Nanoengineering. Учебное пособие

10.Developing molecular-sized transistors which may allow us to shrink the width of transistor gates to approximately one nm which will significantly increase transistor density in integrated circuits.

11.Using self-aligning nanostructures to manufacture nanoscale integrated circuits.

12.Using nanowires to build transistors without p-n junctions.

13.Using magnetic quantum dots in spintronic semiconductor devices. Spintronic devices are expected to be significantly higher density and lower power consumption because they measure the spin of electronics to determine a 1 or 0, rather than measuring groups of electronics as done in current semiconductor devices.

14.Using nanowires made of an alloy of iron and nickel to create dense

memory devices. By applying a current magnetized sections along the length of the wire. As the magnetized sections move along the wire, the data is read by a stationary sensor. This method is called race track memory.

Text 4

Наномашины (nanocars)

Работа по созданию наноавтомобиля, а точнее его составных частей – нанодвигателей, шестеренок, подшипников, переключателей и проч. началась уже довольно давно. Однако в большинстве ранних работ речь шла об ансамблях органических молекул в растворе, за поведением которых ученые наблюдали спектроскопическими методами. Впрочем, в некоторых случаях исследуемые молекулы, такие как бензол, порфирины и др., удавалось перенести из раствора на твердую подложку и вручную подвигать по ней с помощью иглы сканирующего зондового микроскопа. В связи с этим огромным достижением группы из университета Райса стало создание наноавтомобиля, который действительно бы катился по поверхности так же, как катятся на колесах автомобили.

Схема первого наноавтомобиля, способного ездить по поверхности золота, показана на рис. 1. Хорошо видно, что это большая органическая молекула, состоящая из почти 300 атомов трех видов — углерода, кислорода и водорода. В качестве колес использованы четыре молекулы фуллерена Qo, которые связаны химическими связями с каркасом машины. У первого наноавтомобиля именно уникальная сферическая

51

формула молекул фуллерена позволила обеспечить настоящее вращение колес наноавтомобиля вокруг собственной оси.

Первоначально движение наномашины осуществлялось обычным нагреванием всей системы до 200 °С. что вызвало вращение фуллеренов на химических связях, соединяющих их с «рамой машины». Oт вращения четырех молекул наносистема пришла в движение и смогла катиться по плоской золотой поверхности. Однако таким автомобилем оказалось совсем нелегко управлять, на «автодроме» от нагрева ездили все машины, сталкиваясь и образуя «пробки». А ведь именно управление машиной необходимо при организации молекулярных конвейеров и транспортных линий, осуществляющих перемещение промежуточных продуктов на нанофабриках будущего.

Дня решения этой проблемы ученые решили поставить на каждую машину «молекулярный мотор» — наноактюатор. Среди разнообразных конструкций молекулярных моторов выбор был сделан в пользу модели, разработанной голландским инженером Беном Феринга (Ben L. Feringa). Принцип работы такого мотора изображен на рис. 2. Он представляет собой подвижную лопасть, установленную в центре рамы наноавтомобиля. Под действием излучения (использовался свет с длиной волны 365 нм) лопасть начинает вращаться и, отталкиваясь от золотой подложки, приводит наномашину в движение.

При установке молекулярного мотора возникли дополнительные сложности. В частности, выяснилось, что мотор Феринга не работает в присутствии фуллеренов. Поэтому колеса наноавтомобиля пришлось заменить на молекулы д-карборанов, содержащие атомы углерода, водорода и бора. В соответствии с этим конструкцию рамы автомобиля также пришлось несколько видоизменить.

Эксперименты показали, что полученные таким образом наноавтомобили действительно могут ездить под действием света, что является огромным достижением нанотехнологии. Впрочем, созданные наномашины все еще требуют усовершенствования. В частности, «лопастной нанодвигатель» может вращаться только в одну сторону, поэтому пока наномашины умеют ездить только вперед.

В 2006 г. профессор Тур был назван «Исследователем года» по версии авторитетного издания Small Times Magazine, поскольку до этого момента никому не удавалось создать движущуюся наносистему такой сложности.

52

Text 5 Нанороботы (Nanorobots)

Впервые понятие наноробота или молекулярного ассемблера появилось в нашумевшей книге Эрика Дрекслера (Eric Drexler) из Массачусетского технологического института «Машины созидания: наступление эры нанотехнологий» (1986 г.). По мнению Дрекслера, будущее молекулярной технологии и нанотехнологии состоит в создании функциональных структур и устройств путем их поатомной сборки с помощью программируемых роботов, а также в разработке самих молекулярных роботов, способных «строить» из атомов различные объекты. Конструирование таких машин предполагалось осуществлять путем формирования химических связей за счет механического сближения электронных оболочек атомов. Наноманипулятор, описанный Дрекслером, состоял из 4×106 атомов, а робот, снабженный молекулярным компьютером, вспомогательными механизмами и т. д., содержал ~1×l07 атомов. Однако, возможности отдельного робота, оказываются весьма ограничены, в связи с его малыми размерами, что, по мнению Дрекслера, требует создания наномашин, способных к самовоспроизводству – то есть размножению или репликации. В основе идей о самореплицирующихся структурах лежит теория фон Неймана (1940 г.), согласно которой репликация является основой природных механизмов развития, а сам процесс репликации используется как в клеточной инженерии, так и при воспроизводстве живых организмов. Дрекслер сам же описал опасность создания таких систем: выход из под контроля процесса репликации из-за возникновения ошибки в программе отдельного робота-репликатора, может привести к техногенной катастрофе (Серая слизь). Идеи Дрекслера вызвали волну неприязни к нанотехнологиям со стороны населения. Впрочем, эти полуфантастические прогнозы оказались противоречащими законам термодинамики, а технологический прогресс продолжил движение вперед.

На сегодняшний день уже существует несколько прототипов нанороботов – устройств размером в десятки нанометров, которые могут самостоятельно манипулировать частицами атомных и молекулярных размеров. Одним из них является экземпляр, созданный химиками Нью-Йоркского университета, которые впервые в мире сконструировали прямоходящего двуногого наноробота. В качестве исходного материала Н. Симан и У. Шерман воспользовались мелкими фрагментами

53

двухцепочечных и одноцепочечных молекул ДНК. Шагающий наноробот существует в миллионах копий, плавающих в буферном растворе. Внешне он напоминает щипцы для конфет – две двухцепочечные ДНК-вые ноги длиной в 10 нанометров, упруго соединенные на одном конце и свободные на противоположном. Каждая нога образована тридцатью шестью нуклеотидными парами, которые удерживаются водородными связями по обычной для ДНК схеме: аденин напротив тимина, а гуанин напротив цитозина. С их свободных концов свисают совсем уж коротенькие хвостики – кусочки одноцепочечной ДНК. Чтобы понять, как движется робот, посмотрим на схему. Он «ступает» по особым опорам, тоже изготовленным из ДНК, которые вытянуты вдоль ДНК-вой молекулы-дорожки. В начальный момент обе ноги фиксируются на соседних опорах с помощью двух одноцепочечных спиралей ДНК, действующих подобно якорям. Этот молекулярный якорь с одного конца комплементарен «хвостовым придаткам» ноги, а с другого – вершине опоры, благодаря чему он и удерживает их вместе. Надо отметить, что концевые участки ног не комплементарны опорам, и поэтому робот не может «устоять» без помощи якорей. Первый этап шага состоит в отделении правой нот от опоры. Чтобы это произошло, свободно плавающая в буфере спираль ДНК вступает с правым якорем в химическую связь и отводит его в сторону. Незакрепленная нога перемещается вправо и зависает над следующей подставкой. Здесь к ней подсоединяется очередной молекулярный якорь, который притягивает ее к новой опоре, – и полшага сделано. Когда то же самое происходит и с левой ногой, робот перемешается на одну позицию вправо. Интересно, что абсолютно аналогичный принцип используется при перемещении белка миозина по фибриллам в живых организмах.

Наиболее вероятно, что одной из первых областей, где найдут применения таланты нанороботов, станет наномедицина. Наноробот, введенный в организм человека, сможет самостоятельно передвигаться по кровеносной, лимфатической и нервной системам, не нанося при перемещении вреда организму. На своем пути он сможет изменить характеристики тканей и клеток, уничтожить микробов и молодые раковые клетки. Так, в Монреальском университете под руководством профессора С. Мартеля был создан прототип системы управления и слежения за нанороботом в живом организме. В качестве модели робота они использовали железный шарик диаметром в полтора миллимет-

54

ра, который испытывали в артерии живой свиньи. Для управления сферой канадцами разработан изящный способ: они заставили управлять «роботом» прибор, одновременно контролирующий передвижение сферы по телу животного – обычный магниторезонансный томограф. Ученые аккуратно провели шарик по кровеносным сосудам со скоростью до 10 см/с.

Сегодня уже предложены или разрабатываются составные части нанороботов:

–навигационные системы (для определения местонахождения и определения маршрута передвижения);

–наносенсоры (для мониторинга окружающей среды, участия в навигации и коммуникации при работе с отдельными молекулами);

–наноманипуляторы (наноактюаторы для выполнения непосредственных действий с объектом);

–устройства приема и передачи информации.

Осталось лишь собрать их вместе...

Text 6

Наноэлектромеханические системы

Предположим, что есть наноконструктор, состоящий из нескольких тысяч атомов разного вида. Что с его помощью можно собрать? На автомобиль или домик в деревне такого количества атомов, увы, не хватит. Зато можно с упоением собирать всевозможные молекулы различной формы: кольцеобразные (например, бензол), вытянутые (алканы) сферические (фуллерены)... Скучно. Особенно если хочется автомобиль. Впрочем, автомобили собирают из всевозможных дисков, шестеренок, цилиндров, поршней и прочих деталей, которых в нашем конструкторе, к сожалению, нет. Но если задуматься, почему бы нам не использовать вместо всех перечисленных деталей молекулы соответствующей формы и не собрать из них наноавтомобиль?

Проще сказать, чем сделать. Несмотря на все достижения нанотехнологии, любые работы на молекулярном уровне остаются чрезвычайно сложной задачей. Впрочем, современные ученые работают над созданием наносистем, которые являлись бы аналогами хорошо всем известных электромоторов. Эти объекты получили название «наноэлектромеханические системы» или НЭМС, поскольку они развивают наносилы под действием электрического поля или света, или, наобо-

55

рот, при приложении внешней силы создают электромагнитный отклик.

В настоящее время одной из общих тенденций развития техники является миниатюризация функциональных устройств. В наиболее явном виде эта тенденция проявилась в процессе эволюции электронных компонентов. Если первые транзисторы были настолько велики, что их можно было взять пальцами, то теперь уже никого не удивляет, что процессор современного компьютера состоит из миллионов полевых нанотранзисторов. Вслед за электронными компонентами миниатюризация затронула и электромеханические устройства. Несмотря на то, что поведение однотипных механических устройств в макро- и микромире различно, усилия ученых и инженеров привели к созданию мик- роэлектро-механических систем, которые уже широко применяются даже в нашем быту. Однако сделать следующий шаг и осуществить перенос электромоторов в наномир оказалось еще сложнее. При уменьшении размеров объектов отношение их площади поверхности к объему заметно возрастает, что приводит к значительному увеличению вклада сил трения в механическое поведение наносистем и к доминированию сил трения над силами инерции. Так, время, затраченное на гашение инерции после придания вращательного движения (с одинаковым моментом вращения) мячу, лежащему на поверхности стола, и молекуле фуллерена на поверхности монокристалла кремния, будет различаться на несколько порядков. Однако даже если теоретически возможно описать механическое поведение наноэлектромоторов, возникает основной вопрос – как их изготовить?

На сегодня можно выделить две основные тенденции в создании НЭМС: уменьшение размера существующих микроэлектромеханических систем и разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств. Первый подход связан с очевидными сложностями, поскольку методы, используемые для создания МЭМС (электронная литография, ионное травление и др.) имеют ограниченное разрешение, и поэтому их проблематично использовать для создания нанообъектов. Впрочем, как уже отмечалось ранее, размер наноэлектромоторов настолько мал, что для их конструирования вполне можно использовать отдельные молекулы и функциональные группы. В частности, описана возможность передачи вращения с одной нанотрубки на другую (по аналогии с шестеренками), а также создание механического осциллятора из группы концентрических нанотрубок. Другим ярким примером НЭМС явля-

56

ются наномашины, способные ездить под действием внешнего электрического поля или света.

Как ожидается, НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно при измерении чрезвычайно малых сил и смешений на молекулярном уровне. Уже в настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10 ГГц (1010 Гц), что еще не так давно казалось недостижимым. Такие резонаторы уже нашли применение в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии нановесов и наносенсоров биологических молекул и ДНК. Другим очевидным преимуществом НЭМС является их чрезвычайно низкое энергопотребление.

Следует отметить, что если для ученых создание НЭМС является сложнейшей задачей, решение которой, по-видимому, станет делом ближайшего будущего, природа уже на протяжении миллионов лет легко создает различные наномеханические устройства. Многие известные биологические системы – вирусы, бактерии, одноклеточные микроорганизмы и др. – имеют различные приспособления, позволяющие им перемещаться в зависимости от повеления окружающей среды, в том числе под действием электрических импульсов нейронов. Поэтому одним из актуальных направлений в области создания НЭМС является не разработка принципиально новых, а мимикрия уже известных природных молекулярных моторов. Возможно, Природа в очередной раз поможет нам решить задачу, еще не так давно казавшуюся невыполнимой.

Text 7

Одноэлектронный транзистор (Single Electron Transistor)

Одноэлектронный транзистор представляет собой переключающее устройство, способное разъединять или соединять электрическую цепь за счет движения единичного электрона. Принципиальным отличием одноэлектронного транзистора от классического является то. что линейные размеры канала между стоком и истоком лежат в нанодиапазоне, обусловливая проявление квантово-размерных эффектов. Кроме того, одноэлектронный транзистор не усиливает текущий ток, а только управляет переходом электронов, поэтому правильнее было бы называть его переключателем.

Принцип работы одноэлектронного транзистора основан на эффекте так называемой «кулоновской блокады» – скачкообразном измене-

57

нии потенциальной энергии достаточно малой системы при туннелировании одного электрона и блокировании движения всех остальных. При этом электрический ток в цепи протекает макроскопически регистрируемыми порциями, иначе говоря. в системе проявляется движение единичных зарядов.

Как и любой традиционный транзистор, электронный транзистор состоит из трех электродов, два из которых выполняют роль стока и истока, а третий является управляющим (затвор). Только вот между электродами расположен металлический или полупроводниковый «наноостровок» – нано-частица или кластер нанометровых размеров. При этом толщины «наноостровков» настолько малы, что электрон может туннелировать. Если приложить разность потенциалов между стоком и истоком, то, казалось бы, должен потечь туннельный ток. Однако пока потенциал на управляющем электроде будет меньше некоторого порогового значения, туннелирование не наблюдается. Электрон на наночастице остается изолированным, т. е. «заблокированным». При дальнейшем же увеличении напряжения выше порогового значения блокада электрона прорывается, и в щели между стоком и истоком происходит перескок электрона – течет туннельный ток. Таким образом, управляя потенциалом затвора, можно пропускать по цепи единичные электроны. Если пойти дальше и вместо наночастицы поместить между электродами молекулу или молекулярный комплекс, то движение единичных электронов будет осуществляться в результате прыжков по химическим связям – в работу вступят дискретные уровни энергии молекулы.

Таким образом, одноэлектронный транзистор рассматривается как предельная степень миниатюризации классического транзистора – то, к чему стремятся все крупнейшие производители вычислительной техники. В настоящий момент работу одноэлектронных транзисторов можно наблюдать только в исследовательских лабораториях, но в будущем их использование в массовом производстве может привести к резкому снижению энергопотребления и тепловыделения электронными схемами, значительному увеличению быстродействия и плотности элементов микросхем. Развитие технологии одноэлектронных транзисторов позволит создать ячейки памяти с большим временем хранения, высокой плотностью записи информации и малой рассеиваемой мощностью, а также высокочувствительные химические / биохимические сенсоры.

58

Text 8

Пьезодвигатели (Piezomotors)

В современном технологическом и исследовательском оборудовании для прецизионных перемещений используют специальные системы нанопозиционирования, основой которых являются пьезодвигатели.

Пьезодвигателями называют такие системы, в которых механическое перемещение осуществляется за счет пьезоэлектрического или пьезомагнитного эффекта. Первый эффект заключается в изменении линейных размеров некоторых материалов в электрическом, а второй – во внешнем магнитном пате. Сами материалы, проявляющие такие свойства, относят к пьезоэлектрикам или к пьезомагнитным материалам. Впервые пьезоэлектрический эффект был обнаружен еще в 1880 году братьями Жаком и Пьером Кюри на кристаллах кварца. В дальнейшем аналогичные свойства были открыты более чем у 1500 веществ, из которых чаще всего используют сегнетову соль NaKC4H406 • 4Н,0 и титанат бария ВаТiO3. Пьезомагнитные материалы представлены широким кругом магнетиков, таких как железо, никель, кобальт, их сплавы или оксиды.

Интересно заметить, что оба пьезоэффекта полностью обратимы: при деформации пьезоэлемента на его концах появляется электрический заряд или магнитное поле (прямой пьезоэффект), а при приложении электрического или магнитного поля проявляется изменение его линейных размеров (обратный пьезоэффект). Очевидно, что пьезодвигатели работают на обратном пьезоэффекте. Пьезодвигатель может быть выполнен как из пьезоэлектриков, так и из пьезомагнитных материалов, однако наибольшее распространение получили пьезоэлектрические двигатели.

В настоящее время известно более 50 различных конструкций таких двигателей. Как правило, устройство содержит основание, на котором закреплена пьезоэлектрическая трубка. Трубка имеет электроды на внешней и внутренней поверхностях, а на конце трубки укреплена разрезная пружина, представляющая собой цилиндр с отдельными пружинящими лепестками. В пружине установлен держатель объекта. Для перемещения держателя объекта к электродам пьезотрубки прикладывают импульсное напряжение: трубка плавно удлиняется или сжимается в зависимости от полярности напряжения, и ее конец вместе с пружиной и держателем объекта смещается на некоторое расстояние.

59

Шаговый двигатель с червячной передачей обладает более сложной конструкцией: передвижение вдоль балки происходит за счет последовательного изменения линейных размеров трех пьезоэлектриков в различных направлениях.

Именно на этом принципе основана работа пьезоэлектрического моторчика (4 мм длиной и 1,8 мм шириной), созданного группой ученых из университета штата Пенсильвания (США) под руководством Кенджо Учино. В первую очередь, такой моторчик должен найти применение в медицине, например, он мог бы управлять зеркальцем эндоскопа.

Применение пьезодвигателей отнюдь не ограничивается системами нанопозиционирования – пьезоэлектрические материалы и принципы их работы активно используются в микро- и нано-электромехани- ческих системах, наноактюаторах, нановесах, наносенсорах и кантилеверах атомно-силовых микроскопов.

Text 9

Российская корпорация нанотехнологий (ГК «Роснанотех») (Russian Corporation of Nanotechnologies (RCNT))

Исследования последних 10–15 лет показали всем, насколько важную роль играют нанотехнологии в различных областях науки и техники (информационных технологиях, медицине, физике, химии, материаловедении, биологии, экологии и т. д.). Неожиданно для обычных людей, но как закономерный результат борьбы научных идей и новых технических решений, произошла тихая «революция», которая открывает путь в блистательный мир совершенства. Нанотехнологический подход – это целенаправленное регулирование свойств объектов на самом важном – молекулярном и надмолекулярном уровне, о чем можно было только мечтать еще несколько лет назад. Поэтому, управляя наноструктурой, можно (в определенных рамках) придавать материалам совершенно новые, практически важные свойства и смело идти вперед по пути научно-технического прогресса.

Сегодня для многих россиян будущие практические достижения, качественное улучшение их повседневной жизни, новые вехи в образовании их детей, успехи на международном рынке, да и сам термин «нанотехнологии» ассоциируются с «Российской корпорацией нанотехнологий». Впервые о необходимости создания такой корпорации

60