nano_1_97_4_lec

Лекція 19

Нановироби. Одноатомний транзистор Нанооптичний перетворювач. Мікрое-

лектромеханічні системи. Наноелектромеханічні системи. Робототехніка. Супе-

рконденсатори. Наноакумулятори. Нанокапсули. Графен. Нанофільтри.

Нановироби

Наноматеріали слугують основою для створення наносистем різного фу-

нкціонального призначення, які за принципом дії поділяють на електронні, оп-

тичні, механічні тощо (рис. 92).

Мікросистемна техніка

Мікронаносистемна

техніка

Рисунок 92. — Класифікація видів наносистемної техніки за функціональним

призначенням

161

Сукупність наносистем певних типів створює відповідні галузі наносис-

темної техніки — наноелектроніку, нанооптику та наномеханіку. Розвиток різ-

них типів наносистем проходить у тісному взаємному зв'язку, що призводить до створення більш складних за конструкцією, інтегрованих наносистем, таких як нанооптоелектронні, наноелектромеханічні та нанооптоелектромеханічні.

Створення наносистем є подальшим кроком на шляху розвитку відповід-

них мікросистем. Зазвичай на практиці наносистеми вбудовують у різноманітні мікросистеми,формуючи у такий спосіб перспективний напрямок сучасної сис-

темної техніки — мікронаносистемну техніку.

Одноатомний транзистор

Одноатомний транзистор — найменший у світі транзистор складається з одного єдиного атома фосфору.

Використання нанотехнологій в недалекому майбутньому може здійснити цілу революцію в галузі електроніки та обчислювальної техніки. Недавні відк-

риття і досягнення в області нанотехнологій підтверджують це все більше і бі-

льше. Одним з таких останніх досягнень є створення фізиками університету Нового Південного Уельсу (University of New South Wales, UNSW) повністю працездатного транзистора, що складається з одного атома фосфору.

Новий транзистор є найменшим транзистором у всьому світі на сьогод-

нішній день. Незважаючи на це, він має чудові електричні і частотні характери-

стики, що дозволяє серйозно розглядати перспективу його застосування у шви-

дкодіючих електронних пристроях і високопродуктивних комп'ютерах майбутнього. Новий атомарний транзистор є крихітним пристроєм, він може замінити транзистори на напівпровідникових чипах, які складаються з сотень тисяч і мільйонів атомів кремнію та інших речовин.

Ядро нового транзистора, атом фосфору, встановлений у проміжку між електродами електростатичного керування (затвор) і струмопровідними елект-

родами (стік-витік) (рис. 93). Струмові та потенціальні контакти також мають розміри у декілька атомів.

162

Рисунок 93. — Одноатомний транзистор: атом фосфору (в центрі)

між електродами електростатичного керування

Нанооптичний перетворювач

Нанооптичний перетворювач — дослідники з Гарвардського університе-

ту створили нанорозмірний пристрій нового типу, здатний перетворити спря-

мовані ззовні оптичні сигнали в хвильові коливання, що поширюються вздовж металевої поверхні оптоелектронного чипа. Найбільш важливо, новий пристрій може самостійно "декодувати" окремі види поляризації світла, спрямувавши результуючий сигнал тільки у певному напрямку. Новий пристрій був створе-

ний в ході досліджень, метою яких була розробка нових методів керування оп-

тичними сигналами в меншому масштабі, ніж довжина хвилі світла, без спо-

творення оптичного сигналу, що містить інформацію. Розробка таких методів відкриває перспективи у створенні нового покоління оптоелектронних при-

стрій, які можуть забезпечити ефективну передачу інформації з оптичних при-

строїв на електронні і навпаки. Це особливо важливо у разі потреби передачі сигналу в межах чипу, який має велику кількість різних компонентів, оскільки неточності у напрямку поширення електромагнітної хвилі призведе до спотво-

рення сигналу і втрати вкладеної в нього інформації.

По суті новий прилад перетворює спадний промінь світла в хвильові ко-

ливання, які називають поверхневими плазмонними поляритонами (surface plasmon polariton). Вони є спрямованими поляризованими коливаннями повер-

хневих плазмонів, що являють собою хмари вільних електронів на поверхні ме-

163

талів. У минулому вчені вже мали можливість керувати напрямком поширення коливань, змінюючи кут падіння світла на поверхню перетворюючого приладу,

але робити це було дуже складно. Мікроскопічні оптичні елементи схем досить важко орієнтувати один відносно одного, тому метод зміни кута падіння так і не отримав практичного поширення.

При використанні нового перетворюючого приладу промінь світла пови-

нен падати строго перпендикулярно до його площини, а все інше робиться за-

вдяки структурі самого приладу. Діючи як оптичний контролер, цей прилад встановлює тип поляризації світла, що надходить, і відправляє результуючу хвилю у відповідному напрямку поляризації. Пристрій здатний навіть розщепи-

ти промінь, що містить світло різних довжин хвиль різної поляризації і послати результуючі сигнали відразу по декількох напрямках, свого роду комунікацій-

ним каналам.

Перетворювальний прилад складається з тонкого золотого листа на пове-

рхні якого створена сітка з крихітної перфорації, поглиблень і піднесень. Осно-

вною особливістю, яка відіграє головну роль, є те, що вся перфорація розташо-

вана у вигляді "ялинки". У літературі, описані два різні типи приладів, робота яких заснована на "ялинкової" структурі малюнка перфорації: пристрої прямо-

кутної і кільцевої форми (рис. 94). Вони трохи відрізняються один від другого за своїми функціональними можливостями.

Рисунок 94. — Схема конструкції нанорозмірного оптичного перетворювача

164

Оскільки розміри структури нового перетворювального приладу дуже малі (менше довжини хвилі видимого світла), такі пристрої легко можна вбудо-

вувати в нові оптоелектронні пристрої наступного покоління просто в скляних волокнах оптичних кабелів. Крім цього, такі перетворювачі, напевно знайдуть масу застосувань в областях швидкодіючих інформаційних мереж, в нанорозмі-

рній електроніці, в якій будуть поєднуватися всі позитивні можливості елект-

роніки, оптики і плазмоніки в межах одного чипа.

Мікроелектромеханічні системи

Мікроелектромеханічні системи (МЕМС) — компанія STM icroelectronics

(ST), яка є відомим виробником напівпровідників і чипів світового рівня почала дослідні роботи з проектування і створення експериментальної лінії, на якій можна проводити виготовлення мікроелектромеханічних пристроїв (MEMS) но-

вого покоління за допомогою найбільш передових технологій з використанням нових типів матеріалів (рис. 97).

В рамках 30-ти місячного проекту Lab4MEMS будуть розроблені нові те-

хнології, такі, як тонкі п'єзоелектричні плівки (Piezoelectric (PZE) thin films), які значно розширять можливості і функції MEMS-пристроїв на основі чистого кремнію. Нові технології і матеріали дозволять MEMS-пристрою виконувати рухи більшої амплітуди та потужності, урізноманітнювати кількість виконува-

них ними дій. Такі MEMS-пристрої наступного покоління будуть використову-

вати для створення нових розумних давачів, мікроприводів, мікронасосів, при-

строїв продукування енергії в автомобілях, охороні здоров'я та в споживчих електронних пристроях, таких як смартфони і навігаційні прилади.

Особливу увагу в ході реалізації проекту Lab4MEMS буде приділено но-

вим технологіям виготовлення і складання MEMS-пристроїв. Значну перспек-

тиву в цьому напрямку мають технології, які дозволяють створювати "тривимі-

рні" MEMS-пристрої на основі багатошарових чипів і перехідних отворів у кремнію (рис. 95). Але головним здобутком повинна стати технологія, що до-

зволяє поєднати п'єзоелектричні матеріали з кремнієм та іншими матеріалами у

165

межах єдиного технологічного процесу виробництва складних MEMS-

пристроїв. Це дозволить виробляти готові і закінчені системи-на-чипі.

Рисунок 95. — Фрагмент мікроелектромеханічного пристрою

Наноелектромеханічні системи

Наноелектромеханічні системи (НЕМС) (рис. 96). На відміну від МЕМС

(мікроелектромеханічних систем), які з'явились у 1980–х роках, (НЕМС) пере-

бувають на ранніх стадіях розвитку. Проте їх розробляють дуже швидко завдя-

ки новим науковим відкриттям та появі їх технічних застосувань. Механічні пристрої зменшуються у розмірах, унаслідок знижується їх маса; збільшується резонансна частота і покращуються їх параметри взаємодії.

Рисунок 96 — Компоненти наноелектромеханічних систем

Вдосконалення їх роботи полягають у застосуванні нових методів для ко-

нтролю руху і приводу наносистем. Використання методів літографії дозволило створити автономні об'єкти у силіції та інших матеріалах завтовшки та завдов-

жки до 20 нанометрів. Подібними методами можна виготовити канали або пори

166

молекулярних розмірів. що дозволить створювати нові пристрої для зчитування

(сканування). Використання НЕМС-технології дозволить створити високофун-

кціональні сенсори, атравматичні медичні діагностичні прилади та високоємні-

сні пристрої для зберігання інформації.

Робототехніка Нанороботи або наноботи — роботи, створені з наноматеріалів, що мають

розміри співставимі з молекулою і володіють функціями руху, обробки та пере-

дачі інформації, а також виконання програм. Нанороботи, здатні створювати власні копії, тобто самовідтворюваними системами — їх називають реплікато-

рами. Інші визначення описують наноробота як пристрій, здатний точно взає-

модіяти з нанорозмірними об'єктами у наномасштабі. Унаслідок цього навіть габаритні агрегати, такі як атомно-силовий мікроскоп можна вважати наноро-

ботами оскільки вони здатні проводити маніпуляції на нанорівні. Окрім того,

навіть звичайних роботів, які здатні переміщуватися з нанорозмірною точністю можна вважати нанороботами.

У теперішній час нанороботи перебувають на науково-дослідній стадії.

Вже створені прототипи молекулярних машин. Таким є давач, що має переми-

кач розміром приблизно 1,5 нм, за допомогою якого підраховують окремих мо-

лекул у хімічних зразка. Одним з найбільш складних прототипів нанороботів є

DNA box — пристрій, що має рухому частину, якою керують щляхом додавання у середовище специфічних фрагментів ДНК. Такий пристрій складають в авто-

матичному режимі.

Однією з головних задач у створенні нанороботів є питання їх конкретно-

го проектування. Прикладом практичного розв'язання такої проблеми є ство-

рення контрольованої алмазної механосинтетичної нанофабрики, яка буде зда-

тна продукувати медичні нанороботи на основі алмазних сполук. Для реалізації проекту розробляють технології зондування, керування силовими зв'язками між молекулами та їх навігації. Окрім того проектують і створюють нанокомп'юте-

ри та прототипи інструментів для маніпуляції.

167

Молекулярні ротори — синтетичні нанорозмірні двигуни, здатні генеру-

вати крутний момент у разі підведення до них енергії (рис. 97).

Головною особливістю молекулярних двигунів є виконання повторюва-

них спрямованих в одному напрямку обертальних рухів. Для урухомлення як джерело енергії використовують хімічний, світловий метод, а також тунелю-

вання електронів.

Окрім молекулярних двигунів створюють також наноелектродвигуни,

аналогічні за конструкцією з макроскопічними прототипами, а також двигуни,

принцип дії яких оснований на використанні квантових ефектів.

Рисунок 97. — Схема роботи молекулярного двигуна

Молекулярні пропелери — нанорозмірні молекули у формі ґвинта, здатні виконувати обертальний рух завдяки своїй спеціальній формі, аналогічній фор-

мі макроскопічного ґвинта (рис. 98). Молекулярні пропелери мають декілька лопатей молекулярного масштабу, приєднаних до центрального валу, довкола якого проходить обертання. Лопаті розведені між собою на певний кут. Моле-

кулярні пропелери, формують на плоских ароматичних молекулах на основі ву-

глецевих нанотрубок.

Молекулярно-динамічне моделювання показало, що такі пропелери мо-

жуть слугувати ефективними насосами для перекачування рідини. Ефектив-

ність їх накачування залежить від хімічного складу молекулярних лопаток і са-

мої рідини. Наприклад, якщо лопаті гідрофобні, то молекули води будуть від них відштовхуватися і пропелер буде ефективним насосом для певної рідини.

Якщо лопаті гідрофільні, то молекули води навпаки будуть притягатися до їх

168

кінців. Така дія може значно зменшити швидкість проходження інших молекул довкола пропелера і зменшити перекачування води.

Рисунок 98. — Відштовхування молекул води від поверхні гідрофобного молекулярного пропелера

RoboCup (чемпіонату з футболу серед роботів) — з 2006 року у рамках цього проекту існує номінація «Nanogram Competition», у якій ігрове поле являє собою квадрат 2,5×2,5 мм. Максимальний розмір гравця не має перевищувати

300 мкм.

Перше корисне застосування наномашин, якщо вони з'являться, заплано-

ване у медичних технологіях, де вони можуть бути використані для виявлення та знищення ракових клітин (рис. 99). Також вони можуть виявляти токсичні хімічні речовини і вимірювати їх концентрацію.

Рисунок 99. — Медичний наноробот у порівнянні з червоними кров'яними тільцями

Перелік можливих сфер застосування:

рання діагностика раку і цілеспрямована доставка ліків у ракові клітини;

169

біомедичний інструментарій;

хірургія;

фармакокінетика;

моніторинг хворих на діабет;

виробництво шляхом молекулярного складання нанороботами об'єктів з окремих молекул за кресленнями;

військове застосування як засобів спостереження, а також зброї;

космічні дослідження і розробки (наприклад, зонди фон Неймана самові-

дтворювані зонди для дослідження космічних об'єктів і передачі резуль-

татів вимірювань назад у систему, звідки він походить.

Суперконденсатори

Суперконденсатори (іоністори, ультраконденсатори, двошарові електро-

хімічні конденсатори — електрохімічні пристрої, конденсатори з органічним або неорганічним електролітом, «обкладинками» у якому слугує подвійний електричний шар на межі розділу електроду та електроліту. Функціонально су-

перконденсатори являють собою гібрид конденсатора та хімічного джерела струму (рис. 100).

Рисунок 100. — Схеми конденсаторів

Завдяки тому, що товщина подвійного електричного шару (тобто віддаль між «обкладинками» конденсатора) вкрай мала, накопичена іоністором енергія

більша порівняно зі звичайними конденсаторами того самого розміру. До того

170