9.9. Перспективы нанотехнологии

Из сказанного выше ясно, что одним из ближайших продолжений развития микроэлектроники является наноэлектроника. Для этого существуют следующие предпосылки.

Формирование электрических сигналов с временем фронта 10^-14 с и распространение их по двухпроводным нанопроводникам, являющимся, по существу, металлооптическими волноводами, обеспечивают реальную интеграцию в единой среде всей гаммы электронных и оптоэлектронных схем.

Было обнаружено, что транзисторный эффект наблюдается также в молекулах, которые можно в массовом порядке синтезировать химическим путем.

Высокая степень интеграции наноэлектронных структур, быстродействие, трехмерная сборка элементов и уменьшенное энергорассеяние закладывают фундамент для приоритетного развития на их основе быстродействующих устройств обработки информации. В частности, уже в ближайшие годы могут быть промышленно реализованы элементы памяти со сверхвысокой плотностью записи информации, до 10¹² бит/см² (рис.9.17, а). Это в тысячи раз превосходит плотность записи на традиционных лазерных дисках.

На первый план выходят проблемы надежности наноструктур и технологичности их изготовления. Дело в том, что время жизни слоя, толщина которого составляет всего лишь несколько атомов, чрезвычайно мало в условиях нормальной эксплуатации при комнатной температуре. Это связано с тем, что плохо закрепленные атомы предпочитают перемещаться по наноструктуре или по подложке в поисках более крепкой связи, чему особенно способствует разогрев конструкции, а также электромиграция.

Еще один неожиданный поворот — использование структур молекулярной биологии: молекул ДНК, белков и др. Причем не только в качестве рабочих элементов будущих транзисторов, но и для сборки элементов нанотранзисторных структур — на основе генетических технологий. Например, в американском Scripps Research Institute получена отдельная молекула ДНК в виде полой октаэдрической структуры диаметром 22 нм. Внутренняя полость способна вместить сферу диаметром 14 нм. Одна из целей ученых — использование трехмерных ДНК-структур для создания сложных трехмерных логических цепей в устройствах молекулярного масштаба.

Уже разработаны способы манипуляции атомами и нанокластерами некоторых металлов, магнетиков и полупроводников с использованием молекул ДНК.

Например, в Northwestern University (США) в 2004 году разработан метод присоединения кластеров золота, а также кластеров ферромагнетика (окись железа) к молекулам ДНК, несущим кодовые последовательности из цепочек нуклеотидов. Это позволило с помощью ДНК-реакций получать кластерные цепи, в которых кластеры золота чередуются в нужной последовательности с кластерами ферромагнетика.

Нанотехнология обеспечивает не только успехи в развитии элементной базы информационного приборостроения. Уже в настоящее время нанотехнологические разработки используются в медицине, робототехнике, машиностроении, атомной энергетике, оборонных системах и многих других областях. Начало 21 века будет характеризоваться бурным развитием нанотехнологий вообще и наноэлектроники в частности.

Контрольные вопросы и упражнения

1. Объясните механизм туннелирования электронов через узкий потенциальный барьер.

2. Что такое наноэлектроника ?

3.В чем заключается смысл квантового ограничения для электронов проводимости?

4. Как получают квантово-размерные структуры ?

5. Нарисуйте и объясните физическую структуру гетеротранзистора.

6. Дайте определение квантовой единицы сопротивления.

7. Поясните устройство и принцип действия одноэлектронного транзистора.

8. Что такое нанотехнология ?

9. Объясните принцип работы нанотехнологической установки, перечислите основные нанотехнологические операции, которые на ней выполняются.

10. Перечислите материалы, применяемые в нанотехнике.

11. Что представляют собой фуллерены ?

12. Как устроены нанотрубки ?

Содержание

Г Л А В А 9 251

КВАНТОВО-РАЗМЕРНЫЕ СТРУКТУРЫ. 251

ОСНОВЫ НАНОТЕХНИКИ 251

Квантовая единица сопротивления 267

Кулоновская блокада 267

Магические числа 280

Материалы наноэлектроники

- нанотрубки 281

-фуллерены 280

-фуллериды 281

Нанотехнологическая установка 275

Насос

- одноэлектронный 274

Одноэлектронный транзистор 270

Полевые транзисторы

- на гетероструктурах 265

Серхрешетка 256

Структуры

- квантово-размерные 258

Уравнения

- Гейзенберга 268

- Шредингера 252

Хиральность 283

Эффект

- резонансного туннелирования 257

- туннельный 252