205 |
ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
бок, в которых электроны свободно перемещаются между контакта ми, проводимость нанопроводов очень сильно зависит от краевых
эффектов, возникающих, поскольку атомы на поверхности и внутри нанопровода по разному связаны с соседними атомами. Частично
связанные атомы на поверхности могут инициировать появление де фектов в нанопроводе, которые снизят электрическую проводимость
нанопроводов. Чем меньше нанопровод, тем больше в нем поверх ностных атомов, и тем сильнее краевые эффекты.
Квантовые эффекты в наномасштабной электронике
|
Необходимость создания сложной электроники и электрических |
|
компонентов на молекулярном уровне способствовала быстрому по |
|
явлению и развитию новых наномасштабных методов. На этом уров |
|
не огромное значение имеют точные измерения. Кинетические и |
|
квантовые эффекты существенно меняют электрические и тепловые |
|
свойства материалов и устройств. |
|
Проводящие наноструктуры могут применяться для наномас |
|
штабных измерений. Некоторые лаборатории уже активно использу |
|
ют движение отдельных электронов в качестве стандартных измери |
|
тельных инструментов электрического тока и емкости. Кроме того, |
|
ученые успешно измеряют свойства атомарных проводов и других |
|
электромагнитных наноструктур. |
|
Будущие наноструктуры, вероятно, будут использоваться в чрез |
|
вычайно широком спектре — от квантовых вычислений до сенсоров |
|
отдельных частиц и атомарных взаимодействий. Квантовые эффекты |
|
очень слабы с точки зрения макромасштаба, а потому для их измере |
|
ния требуются более точные инструменты. |
|
Некоторые микроскопические системы, несмотря на свой гораздо |
|
больший размер по сравнению с наносистемами, демонстрируют свой |
|
ства, присущие последним. Чаще всего такие наносвойства возникают |
|
при создании материалов и их взаимодействии. Например, наносвой |
|
ства проявляются при создании биочипов для секвенирования генов |
|
и других биологических приложений. Обычно стенки макроскопи |
|
ческих сосудов слабо влияют на течение в них жидкости. Однако в |
|
микроскопических и наноскопических сосудах это влияние становит |
|
ся огромным и может привести к непредсказуемым результатам. |
|
Благодаря развитию наноэлектроники был сделан огромный про |
|
рыв — изобретение оптических переключателей в оптоволоконных |
206 |
сетях. Световые волны (с длиной волны в несколько сотен наноме |
ГЛАВА 9 Электроника и сенсоры
тров) способны переносить гигабайты данных, но этот поток умень шается, когда наступает этап их обработки с помощью электронов.
Поскольку электронные коммутаторы стоят очень дорого, у разра ботчиков оптических коммутаторов имеется огромный экономиче
ский стимул. Оптические коммутаторы могут иметь вид массива или кольца из линз и зеркал (рис. 9.5), преобразующих и расщепляющих
поток фотонов, которые переносят данные.
Рис. 9.5. Примеры оптических коммутаторов
Биологические наносенсоры
Как уже обсуждалось в главе 5, биологические сенсоры — очень |
|
важные инструменты для идентификации токсичных химикатов, ко |
|
торые в малых концентрациях могут находиться в промышленных |
|
продуктах, химических соединениях и окружающей среде (вода, |
|
воздух, почва), а также для обнаружения опасных биологических |
|
систем (например, бактерий, вирусов и т. п.). |
|
Экстремальная специфичность биологических зондов, а также |
|
сверхчувствительность оптических детекторов на основе лазеров по |
|
зволяет биологическим сенсорам обнаруживать и различать химиче |
|
ские компоненты сложных систем. Благодаря их тонко настроенной |
|
схеме можно четко определять и точно измерять исследуемые об |
|
разцы. |
|
Новая группа биологических наносенсоров с использованием |
|
антител и ДНК зондов расширяет арсенал уже имеющихся биологи |
|
ческих сенсоров. Например, для идентификации канцерогенов уже |
207 |
ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
применяются флюороиммуносенсоры (fluoroimmunosenors — FIS) на основе антител. Антитела располагают в конце оптоволоконного
зонда или сенсора (внутри FIS) для анализа в режиме in vivo или in vitro. Экстремальная чувствительность достигается с помощью ла
зерного излучения с более высокой энергией и управляемых оптиче ских сигналов.
FIS по волокну посылает в образец сигнал увеличенной энер гии и собирает флуоресцентное излучение, испускаемое белком на
конце зонда. Зонд после лазерного облучения возбуждает образец,
связанный с антителами на кончике оптоволоконного зонда. С помо щью этого метода можно выполнять быстрые и простые измерения химических и биологических агентов с гораздо бóльшей чувствитель
ностью.
Биологические чипы
|
Биологические процессы, например дифференциация клеток, де |
|
ление клеток, фагоцитоз (то есть пожирание чужеродных частиц) и |
|
некроз (смерть клеток), связаны с перемещениями компонентов кле |
|
ток. Для изучения этих важных процессов сейчас разрабатываются |
|
новые методы. Молекулярное маркирование с помощью химических |
|
и биологических методов позволяет точно отслеживать отдельные |
|
молекулы в процессе флуоресцентной микроскопии. |
|
С помощью новых нанотехнологий и наноматериалов можно бу |
|
дет обнаруживать атомы и молекулы, а также манипулировать ими |
|
на клеточном уровне в медицинских целях. Тот факт, что биологи |
|
ческие сенсоры имеют наномасштабные размеры, означает возмож |
|
ность чрезвычайно высокой степени локализации измерений в самых |
|
крохотных местах внутри клетки. Развитие биологических наносен |
|
соров и внутриклеточные измерения в режиме in situ с помощью на |
|
нозондов на основе антител — это большое достижение современной |
|
науки и техники. |
|
При помощи биологических наносенсоров ученые могут тести |
|
ровать отдельные молекулы и передаваемые между ними сигналы |
|
в специфических местах внутри клетки. Расположение биологиче |
|
ского наносенсора внутри клетки не влияет на клеточную мембрану |
|
или всю внутриклеточную деятельность. Это чрезвычайно приятная |
|
новость для медиков, которые всегда мечтали о такой возможности. |
|
Способность отслеживать процессы в режиме in vivo внутри живых |
208 |
клеток позволит существенно улучшить наше понимание клеточных |
ГЛАВА 9 Электроника и сенсоры
функций. Только одно это достижение нанотехнологий даст возмож ность полностью преобразовать клеточную биологию.
В настоящее время пристальное внимание уделяется исследова
нию биологических сенсоров с ДНК зондами (биочипами). Как уже упоминалось в главе 5, распознавание белков основано на чрезвы чайно точном соответствии участка ДНК с комплементарной (то есть
дополняющей) последовательностью нуклеотидов. ДНК зонды могут
принести пользу там, где возможно использовать это свойство ну клеиновых кислот. Биологические сенсоры такого типа могут помочь
вдиагностике генетической восприимчивости к некоторым заболева ниям, например наследственной гемофилии.
Сенсоры глюкозы, вероятно, являются самыми распространен
ными биологическими сенсорами. Тысячи страдающих от диабета людей во всем мире нуждаются в них для определения уровня глю козы в крови в течение всего дня. Принцип действия сенсора осно ван на использовании энзима (глюкозоксидазы), который ускоряет
реакцию глюкозы и кислорода с образованием глюконовой кислоты
и перекиси водорода. Сенсор может определять уровень глюкозокси дазы и вызванные им изменения электрического тока.
Биологические наносенсоры позволяют исследователям исполь зовать и тестировать биологические молекулы. Медики хотели бы
создать такие наноинструменты, которые помогут анализировать
клеточные процессы, выполняемые отдельными биологическими мо лекулами или клетками. Одни специалисты называют подобные ис следования клеточной инженерией, а другие — здравоохранением будущего.
Достижения микро и наноэлектроники позволят создать более миниатюрные, быстрые, точные и дешевые наноинструменты уже
вближайшем будущем (а некоторые уже созданы). В нашем ком пьютеризованном обществе все отрасли промышленности ощутят эти
преимущества и извлекут из них пользу.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1.Что регулирует ток/напряжение и действует как переключатель или вентиль для электронных сигналов:
(а) шлюз; |
|
(б) транзистор; |
|
(в) задвижка; |
|
(г) счетчик. |
209 |
ЧАСТЬ III «Сухие» (неорганические) приложения
2.Кремний, арсенид галлия и германий используются для созда
ния:
(а)удобрений;
(б) пластмассы;
(в) ингаляторов;
(г) полупроводниковых материалов.
3.Поведение вещества на атомарном и ядерном уровне описыва ется:
(а)квантовой механикой;
(б) делением ядра;
(в)геофизической тектоникой;
(г) физикой Эдварда.
4.Применение шаблонов для создания интегральных микросхем
называется:
(а) химиотерапией;
(б) фотосинтезом;
(в)трансдукцией;
(г)литографией.
5.Проводимость нанопровода в значительной степени зависит от:
(а) краевых эффектов;
(б) состояния рынка;
(в) солнечных вспышек;
(г)стоимости материалов.
6.Полупроводники n типа характеризуются:
(а) излишком кварков;
(б) избытком электронов;
(в) нейтрализацией всех зарядов;
(г)дефицитом электронов.
7.С помощью ультрафиолетового излучения со сверхкороткой длиной волны в скором будущем станет возможным создавать транзисторы на кремневой подложке, которые будут мощнее со
временных:
(а) в 10 раз;
(б) в 25 раз;
(в) в 50 раз;
210 |
(г) в 100 раз. |
ГЛАВА 9 Электроника и сенсоры
8.Удвоение плотности компонентов микропроцессоров каждые
полтора года называется:
(а)теорией Кулиновского;
(б) предположением Пауля;
(в) законом Мура;
(г) гипотезой Бардина.
9.Добавление примесей в полупроводниковые материалы называ ется:
(а)обзором;
(б)пластификацией;
(в) легированием;
(г) маскированием.
10.Флюороиммуносенсоры на основе антител применяются для
идентификации:
(а) москитов;
(б)канцерогенов;
(в) уровня глюкозы;
(г) ядерных отходов.
Глава 10
Коммуникации
Бурный рост коммуникационных технологий в последние 40 лет уже стали называть «информационным веком». С каждым годом упрощается способ общения с друзьями, родственниками и коллега
ми. Развитие Интернета дало возможность людям мгновенно полу
чать доступ к удаленной информации и обмениваться ею. Раньше об этом приходилось только мечтать, а теперь это можно осуществить одним щелчком мыши!
Методы доступа к информации и ее передачи могут совершить новый невероятный скачок с помощью наноматериалов и нано устройств. Как уже было сказано в главе 9, компоненты компьюте
ров могут создаваться на наномасштабном уровне как «сверху вниз»,
так и «снизу вверх». Эти методы также используются для разработ ки компонентов коммуникационных устройств, например мобильных телефонов и радарных систем.
Действительно, многие свойства наночастиц, которые имеют
огромное значение для производства компьютеров и сенсоров, могут иметь такое же значение и для коммуникаций. Есть возможность
применять некоторые наносистемы, например квантовые точки, во всех этих отраслях. Передача сигналов играет важнейшую роль в коммуникациях, и ее важность будет только возрастать по мере ис пользования свойств новых материалов.
Ученые активно изучают способы вычисления с помощью изме нения свойств отдельной молекулы или группы молекул. Создание
функционального элемента на основе молекулы, когда некоторое ее
свойство нужно связать с выполнением арифметического или логиче ского действия, является большой и сложной задачей для специали
стов молекулярной электроники.
Молекулярная электроника охватывает множество концептуаль ных, экспериментальных и модельных аспектов. При поиске отве 212 тов на вопросы нужно учитывать расположение и взаимодействие