Сучасні наукомісткі технології матеріал
СУЧАСНІ НАУКОЄМКІ ТЕХНОЛОГІЇ
Матеріал підготував доцент кафедри
фізичної електроніки І.І. Хініч
Енциклопедичний словник визначає технологію (від грец. «Techne» - «мистецтво», «майстерність», «вміння» + «logos» - «наука») як сукупність методів обробки, виготовлення, зміни стану (властивостей, форми) первинної сировини в процесі виробництва кінцевої продукції. До високих (наукомістких) технологіям зазвичай відносять самі наукомісткі галузі промисловості: мікро- і нанотехнології, обчислювальна техніка та інформаційні технології, робото
техніка, перспективні види енергетики, космічна техніка, біотехнології та ін.
Пропонований методичний матеріал присвячений обговоренню комплексу питань, що стосуються нанотехнологій, - виготовлення виробів, що мають розмір
1 - 100 нм хоча б в одному вимірі (рис. 1). Якщо говорити про нанотехнології в природі, то такий найважливіший об'єкт, як клітина, значно більше кордону нанотехнологій, але деталі, з яких вона складається, а також бактерії, віруси - це вже нанотехнології в природі. Ми ж говоримо про технології людини, т. Е. Про методи виготовлення надмалих виробів, хоча в принципі це можуть бути і відносно великі елементи, але, наприклад, дуже, дуже тонкі.
Мал. 1. Зіставлення об'єктів в різних розмірних діапазонах
В першу чергу пояснимо невипадковість кордону нанотехнологій. У цьому діапазоні проявляються властивості, яких немає в інших діапазонах, такі як тунельні струми, сили взаємодії між атомами речовини. Як приклади властивостей, які спостерігаються тільки в нанодіапазоні, можна привести: 1) квантовий ефект Холла, де для тонких кристалів при низьких температурах, коли електронний газ потрібно вважати двовимірним, змінюється залежність холлівських опору від магнітного поля - на звичайну лінійну залежність накладаються ділянки з незмінним опором (рис. 2), при цьому під холлівських опором розуміють відношення поперечного напруги до поздовжнього струму; 2) в нанодіапазоні змінюється уявлення про терті. Чи не в нанодіапазоні тертя - подолання нерівностей, залежне від сили тиску і незалежне від площі; в нанодіапазоні тертя залежить від відстані і від площі.
??Мал. 2. Схема спостереження ефекту Холла
і залежність холлівських опору від магнітного поля
Ще приклад - міцність. Механічне навантаження або тиск - це відношення ваги деталі до площі основи. Зі зменшенням розміру це відношення зменшується - міцність зростає. Згорнутий в трубочку аркуш паперу важче зігнути, ніж звичайний лист. Приклад зростання міцності - використання нанотрубок
(Рис. 3). Нитка з нанотрубок товщиною в людський волос здатна утримувати вантажі в сотні кілограмів. Прямий шлях виготовлення нанотрубок - використання графена. Графен - це окремий вуглецевий шар графіту (рис. 4). Однак робити нанотрубки з графена ще не вміють. Але вже освоєна технологія самозборки. Вона відбувається на катоді при осадженні іонів вуглецю (випаровування з графітового анода) в плазмі дугового розряду.
Мал. 3. Види вуглецевих нанотрубок:
а) - одношарова пряма,
б) - двошаровий пряма,
в) - одношарова спіральна.
Довжина зв'язку - 1,41 Ǻ, діаметр - 1 нм,
довжина -> 30 нм
Мал. 4. Шари графена в графіті
Всі обговорювані властивості спостерігаються в нанодіапазоні. Наступний приклад - алюміній не взаємодіє з водою, в той же час наночастинки алюмінію досить активно взаємодіють з водою з виділенням водню. Треба відзначити практичну важливість цього прикладу з точки зору розробки нових видів отримання енергії.
На прояві на нанорасстояніях сил взаємодії між окремими атомами заснований один із сучасних способів спостереження нанооб'єктів - скануюча атомно-силова мікроскопія (рис. 5). Про цих приладах піде мова в наступному методичному матеріалі. Тут же важливо відзначити, що невипадковість кордону нанотехнологій проявляється як у зміні способів спостереження нанооб'єктів, так і в зміні самих технологій. Оптичні способи спостережень внаслідок дифракційних ефектів не працюють, починаючи з відстаней в десяті частки мкм.
? ?
Мал. 5. Зовнішній вигляд вимірювальної головки мікроскопа NanoEducator
Дійсно, внаслідок ефекту дифракції будь-яке зображення в мікроскопі виявляється дещо розмитим, при цьому при відносно невеликих збільшеннях це розмиття практично не проявляється, проте виявляється принципово неможливим розглянути будь-які деталі розміром менше, ніж кілька десятих довжини хвилі, що відповідає порогу нанотехнологій. Тому для спостереження нанооб'єктів в основному використовують інші, неоптичні методи досліджень. Основними інструментами нанотехнологій є два методи - скануюча зондовая мікроскопія і скануюча електронна мікроскопія. Як приклад ще одного приладу нанотехнологій можна привести оптичний пінцет, в якому частка утримується у фокусі неоднорідним електричним полем (рис. 6).
Мал. 6. Схематичне зображення оптичного пінцета - промінь лазера
своїм неоднорідним електричним полем
утримує в точці фокусу кулясту наночастинку
Сьогодні нанотехнології - це передній край науки і промисловості. З використанням нанотехнології вже проводиться кілька тисяч товарів. Природно, в першу чергу треба говорити про застосування нанотехнології в електроніці. Тут цікаво сказати кілька слів про історію мікроелектроніки. Більше 40 років тому на зорі мікроелектроніки один з творців фірми Intel Гордон Мур сформулював закон, що носить його ім'я - за 1,5 року відбувається зміна основних параметрів елементів мікроелектроніки в 2 рази (обсяг продажів, швидкість, час перемикання, розмір, собівартість на біт, енергія на біт) (рис. 7). Цей закон уособлює історію електроніки - від дискретних елементів до сучасних мікросхем. Нанодіапазоні спочатку був далеко, але виявилося, що і зараз, коли межа вже пройдена, закон поки працює.
Мал. 7. Закон Мура
Тут доцільно коротко нагадати про роботу біполярного (рис. 8) і польового транзистора.
?
Мал. 8. Спрощена схема поперечного розрізу біполярного n-p-n транзистора
На кордоні нанодіапазоні, пройденого на кордоні 21 століття, змінилися принципи роботи приладів, в яких не можна не враховувати тунельні струми. Розглянемо роботу одного з сучасних приладів на тунельних токах (рис 9).
?
Мал. 9. Схема і енергетичні рівні витоку, острови і стоку
в одноелектронному транзисторі для закритого (верхня частина)
і проводить (нижня частина) станів
Одноелектронний транзистор має три електроди: витік, стік і затвор. В області між електродами розташовуються два тунельних переходу. розділених додатковим металевим або напівпровідникових електродом, який називається «островом». Острів являє собою наночастинку або кластер нанометрових розмірів, ізольований від електродів діелектричними прошарками, через які і може при певних умовах відбуватися рух електрона. Електричний потенціал острова може регулюватися зміною напруги на затворі, з яким острів пов'язаний ємнісний зв'язком. Якщо прикласти напругу між витоком і стоком, то струм, взагалі кажучи, протікати не буде, оскільки електрони заблоковані на початку - на острові немає доступних для них енергетичних рівнів і для електрона «горить» червоний колір. Коли до затвору прикладається позитивний потенціал, енергетичні рівні на острові знижуються і електрон (йому «горить» зелене світло) може туннелировать на острів, а звідси він може туннелировать на стік. Чому транзистор називається одноелектронні - на острові розміром менше 10 нм всього кілька станів для електронів і вони проходять його порціями по кілька штук.
Серед багатьох переваг наноелектронних приладів (розмір, вага, споживання і швидкість) окремо обговоримо швидкість його роботи (час перемикання), що є дуже важливим параметром. Швидкість роботи транзистора визначається часом, протягом якого електрон або дірка проходять через його активну область, т. Е. Вирішальний вплив має розмір транзистора. Сьогодні транзистори працюють на частотах в ГГц. Однак до нескінченності при использова-
ванні існуючої схемотехніки частоти зростати не можуть. У різних точках схеми сигнал в одній фазі, якщо розмір схеми менше, ніж відстань, на яке сигнал поширюється за період. Нехай частота сигналу 1 ГГц, тоді це відстань з ∙ Т = 3 ∙ 10 8 ∙ 10 -9 = 30 см. Розмір процесора менше 30 см і він може працювати і при ще більших частотах, а розмір материнської плати не дозволяє працювати з великими частотами .
Мал. 10. Приклад літографії зі створення кратероподібної дефектів
глибиною в один моношар (розмір скан - 256 × 256 нм)
Мал. 11. Назва компанії IBM, складене з 35 атомів ксенону
на платівці з нікелю
Можна навести ще 2 приклади використання нанотехнологій (рис. 12-13).
Мал. 12. Схема процесу локального анодного оксидування
(Розмір скан - 200 × 200 нм) і отримане цим методом зображення герба
РГПУ ім. А.І. Герцена
Мал. 13. Схема процесу статичної силової літографії (розмір скана 1,6 × 1,6 мкм) і динамічна силова літографія,
виконана на навчальному мікроскопі NanoEducator
Наведемо ще кілька прикладів проектів нанотехнологій в хімії, біології та медицині.
Мал. 14. Схематичне зображення дендримеру
2. Для виявлення ракової пухлини в кров можна ввести мікроскопічні силіконові кульки - наносфери діаметром кілька нм, вкриті найтоншим шаром золота (рис. 15). Ідея в тому, що стінки кровоносних судин в тканинах пухлини неповноцінні і проникні, і наносфери можуть з таких «протікають» судин потрапити в тканину пухлини. Далі важливо, щоб наносфери були невидимі для імунної системи, для цього вони покриваються захисним шаром поліетиленгліколю. Через 20 годин після введення наносфер проводиться оптична когерентна томографія і наносфери дозволяють візуалізувати пухлини. Потім пухлина опромінюється ІК-світлом, який розігріває золоту оболонку частинок, що призводить до загибелі пухлинних клітин.
? ?
Мал. 15. наносфер золота
3. У медицині проблема застосування нанотехнологій полягає в необхід
мости змінювати структуру клітини на молекулярному рівні, тобто здійснювати «молекулярну хірургію» за допомогою нанороботів (рис. 16). Очікується створення молекулярних роботів-лікарів, які можуть «жити» всередині людського організму, усуваючи всі виникаючі ушкодження, або запобігаючи виникненню таких. Маніпулюючи окремими атомами і молекулами, нанороботи зможуть здійснювати ремонт клітин. Нанороботи або молекулярні роботи можуть брати участь (як поряд з генною інженерією, так і замість неї) в перепроектування геному клітини, в зміні генів або додаванні нових для удосконалення функцій клітини. Важливим моментом є те, що такі трансформації в перспективі можна виробляти над клітками живого, вже існуючого організму, змінюючи геном окремих клітин, трансформувати сам організм! Прогнозований термін створення роботів-лікарів - перша половина XXI століття. Можливості наномедицини поки ще не реалізовані, існують лише окремі нанопроекти.
? ?
Мал. 16. Нанороботи за «роботою»
Сучасні наукомісткі технології матеріал