Майбутнє за нанотрубками, КомпьютерПресс

Сучасна мікроелектроніка впритул наблизилася до атомарному рубежу, тобто типові розміри транзисторів (наприклад, товщина оксидної плівки або розмір затвора) складають кілька десятків атомних шарів. Подальше зменшення розмірів транзисторів стає все більш проблематичним, і тому багато компаній активно займаються розробкою альтернативних технологій. До однієї з таких перспективних технологій можна віднести використання у виробництві транзисторів карбонових (вуглецевих) нанотрубок.

Що таке нанотрубка

глеродние нанотрубки, які також називають фулеренами, або вуглецевими каркасними структурами, # 151; це великі молекули, що складаються тільки з атомів вуглецю. Прийнято навіть вважати, що ці молекули являють собою нову форму вуглецю, поряд з відомими формами # 151; графітом і алмазом. Якщо підходити до поняття фулеренів формально, то можна сказати, що це аллотропние молекулярні форми вуглецю, в яких атоми розташовані у вершинах правильних шести- і п'ятикутників.

Головна особливість нанотрубок полягає в тому, що вони мають каркасну форму, що нагадує замкнуту порожнисту оболонку. За формою фулерени можуть бути різними: як оболонка футбольного м'яча або м'яча для регбі або як циліндрична труба. Молекули фулеренів можуть містити 28, 32, 50, 60, 70, 76 і т.д. атомів вуглецю. Найвідоміший з фулеренів # 151; це так званий фуллерен C60, каркасна форма якого нагадує футбольний м'яч (рис. 1). Цей фуллерен, що має форму правильного усіченого ікосаедра, володіє найбільшою симетрією і, отже, максимальної стабільністю. Атоми вуглецю в ньому розташовуються на сферичної поверхні в вершинах 20 правильних шестикутників і 12 правильних п'ятикутників; кожен шестикутник має три загальні сторони з іншими шестикутниками і три загальні сторони з п'ятикутниками, тобто все п'ятикутники межують тільки з шестикутниками.

Мал. 1. Форма фуллерена C60

Саме з фуллерена C60. відкритого в 1985 році, почалася ціла епоха розвитку цих дивовижних за своїми властивостями каркасних структур. Фулерени були названі по імені американського архітектора Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), який при конструюванні куполів будівель застосовував структури, подібні фуллеренам.

Мал. 2. Форма нанотрубок

Візуально структуру таких нанотрубок можна уявити наступним чином: це графітова площина (тобто площину, в якій атоми вуглецю упаковані по типу графіту), з якої вирізана довга смужка, згорнута в циліндр. Цей циліндр і являє собою карбонову нанотрубку.

Очевидно, що від того, яким чином з графітової площині вирізається смужка, буде залежати ступінь скрученности нанотрубки. Розглянемо це більш детально.

Візьмемо графітову площину, в якій атоми вуглецю розташовані у вершинах правильних шестикутників. Виберемо в цій площині базові вектори і, як показано на рис. 3, і відкладемо вектори і, де n і m # 151; цілі числа. Далі проведемо вектор, який буде характеризувати геометрію нанотрубки. Через кінець і початок вектора проведемо перпендикулярні до нього прямі L і L`. Ці прямі обмежують в площині нескінченну смужку. Якщо тепер згорнути цю смужку в циліндр, так щоб прямі L і L` збіглися, то отримаємо нанотрубку, діаметр якої буде виражатися через довжину вектора як

Зрозуміло, що в залежності від чисел m і n положення смуги, обмеженої прямими L і L`. в графітової площині може бути різним. Ось, утворена зафарбованими в рожевий колір шестикутниками на рис. 1, в загальному випадку становить деякий кут з лінією L. і при згортанні смуги в циліндр ця вісь буде являти собою кручені лінію, по якій можна судити про скрученности нанотрубки. Єдиний виняток становить випадок, коли m = n (рис. 4), при якому кордону L і L` вирізується з площини смуги паралельні зазначеної осі. В цьому випадку нанотрубка не має скрученности.

Мал. 3. Освіта нанотрубки з геометрією (7, 4)

Ступінь скрученности нанотрубок, яка характеризується парою чисел m і n. значно впливає на електричні властивості нанотрубок. Аби не заглиблюватися в теорію кристалічних структур, відзначимо лише, що ступінь скрученности нанотрубок визначає її зонну структуру і взаємне розташування валентної зони і зони провідності на енергетичній діаграмі. Виявляється, що якщо різниця n - m кратна трьом, то нанотрубка буде володіти електронною провідністю по типу металів. У всіх інших випадках нанотрубки є напівпровідниками і між зоною провідності і валентною зоною існує заборонена зона з шириною від кількох десятих до одиниць електрон-вольт (еВ). Причому чим менше діаметр нанотрубки, тим більше ширина забороненої зони.

властивості нанотрубок

дівітельние властивості провідності нанотрубок # 151; це далеко не всі особливості описаних вище загадкових молекул. Наприклад, нанотрубки виявилися на рідкість міцним матеріалом як на розтяг, так і на вигин. Як показують результати експериментів, модуль Юнга нанотрубки досягає величин в кілька ТПА, що на порядок більше, ніж у сталі. І якщо в майбутньому вдасться вирощувати нанотрубки необмеженої довжини, то такий «трос» товщиною менше людської волосини, що складається з декількох нанотрубок, здатний буде витримувати вантаж масою сотні кілограм.

Втім, повернемося до основної теми нашої статті. Як уже зазначалося, завдяки своїм унікальним властивостям нанотрубки знаходять все більше застосування в мікроелектроніці. Наприклад, вигнута нанотрубка за властивостями провідності адекватна диоду. Справа в тому, що для вигину нанотрубки в неї потрібно впровадити дефектний елемент (наприклад, замінити один з шестикутників на п'ятикутник). В результаті ступінь скрученности нанотрубки з різних щодо вигину сторін виявляється різною, що призводить до різного типу провідності. Наприклад, з одного боку щодо вигину може бути металева провідність, а з іншого # 151; напівпровідникова. У цьому випадку така нанотрубка зі зламом буде являти собою структуру типу «метал # 151; напівпровідник» з односторонньою (як і у діода) провідністю.

Транзистор на основі нанотрубки

ругое, не менше цікаве застосування нанотрубок # 151; це створення польових транзисторів, в яких роль каналу провідності виконує саме нанотрубка. Нагадаємо, що польові транзистори є фундаментом сучасної мікроелектроніки, і цілком можливо, що в недалекому майбутньому процесори будуть формуватися з мільярдів дрібних транзисторів на основі нанотрубок.

Нагадаємо, що в традиційному польовому транзисторі канал перенесення носіїв заряду (дірок і електронів), який представляє собою область між стоком і витоком, збагачену основними носіями заряду, утворюється в подзатворного області під дією електричного поля, що виникає при додатку напруги до затвора. Змінюючи напругу на затворі, можна управляти каналом перенесення (концентрацією носіїв заряду в подзатворного області). При цьому, як правило, розглядаються два стану польового транзистора: відкрите і замкнене. У відкритому стані існує канал переносу заряду, і під впливом напруги між стоком і витоком виникає електричний струм. У замкненому стані каналу перенесення немає і струму між стоком і витоком не виникає.

Принцип дії польового транзистора на основі нанотрубки подібний до принципу дії традиційного транзистора, але каналом переносу заряду в даному випадку є сама нанотрубка.

У найпростішому випадку транзистор з нанотрубки виглядає наступним чином (рис. 5). На підкладку з кремнію, яка сама є керуючим електродом (затвором), наноситься найтонша плівка захисного шару # 151; оксиду кремнію. На цій плівці розташовані стік і джерело в вигляді тонких проводять рейок. Між цими рейками розташовується сама нанотрубка з напівпровідникової провідністю. У звичайному стані концентрація вільних носіїв зарядів (дірок і електронів) в нанотрубке мала, тобто вона є діелектриком. Зона провідності в даному випадку відокремлена від валентної зони забороненою зоною шириною в кілька електрон-вольт. Однак при приміщенні нанотрубки в електричне поле ширина забороненої зони змінюється і концентрація вільних носіїв зарядів збільшується. У цих умовах нанокарбоновая трубка стає провідником. Електричне поле, що управляє провідністю нанокарбоновой трубки, створюється затвором, яким, як уже зазначалося, є кремнієва підкладка. При потенціалі затвора близько 6 У концентрація вільних носіїв заряду в валентної зоні досягає максимуму, і нанотрубка стає хорошим провідником. Таким чином, змінюючи напругу на затворі, можна управляти провідністю нанотрубки і відповідно відкривати або замикати транзистор.

Мал. 5. Структура польового транзистора на основі нанотрубки

Звичайно, пройде ще чимало часу, перш ніж транзистори на основі нанотрубок будуть впроваджені в масове виробництво, проте вже зараз стає очевидним, що ці транзистори мають масу переваг в порівнянні з традиційними і що вони будуть затребувані в недалекому майбутньому.

Пам'ять на основі нанотрубок

ругое цікаве застосування нанотрубок # 151; це створення незалежної оперативної пам'яті NRAM (Nonvolatile Random Access Memory). Першою даний тип пам'яті реалізувала компанія Nantero (www.nantero.com).

У запропонованій компанією схемою (рис. 6) на кремнієву підкладку наноситься тонка ізолююча плівка оксиду кремнію, уздовж якої розміщені струмопровідні електроди шириною в 130 нм, відокремлені один від одного ізолюючими шарами. Над електродами перпендикулярно до них розташовані масиви нанотрубок, які замикаються по обидва боки на провідні контакти. У звичайному стані (стан OFF) нанотрубки не стосуються електродів і знаходяться над ними на висоті близько 13 нм. Якщо до нижнього електрода прикласти напругу, то нанотрубка під впливом електричного поля почне вигинатися і торкнеться нижнього електрода. Однак такий стан (стан ON) виявляється стійким за рахунок балансу між виникають механічним напругою і Ван-дер-ваальсово силами (рис. 7). В результаті навіть після зникнення напруги форма нанотрубки не зміниться. Таким чином, змінюючи напругу на електроді, можна переходити між двома стабільними механічними станами нанотрубок, в одному з яких є контакт з електродом, а в іншому # 151; немає. Одне з цих станів буде відповідати логічному нулю, а інше # 151; логічної одиниці.

Мал. 6. Структура масиву NRAM-пам'яті на нанотрубках

Мал. 7. Два стійких механічних стану нанотрубок

Для того щоб прочитати вміст елементарного осередку пам'яті, між нижнім електродом і контактом, до якого приєднані нанотрубки, що відповідають вибраній комірці пам'яті, подається напруга. Якщо осередок пам'яті знаходиться в стані OFF, при якому немає фізичного контакту між електродом і нанотрубки, то електричний ланцюг виявляється розімкнутої і напруга буде високим, що відповідає логічній одиниці. Якщо ж комірка пам'яті знаходиться в стані ON, тобто є контакт між нанотрубки і нижнім електродом, то ланцюг замикається і напруга буде низьким, що відповідає логічному нулю (рис. 8).

Мал. 8. Зчитування інформації з комірки пам'яті на основі нанотрубок

У порівнянні з традиційними типами пам'яті, пам'ять NRAM має ряд переваг. По-перше, незважаючи на те, що це RAM-пам'ять, вона є незалежною. По-друге, за твердженнями компанії Nantero, щільність запису інформації в пристроях NRAM може досягати 5 млрд. Біт на квадратний сантиметр (в кілька разів більше, ніж в сьогоднішніх мікросхемах пам'яті), а частота роботи пам'яті # 151; до 2 ГГц.

До теперішнього часу компанія Nantero випустила модуль NRAM-пам'яті ємністю 10 Гбіт. Масове виробництво модулів NRAM-пам'яті, ймовірно, почнеться через рік-два.

Зовсім недавно компанія Cougar представила нову серію блоків живлення для традиційних ПК - VTX, орієнтовану на користувачів з обмеженим бюджетом. У цьому огляді буде розглянута модель Cougar VTX600, яка завдяки своїм характеристикам буде однією з найбільш затребуваних в цій лінійці блоків живлення

На щорічному заході Capsaicin SIGGRAPH в Лос-Анджелесі компанія AMD зміцнила свої позиції на ринку ПК класу high-end з новими процесорами Ryzen Threadripper і GPU «Vega»

Для простого і зручного побудови мереж рядовими користувачами компанія ZyXEL випустила чергову версію свого Інтернет-центру для підключення до мереж 3G / 4G через USB-модем з точкою доступу Wi-Fi - ZyXEL Keenetic 4G III, який ми і розглянемо в цьому огляді

До своєї і так великій родині роутерів і маршрутизаторів фірма ASUS недавно додала дві вельми цікаві моделі: флагманську 4G-AC55U і більш просту 4G-N12. У даній статті буде розглянута флагманська модель ASUS 4G-AC55U

Молода, але амбіційна компанія KREZ на початку цього року випустила нову, оригінальну модель ноутбука KREZ Ninja (модель TM1102B32) під керуванням Windows 10. Оскільки цей комп'ютер має поворотний екран, він може служити універсальним рішенням - його можна з успіхом використовувати і для роботи, і для навчання, і для ігор

Якщо ви часто друкуєте фотографії та вже втомилися міняти картриджі в своєму принтері, зверніть увагу на МФУ Epson L850. Великий ресурс витратних матеріалів, чудова якість відбитків, найширший набір функціональних можливостей - ось лише деякі з переваг даної моделі