Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии (Пул), 2005, c.325

Поэтому первоначально обратим внимание на исходные смысловые значения наиболее часто употребляемых приставок, идентифицирующих характеристиче­ ские геометрические размеры изучаемых объектов;

-ишсро- (от греческого MIKROE - малый);

нано- (от греческого NANNOE - карлик).

Как отмечалось во введении, применительно к индустрии наносистем гра­ ницы геометрического фактора в отношении возникновения новых нетрадици­ онных свойств, не присущих макро- и микросистемам, формально достаточно часто определены в интервале от единиц до 100 нанометров [2J. Однако, впол­ не очевидно, что иекоторый характеристический размер, идентифицирующий изучаемый объект по геометрическому параметру (топцана пленки, диаметр кластера ИЛИ нанотрубки), должен рассматриваться не просто как абсолютная величина, а в отношении к определенным фундаментальным параметрам ма­ териалов, имеющим аналогичную метрическую размерность. Особенно сложно определить границы геометрического фактора применительно к биоорганиче­ ским объектам [3], обладающим многообразием связей и конформаций. Поэтому приставка енано» ~ скорее особое обобщенное отражение объектов исследований, прогнозируемых явлеввй, эффектов и способов их опи­ сания, чем просто характеристика протяженности базового структ-ур­

ного элемента.

В то же время, наиболее характерными проявлениями «наномирв», даже по сравнению с традиционными объектами с микроскопическими характеристиче­

скими размерами, следует прванатъ:

появление нетрадицвонных видов симметрии и особых видов сопряжения границ раздела, конформаций с динамически перестраиваемой структурой; доминирование над процессами искусственного упорядочения явлений са­ моупорядочения и самоорганизации, отражающих проявление эффектов матричного копирования и особенностей синтеза в условиях, далеких от

равновесных;

высокая еполеваяе (электрическая, магнитная) активность и «каталитиче­ ская» (химическая) избирательность поверхности ансамблей на основе на­ ночастиц, включая интегрированные композиции неорганической и орга­ нической природы; особый характер протекания процессов передачи энергии, заряда и кон­

формационных изменений, стличающихсв низким энергопотреблением, вы­ сокой скоростью и носящих признаки кооперативного синергетического

пролесса.

Можно предположить, что причинами появления вышеуказанных особенностей

в условиях енаномира» являются:

изменение отношения вклада в различные процеесы поверхности частицы

по отношению к объему при переходе к наноразмерным системам;

энергетическая, полевая и «вещеетвеннаяв неравновесность поверхности,

охватывающая значительные объемы наночастиц; усиление роли различных видов размерных эффектов из-за значительной площади границ раздела в условиях нанокомпозиций;

Д.l.2. OC"Q6HbIC термины иQnpfJeAeH~ ~

проявление в условиях больших коллективов энергетически активных нз­

ночаствц неградиционных механизмов упорядочения, переноса энергии и

заряда;

малые характеристические размеры частиц и особый характер их упорядо­ чения, обеспечивающие энергетическую и пространственвую достynность транспорта заряда, энергии и конформационных изменений.

Таким образом, как отмечалось в наших более ранних работах [4,5], базисом индустрии наносистем являются новые, ранее не известные свойства

и функциональные возможности материальных систем при переходе к навомесштаёам, определяемых особенностями процессов переноса и распределения зарядов, энергии, массы и информации при нанострук­ турировании, то есть при переходе к объектам, представляющам со­ бой интеграцию искусственно или естественно упорядоченных нано­

систем.

Последнее утверждение непосредственно связано с достаточно частым обра­ щением в литературе по нвнотехнолог-ии к парадигме: «Сверху-вниз или снизу­ вверх». Формально речь идет о двух возможных направлениях достижения ко­ вечного результата в условиях создания объектов индустрии наносистем. Пер­ вое направление - это фактически физический редукционизм - «от большого к малому» путем многократного уменьшения исследуемого (создаваемого) объ­ екта. Th.к развивается кла.ссическая на.нотехНОЛОГИЯ интегральных микросхем, которая в настоящее время преодолела lOO-нанометровый рубеж. Однако, кон­ струирование сложного многоэлементного многоуровневого изделии (например, микросхемы) требует интеграции для придания целостности системе. Другое

направление реализуется в рамках целостного, так называемого, холического

подхода (от греческого - целый, весь), когда исследуют системные свойства

искусственно синтезируемого или самоорг-аниэующегсся объекта, ЧТО типично для технологии наноматериалов. Последнее направление имеет много общего с

первым, так как в рамках эволюционного развития первого направления тех­ нологически будут достигнуты элементы с такими размерами, при которых их интеграция приведет к возникновению функциональных свойств аналогичных

кооперативным целостным системам на основе ванозлементов.

Аневизируя ранее опубликованные работы [1,2,6,7,8,9], а также развивая и обобщая наши представления об индустрии наносистем [3,4], вынесем на обсу­ ждение ряд базовых понятий с приставкой енвнов, наиболее полно отражающих именно проявление функционально-системных свойств, а не 'Чисто геометриче­ ских особенностей (параметров) объектов.

Навосистема --- материальный объект в виде упорядоченных или самоупо­ рвдочевных, связанных между собой элементов с ванометрическими характе­ ристическими размерами, кооперация которых обеспечивает возникновение у объекта новых свойств, проявляющихся в виде квантово-размерньгх, синерте­ тически-кооперативных, «гигантских» эффектов и других явлений и процессов, связанных с проявлением наномасштабных факторов.

Нанометериалы - вещества и композиции веществ, представляющие со­ бой искусственно или естественно упорядоченную или неупорядоченную систе-

му базовых адементов с ванометрическими характеристическими размерами и особым проявлением физического и (или) химического взаимодействий при ко­ операции наноразмерных элементов, обеспечивающих возникновение у материа­

лов и систем совокупности ранее неизвеетвых механических, химических, элек­

трофазических, оптических, теплофизических и других свойств, определяемых проявлением наномасшта6ных факторов.

Нанотехпологи.в - совокупность методов и способов синтеза, сборки, струю­ туро- И формообразования, нанесения, удаления и модифицирования материа­ лов, включал систему знаний, навыков, умений, аппаратурное, материаловедче­ ское, метрологическое, информационное обеспечение процессов и технологиче­ ских операций, направленных на создание материалов и систем с новыми свой­ ствами, обусловленными проявлением наномасшта6ных факторов.

Наиодиагностика - совокупность специализированных методов исследо­ ваний, направленных на изучение структурных, морфолого-топологических, ме­ ханических, :электрофизических, оптических, биологических характеристик на­

номатериалов и наносистем, анализ ваноколичеств вещества, измерение метри­

ческих параметров с наноточностъю.

Наносистемотехника - совокупность методов моделирования, проекти­ ревании и конструирования изделий различного функционального назначения,

втом числе нвномвтеривяов, микро- и наносистем с широким использовани­

ем квантово-размервых, кооперативно-синергетических, гигантских эффектов и других явлений и процессов, прсявлянпцихся в условиях материальных объек­

тов с нанометрическими характеристическими размерами элементов.

В рамках таблиц Д.1.1 и Д.1.2 предпринята попытка выделения комплекса функциональных особенностей, отражающих основные понятия и направления

развития индустрии нввссистем.

В настоящее время в качестве фундаментальных пробкем индустрии наносистем можно выделить следующие направления исследований:

малые ансамбли молекул, межмолекулярные взаимодействия и молекуляр­

ная динамика;

размерные и функциональные свойства наночвстип, конформации, межфаз­

вые границы;

наномасштабирование и квантово-размерные эффекты;

неравновесные процессы и сиверготические явления в наноструктуриро­

ванных материалах;

теории матричного синтеза, сборки, самосборки и молекулярного узнава­ ния для веществ органической инеорганической природы.

Д.I.З. Научно-технические проекты и образовательные

программы

в социально-экономических приоритетах любого независимого индустриально­ го государства особое место должно занимать развитие наукоемких отраслей производства с ВЫСОким уровнем добавленной стоимости. Лидерами мировой

Для обобщенной характеристики направлений развития индустрии наносистем в зарубежной литературе часто используются термины енанонаукае и енанотех­ никв», которые вызывают неоднаанвчное их восприятие. Не распространяя на приставку енвнов, как ранее было сказано, чисто «метрическое» толкование изу­ чаемого объекта, для целостности изложения материала, дадим определение ра­ нее указанных повятий.

Табл. Д.l.2. Основные постулаты 8ИаДУСТРIIИ неносие-тем»

Нанонаука- система знаний, основанная на описании, объяснении и пред­ сказании свойств материальных объектов с нанеметрическими характеристиче­ скими размерами или систем более высокого метрического уровня, упорядочен­

ных или самоупорядоченных на основе нанораамерных элементов.

Нвнотехника - машины, механизмы, приборы, устройства, материалы, со­ зданные с использованием новых свойств и функциональных возможностей си­ стем при переходе к наномасшта6ам и обладающие ранее недостижимыми мас­ согабаритными и энергетическими показателями, технико-экономическими па­ раметрами и функциональными возможностями.

Как и в случае ранее представленного анализа некоторых фундаментальных пробаем индустрии наносистем, сформулируем {табл. Д.l.3) перечеиь наиболее

актуальных, по нашему мнению, научно-технических проектов, определяющих

среднесрочные перспективы индустрии наноеистем в рамках ранее рассмотрен­

ных направлений ее развития (см. табл. Д.l.l и д.l.2).

При организации и реализации работ в области индустрии наносистем, наряду с постановкой чисто экономической задачи - повышения эффективно­

сти проиэводства на основе опережающего развития высокотехнологичных от­

расдей, необходимо решать и социальную задачу. Это связано с особой ролью интеллектуального фактора в долгосрочной перспективе развитая любого не­ зависимого государства. Только наличие кадров, способных поддерживать на­ учно-проиаводственный гютенцивл государства в высокотехнологичных отрас-

лл.в. Науч"о-тех"и'Чесtcие npoetcmbI иобразоватеАь"ые программы ~~

лях, обеспечит безопасность государства и конкурентоспособность отечествен­ ной продукции военного и гражданского назначений.

Thбл. Д.l.3. Перечень научно-технических проектов в области индустрии

наносистем

социативность, память.

оHa"ocтp1flCТТlYPЫ и 7с1аUОl\:омпозиции дм электронных и фотсивых информационных систем.

•НаUОl\:омпозициоuные бuоорганичеС7CUе материа4Ы для медипавы 11 бвотехновогаи.

•СпециаАьные наНОI\:О.llпозиционные материа.яы с низкой

эффектив:в:ой отражающей или сверхвысокой поглощающей способностью в евч 11 оптическом диапазонах длин

волн.

о СпециаАьные "a"oJucnepcuble ,"атериа4Ыс максимально эффективнымэверговыпелевием,в ТОМ чиеяв им:пульсным.

НанотехнOJIОГИИ о МашиностроитеАьные"анотехиО40гии (механическаяи корпускулярнаяобработкас наноточностью).

оФuзuхо-xuмu'Чесxuе н.а"оmеXUОАогии [атомно-

молекулярная химическая сборка неорганичсских и

органическихвеществ).

оАтом"о-зоuдовыеиа"отехнОАогиu(нанозондовыйсверх- локадьныисинтез и модифицирование).

оБиомеJuцuн.Сf\;uе"а"отеXUОl!огиu(биочипыи бискдасте-

ры: сверхлокальнаянаноиабиразельваядиагностика, те- рвпия, хирургии; генная инженерия).

оАппарат"о-методи'ЧеСf\;оеобеспече"ие 'Чистоты и мu- 1'>p0f\;4U.llama 6 и"дустрии н.а"осистем.

Наводивг-ностика о Эl\:с.пресс.-методы f\;o"mp04JI XU.llu'ЧеС7l;ого состава и еее- метрии н.а"ообъеl\:mов.

оЭ7l;спресс,методы регистрации злс!'>тричес1'>llX, магиит- ных и аnустu'Чссnux ПО4ей h-а"ооБЪС1'>тов, 1'>OUffiP°l!b ш фuзuчесnuх и xuмu'Чес,,"ux свойств.

Д. 1.4. Заключение

Индустрия наносистем - это интегрированный комплекс, вкяючвюший: обору­ дование; материалы; программные средства; систему знаний; технологическую, метрологическую, информационную, организацИQВНО-ЭКQRQмическую культуру и кадровый потенциал, обеспечивающие ПРОИЗВОДСТВО наукоемкой продукции, основанной на использовании НОВЫХ нетрадиционных СВОЙСТВ материалов и си­ етем при переходе к наномасштабам.

Индустрия наносистем может быть отнесена к высокотехНОЛОГИЧНЫМ напра­ вленаям с высокой добавленной СТОИМОСТЬЮ, которые опираются в значительной степени на инвестиции в ечеяоееческий капитале.

Литература

[1]Ч. Пул, Ф. Оуэне Нанотехнологии/ I м. Текносфара. 2004, С.15.

[2]Адфимов С.М., Быков В.А., Гребенников Е.П., Желудева С.И., Мальцев П.П., Петрунин В.Ф., Чаплыгин Ю.А. Развитие в России работ в области нвво­ технологий/ / Микросистемная: техника. 2004, N!: 8, С2-8.

[3]Карасев В.А. Генетический код: новые горизонты. Теса, Санкт-Петербург,

2003 г. -145с.

[4]Лучинин В.В. Наноиндустрия - базис новой экономики// Петербургский журнвд электроники, 2003, Jl(!!3, С.З-12.

[5]Лучинии В.В., Таиров Ю.М. Научно-образоватeJIЬНЫЙ6азис наноин.цустрии в Санкт-Петербургском госу.царственном электротехническом университе­ те/ / Известия высших учебных заведений. Материалы электронной тех­

ники 2003. N!: 2. С.15-20.

[6]Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Под ред. м.к. Роко, Р.С. Уиль­ ямса и П. Аливисатоса/ / М. Мир. 2002.

[7]Алферов Ж.И., Асеев х.л., Гапонов С.В., Коптев П.С., Панов В.И., Пол­ торацкий Э.А., Сибельдин Н.Н., Сурис Р.А. Нвноматеривды и нанотехно­ логии/ / Микросистемная техника. 2003, N!: 8, сз-гз

[8]Шевченко В.Я. О терминологии: наночастицы, наносистемы, нанокомпоза­ ты, ванотехнологии/ / Ми:кросистемнал техника. 2004, Ю 9, С.2-4.

[9} Sprmger Handbook of nanotechnology. Editor В. Bhushan. Брппяег-Verlag Вет­ Цп. 2004, -1222 р.

Д.2.2. Харак:терuстUII:U yzAepoaubIx "аuотрубок d

Д.2.2. Характеристики углеродных нанотрубок и требования для их применения в полупроводниковых приборах

На современном этапе исследований возможны два применения углеродных на­ нотрубок в полупроводниковых приборах. Одно из них состоит в использовании углеродных нанотрубок в качестве канала затвора в полевых транзисторах, учи­ тывая, что характеристики, подобные характеристикам полупроводника, могут быть получены путем контроля вектора хиралъности. Другое применение за­ ключается в использовании углеродных нанотрубок в качестве межслойных кон­ тактов или многослойных пленок, принимая: во внимание такие преимущества нанотрубок, как высокая плотность электрического тока, высокая электропро­ водность, высокая теплопроводность и высокое аспектное отношение. В табли­ це Д.2.1 приведены характеристики углеродных нанотрубок в сравнении с обыч­ ными материалами. Как видно из этой таблицы, плотность тока в нанотрубке выше, чем в кремнии и меди примерно в 2 раза. Также подвижность выше, чем в кремнии. Ввиду того, что теплопроводность углеродной нанотрубки в 10-20 раз

выше, чем у кремния и меди и ее упругость очень высока, можно говорить о

том, что углероднаянанотрубкаявляетсянаилучшимматериаломдля межслой­ ных контактов. Вследствие наличия у углеродной навотрубки характеристик,

напоминающиххарактеристики полупроводника, можно ожидать, что при из­

готовленииэлементов с высокойподвижностьюи высокимбыстродействиемих рабочие характеристикимогут быть улучшены при использованииуглеродных нанотрубокв качествеканалазатвора.

Табл Д..21

в данной статье внимание концентрируется на применении углеродных вано­ трубок в полупроводниковых приборах. ЧТО касается других применений наво­ трубок, ТО, например, по сообщению фирмы ШМ, углеродные нанотрубки обла­ дают свойством электролюминесценции, что предполагает использование угле­ родных нанотрубок в качестве оптических элементов. На рис. Д.2.1 схематиче­ ски показаны варианты применения углеродных нанотрубок.

Следующим вопросом являются требования для применения углеродных на­ нотрубок в полупроводниках. На рис. Д.2.2 поквзвна зависимость между числом