Лапшинский Сборник задач и заданий с ответами, решениями 2011

различных заболеваний и идентификации участков гена, что делает реальным контроль «генетического паспорта» человека.

Автору задания предлагается сделать обзор современных оптических и электронных нанобиочипов и определить тенденции их развития с учетом последних достижений наноэлектроники.

5. Центральный процессор компьютера: история возникновения, устройство, современной состояние,

тенденции развития

Комментарий к теме

"Тот компьютер, на котором в 1968 году мы играли в крестики-нолики, да и все другие компьютеры в то время были большими ЭВМ: своенравными монстрами в коконах с искусственным климатом" – так писал Билл Гейтс в своей книге "Дорога в будущее".

Да, действительно, еще в 1971 году компьютер, равный по мощности вычислительной машине на электронных лампах ENIAC, можно было собрать на пластине площадью 1.5 см2. Так начиналось превращение электроники в микроэлектронику. Сегодня же можно с уверенностью сказать, что эра «микро» закончилась с переходом на топологические нормы производства 90 и 45 нм (то есть менее 100 нм). Фактически мы перешли от микроэлектроники к наноэлектронике. И теперь правильнее будет называть сердца наших ПК не микропроцессорами, а нанопроцессорами.

Далее смотрите комментарий к теме «Нанопроцессор».

6. Нанопроцессор

Комментарий к теме Нанопроцессоры сейчас можно реализовать не только на

основе кремния. Чрезвычайно перспективными являются органические материалы, а также так называемые

91

конвергентные системы42, в которых объединяется живая и неживая природа.

Рис.2.23. Изображение, полученное ночью с помощью ИК фотоприемного устройства43

7. Будущее фотоприемных устройств инфракрасного диапазона на квантовых ямах

Комментарий к теме Известные в настоящее время сочетания

полупроводниковых материалов, пригодные для создания квантовых ям, позволяют создавать фотоприемники на

42В «Википедии» говорится, что: Конвергенция (от лат. convergere — сближаться, сходиться) (в биологии) — схождение признаков в процессе эволюции неблизкородственных групп организмов, приобретение ими сходного строения в результате существования в сходных условиях и одинаково направленного естественного отбора. В результате конвергенции органы, выполняющие у разных организмов одну и ту же функцию, приобретают сходное строение.

43Rainer Waser (Ed). Nanoelectronics and Information Technology. WILEYVCH GmbH & Co. KGaA, 2001.

92

квантовых ямах, способные регистрировать оптическое излучение инфракрасного (ИК) диапазона (рис.2.23). Такие устройства имеют свои преимущества и недостатки.

Автору предлагается провести сравнительный анализ на основе многочисленной литературы, посвященная фотоприемным устройствам на квантовых ямах (или на наногетероструктурах), в том числе и в Интернет.

Технология ИМС и ИНС

8. Методы изготовления структур «кремний на изоляторе» (КНИ)

Рис.2.24. Структура транзистора, изготовленного по КНИ-технологии

Комментарий к теме Рамки стандартной технологии изготовления сверхбольших

ИМС44 ограничивают возможность получения элементов с размерами, приближающимися к 50-ти нм. Альтернативой стандартной технологии изготовления транзисторов (например, по КМОП-технологии на объѐмном кремнии) являются

44 В литературе можно часто встретить аббревиатуру СБИС, т.е. кристаллы с огромным колиством элементов.

93

транзисторы на так называемых КНИ-структурах (рис.2.24). Получение КНИ-структур возможно различными методами, из которых наибольшее распространение получили два.

Первый – имплантационный метод – внедрение в глубину кристаллов ионов кислорода. Второй – метод водородного отслоения, при котором происходит сращивание донорной окисленной пластины, облучѐнной водородом, с опорной кремниевой подложкой.

Автору задания предлагается описать различные технологические методы изготовления КНИ-структур, физику их работы и применения в интегральных схемах.

9. Технология формирования наноструктур

Комментарий к теме Наноразмерные приборы (например, приборы с

квантованием спектра электронов, одноэлектронные транзисторы и др.) характеризуются рядом уникальных свойств. Они могут усиливать и преобразовывать очень слабые сигналы, иметь крайне низкое энергопотребление. Получение

наноразмерных элементов требует разработки новых методов формирования рисунков (методов литографии) Этими методами могут быть экстремальная ультрафиолетовая литография, а также методы зондовой литографии, в которых происходит локальная экспозиция электронного резиста. Методом зондовой литографии могут быть сканирующая туннельная литография и сканирующая атомно-силовая литография.

Автору реферата предлагается сделать сравнительный обзор современных и будущих технологий изготовления чипов ИНС.

94

Устройства и системы на основе микро- и наноэлектронных интегральных схем

10. «Умная пыль»

Комментарий к теме Уже более десятилетия в исследовательских центрах

многих стран разрабатываются, исследуются и активно применяются технологии распределенного сбора, обработки и передачи данных, основанные на использовании так называемой «умной пыли» (англ.: smart dust). Предлагается составить обзор литературы, а также, возможно, изложить свои взгляды на перспективы применения наноэлектронной начинки в элементах, составляющих «умную пыль» (рис.2.25).

Рис.2.25. Есть много футуристических проектов по реализации и использованию «умной пыли»

11. «Наноухо»

Комментарий к теме Наноухо – это практически сверхминиатюрный микрофон,

обладающий сверхвысокой чувствительностью, которая в десятки раз превосходит пределы слышимости человеческого

95

уха. Основой таких искусственных систем, как наноухо, являются сверхтонкие наноразмерные мембраны (рис.2.26), регистрирующие акустические колебания или колебания звукового давления. Но мембрана – это только начальный этап восприятия звуковой информации. Полученную информацию еще нужно обработать (например, с помощью ИМС и ИНС) и понять.

Рис.2.26. Сенсор давления на основе наномембраны45

Толщина мембраны и ее геометрический размер в конечном итоге определяет частотные свойства системы и то минимальное звуковое давление, которое может быть ею зарегистрировано. Съем информации с мембраны может осуществляться как электрическими, так и оптическими методами. Также можно делать матрицы наномембран, которые позволяют определять не только уровень акустического сигнала, но и его направление.

Автору задания следует рассмотреть уже существующие искусственные системы «наноушей» на основе наноразмерных мембран, их характеристики и конструкцию и области применения, а также изложить свои идеи по созданию наноуха, которое, возможно, способно не только воспри-

45 http://www.nanometer.ru/2007/10/05/nanomembrani_4773.html – Перст: «Наномембраны»

96

нимать, но и «понимать» звуковую информацию. Например, в режиме реального времени.

12. «Наноглаз»

Комментарий к теме Основную информацию о внешнем мире человек получает

через оптический канал. В основе этого канала – глаз человека, который является сложной многослойной биологической системой. К сожалению, наше зрение чрезвычайно уязвимо в отношении воздействия света большой мощности, высокой температуры, а также мы плохо видим в полной темноте. Создать искусственный аналог человеческого глаза

– это фактически сконструировать и изготовить либо

биопротез (рис.2.27), либо систему технического (иногда говорят компьютерного или машинного) зрения.

Рис.2.27. Искусственная сетчатка глаза – новая надежда слепых46

46 http://www.med100let.ru/news/73/

97

От чего зависит разрешающая способность глаза? С точки зрения пространственного разрешения, от количества элементов, входящих в состав матрицы – аналога человеческого глаза. С точки зрения спектральных возможностей наблюдения объектов – от совокупности материалов до их толщин и взаимного расположения. Уже имеются аналоги человеческого глаза, превышающие по своим возможностям его характеристики. Переход к наноразмерам и к новым нанотолщинным композициям материалов открывает фактически новую эпоху в создании систем искусственного зрения, которые должны реализоваться в режиме реального времени.

Автору задания следует рассмотреть уже существующие искусственные системы наноглаз, их характеристики и конструкцию и области применения. А также изложить свои идеи по созданию наноглаза, который, возможно, способен не только воспринимать, но и «понимать» (распознавать образы и обрабатывать изображения) оптическую информацию, например, в режиме реального времени, и служить в качестве биопротеза глаза человека.

13.«Наноязык»

Впонятие наноязык ученые и практики вкладывают

представление о неком сенсоре, который обеспечивает химический анализ, как правило, жидких сред47, которые используются не только в качестве пищевых продуктов, но и в условиях технических систем. Что должно отличать наноязык от известных сенсоров? Он должен обладать целой совокупностью различных рецепторов, интегральное

восприятие и обработка сигналов с которых обеспечивает

47 В случае способности «химического» наносенсора распозновать отдельные молекулы газообразной среды прибор было бы можно назвать «наноносом». Именно такой прибор уже разработан на кафедре «Микро- и наноэлектроника» НИЯУ МИФИ.

98

построение химического образа того объекта, который мы изучаем. Так формируется у человека вкусовое ощущение.

Рис.2.28. Химический сенсор может обнаруживать биомаркеры рака в крови48

Создание искусственных систем, способных различать тонкости пищевых продуктов, подобно тонкостям ароматов, типичных для парфюмерной промышленности, может быть реализовано именно за счет использования сверхвысокочувствительных наноразмерных элементов различной физикохимической природы и структуры. Вкус, как обоняние – основа восприятия человеком окружающей среды обитания.

Возможны и другие применения «наноязыка». Например, анализ кровяной жидкости (рис.2.28). Любопытно, что «мода» на химические микро- и наносенсоры уже дошла и до бытовой техники. На рис.2.29 представлен чип химического сенсора, который можно использовать в составе iPhone49 для того, чтобы определять наличие в воздухе различных химических

48http://www.neo-time.ru/archives/1981. Биомаркер – особые химические вещест-ва, появление которых в организме сигнализирует о патогенном процессе.

49http://www.interface.ru/home.asp?artId=22665.

99

веществ, таких как аммиак, хлор и хлорсодержащие газы, метан и другие. Технически, решение для iPhone потребляет очень мало энергии. А наносенсоры, встроенные в устройство (16 сенсоров на кремниевой подложке), анализируют химический состав воздуха почти в режиме реального времени.

Автору задания следует рассмотреть возможные характеристики и конструкцию и области применения химических наносенсоров, в частности, наноязыка. А также изложить свои идеи по созданию и применению подобных устройств.

Рис.2.29. Чип химического сенсора в составе iPhone

14. «Нанороботы»

Комментарий к теме Сейчас много говорят и пишут о нанороботах. На одной из

олимпиад по нанотехнологиям была даже задача о том,

100