Нанотехнологічна революція стартувала!
Ми все частіше чуємо слова нанонауки, нанотехнології, наноструктуровані матеріали і об'єкти. Частково вони вже увійшли в повсякденне життя, ними позначають пріоритетні напрями науково-технічної політики в розвинених країнах. Так, у США діє програма "Національна нанотехнологічна ініціатива" (у 2001 р. її бюджет був 485 млн дол, що можна порівняти з річним бюджетом всієї Російської академії наук). Євросоюз нещодавно прийняв шосту рамкову програму розвитку науки, в якій нанотехнології займають чільні позиції. Мінпромнауки РФ і РАН також мають переліки пріоритетних, проривних технологій з приставкою "нано-". За оцінками фахівців у галузі стратегічного планування, що склалася зараз ситуація багато в чому аналогічна тій, що передувала тотальної комп'ютерної революції, однак наслідки нанотехнологічної революції будуть ще більші і глибше. Та, власне, вона вже почалася і вибухово захоплює все нові і нові області. У журналі "Природа" були опубліковані статті, присвячені окремим напрямкам нанонауки; тепер постараємося кинути погляд на неї як на єдине ціле.
Заглиблюючись в наноджунглі
Отже, що ж зараз розуміють під нанотехнологіями? Сама десяткова приставка "нано-" походить від грецького слова "nanos", що перекладається як "карлик" і означає одну мільярдну частину чого-небудь. Таким чином, чисто формально в сферу цієї діяльності потрапляють об'єкти з розмірами R (хоча б вздовж однієї координати), вимірюваними нанометрами. Реально діапазон аналізованих об'єктів набагато ширше - від окремих атомів (R <0.1 нм) до їх конгломератів і органічних молекул, що містять понад 109 атомів і мають розміри набагато більше 1 мкм в одному або двох вимірах. Принципово важливо, що вони складаються з рахункового числа атомів, і, отже, в них вже значною мірою проявляються дискретна атомно-молекулярна структура речовини та / або квантові закономірності його поведінки. Задовольняючи наше прагнення до мініатюризації, до зниження енергоємності і матеріаломісткості, такі системи мають ще одним козирем. З огляду на дії різних причин (як чисто геометричних, так і фізичних) разом із зменшенням розмірів падає і характерний час протікання різноманітних процесів у системі, тобто зростає її потенційне швидкодію. Поки в серійно вироблюваних комп'ютерах досягнуто швидкодію (час, що витрачається на одну елементарну операцію) близько 1 нс, і його можна зменшити на кілька порядків величини в ряді наноструктур. Але існуючі зараз масові технології виробництва практично досягли своїх теоретичних меж і потребують кардинального оновлення.
Наукові основи та об'єкти нанонауки і нанотехнології.
Нова парадигма в технології - "знизу вгору", що витісняє і доповнює стару - "зверху вниз" (тобто від великої заготовки - до готового виробу шляхом відсікання зайвого матеріалу), - базується на глибоких знаннях властивостей кожного атома з таблиці Менделєєва і використовує сили тяжіння між ними при нанометрових відстанях. У результаті дії цих сил можуть утворюватися атомні конфігурації, стабільність яких визначається типом і міцністю внутрішніх зв'язків, абсолютною температурою і характером оточення. Чим менше частка і нижче температура, тим сильніше виявляються її квантові якості. Властивості наночастинок сильно змінюються в порівнянні з макрочасток того ж речовини, як правило, вже при розмірах R c Ј 10-100 нм. Для різних характеристик (механічних, електричних, магнітних, хімічних) цей критичний розмір може бути різним, як і характер їх змін (монотонний-немонотонний) при R <R c. Зважаючи на різкій залежності властивостей речовини від числа однакових атомів в кластері її іноді алегорично називають навіть третьої координатою таблиці Менделєєва.
Серед причин розмірних ефектів в наномасштабних об'єктах є як цілком очевидні, так і заслуговують додаткових коментарів. Наприклад, ясно, що частка атомів a, що знаходяться в тонкому приповерхневому шарі (~ 1 нм), зростає зі зменшенням розміру частинки речовини R, оскільки a ~ S / V ~ R 2 / R 3 ~ 1 / R (тут S - поверхня частинки , V - її об'єм). Також загальновідомо, що поверхневі атоми мають властивості, що відрізняються від "об'ємних", оскільки вони пов'язані з сусідами по-іншому, ніж в об'ємі. У результаті на поверхні може статися атомна реконструкція і виникне інший порядок розташування атомів. Для атомів, що опинилися на краях моноатомних терас, уступів і западин на них, де координаційні числа значно нижче, ніж в обсязі, виникають зовсім особливі умови. Взаємодія електронів з вільною поверхнею породжує специфічні приповерхні стану (рівні Тамма). Все це разом узяте змушує розглядати приповерхневий шар як якесь новий стан речовини.
Зауважимо також, що поверхня служить стоком (причому майже нескінченної ємкості) для більшості дефектів кристалічної структури завдяки дії сил зображення * та інших причин.
* Сили зображення отримали свою назву за методом розрахунку електричних полів, який полягає в уявному приміщенні симетрично за межею поділу точно такого ж об'єкта, але протилежно зарядженого.
Сили зображення убувають по мірі віддалення від поверхні, але якщо розмір частинки досить малий, вони можуть "висмоктати" з обсягу на поверхню більшість дефектів і зробити його більш досконалим у структурному і хімічному відносинах.
Далі, згадаймо: розглядаючи будь-який процес переносу (протікання електричного струму, теплопровідність, пластичну деформацію і т.п.), ми приписуємо носіям деяку ефективну довжину вільного пробігу R f. При R>> R f розсіяння (або захоплення і загибель) носіїв відбувається в об'ємі і слабо залежить від геометрії об'єкту. При R <R f ситуація радикально змінюється і всі характеристики перенесення починають сильно залежати від розмірів зразка.
Приклади специфічної поведінки речовини на субмикронной масштабному рівні та основні причини специфіки нанооб'єктів.
Нарешті, якщо об'єкт має атомарний масштаб в одному, двох або трьох напрямках, його властивості можуть різко відрізнятися від об'ємних для того ж матеріалу через прояви в поведінці квантових закономірностей. Наприклад, коли хоча б один з розмірів об'єкта стає порівнянним з довжиною хвилі де Бройля для електронів, вздовж цього напрямку починається розмірне квантування.
Для аналізу властивостей нанооб'єктів використовують широкий спектр фізичних підходів і методів.
Що і як отримують
Всього за кілька останніх років створено сотні наноструктурованих продуктів конструкційного і функціонального призначення і реалізовані десятки способів їх отримання і серійного виробництва. Можна виділити кілька основних областей їх застосування: високоміцні нанокристалічні і аморфні матеріали, тонкоплівкові і Гетероструктурні компоненти мікроелектроніки та оптотронікі наступного покоління, магнитомягкие і магнітотверді матеріали, нанопористих матеріали для хімічної і нафтохімічної промисловості (каталізатори, адсорбенти, молекулярні фільтри та сепаратори), інтегровані мікроелектромеханічні пристрої , негорючі нанокомпозити на полімерній основі, паливні елементи, електричні акумулятори та інші перетворювачі енергії, біосумісні тканини для трансплантації, лікарські препарати.
Теоретичні основи технологій різного масштабно-часового рівня.
Найбільш великотоннажним (після будівельних) є виробництво високоміцних конструкційних матеріалів, головним чином металів і сплавів. Потреба в них і матеріаломісткість виробів з них залежать від механічних властивостей: пружності, пластичності, міцності, в'язкості руйнування й ін Відомо, що міцність матеріалів визначається хімічним складом і реальною атомарної структурою (тобто наявністю певної кристалічної решітки - або її відсутністю - і всім спектром її недосконалостей). Високих показників міцності можна домагатися двома прямо протилежними способами: знижуючи концентрацію дефектів структури (в межі наближаючись до ідеального монокристаллическом стану) або, навпаки, збільшуючи її аж до створення дрібнодисперсного нанокристалічною або аморфного стану. Обидва шляхи широко використовують у сучасному фізичному матеріалознавстві і виробництві.
Схематична залежність міцності від щільності атомарних дефектів в матеріалі.
G - модуль зсуву.
Розроблено склади та технології нанесення надтвердих покриттів товщиною близько 1 мкм, поступаються по твердості тільки алмазу. При цьому різко збільшується зносостійкість ріжучого інструменту, жаростійкість, корозійна стійкість виробу, зробленого з порівняно дешевого матеріалу. За плівкової технології можна створювати не тільки суцільні або острівцевих покриття, але і щетиноподібними, з упорядкованим розташуванням нановорсінок однакової товщини і висоти. Вони можуть працювати як сенсори, елементи екранів високого дозволу і в інших додатках.
Здатність вуглецю утворювати ланцюжки-С-С-С-використовується Природою для створення біополімерів, а людиною - синтетичних полімерів і різноманітних пластмас. У 1985 р. Х. Крото з співробітниками виявили в парах графіту, отриманих його випаровуванням під лазерним пучком, кластери (або багатоатомні молекули) вуглецю. Найбільш стабільними з них виявилися З 60 і С 70. Як з'ясувалося в результаті структурного аналізу, перший з них мав форму футбольного, а другий - регбійного м'яча. Пізніше їх стали називати фулеренами на честь американського архітектора Р. Фуллера, що отримав в 1954 р. патент на будівельні конструкції у вигляді багатогранних сфероїд для перекриття великих приміщень. Кулясті (або динеобразние) молекули мають незвичайну симетрію та унікальні властивості. Всі ковалентні зв'язки в них насичені, і між собою вони можуть взаємодіяти тільки завдяки слабким ван дер Ваальсових силам. При цьому останніх вистачає, щоб побудувати з сферичних молекул кристалічні структури (фуллерита). До кожної такої молекулі можна «прищепити» інші атоми і молекули, можна помістити чужорідний атом у центральну порожнину фуллереновой молекули, як в суперміцний контейнер, або полимеризовать їх, розкривши внутрішні зв'язку, і т.д.
Згодом навчилися вирощувати одношарові і багатошарові вуглецеві нанотрубки. Вкрай важливо, що властивостями нанотрубок вдається керувати, змінюючи їх хіральність - скрученості решітки щодо поздовжньої осі. При цьому легко можна отримати дріт нанометрового діаметра як з металевим типом провідності, так і із забороненою зоною заданої ширини. Поєднання двох таких нанотрубок утворює діод, а трубка, що лежить на поверхні окисленої кремнієвої пластинки, - канал польового транзистора. Такі наноелектронних пристрої вже створені і показали свою працездатність. Нанотрубки з регульованим внутрішнім діаметром служать основою ідеальних молекулярних сит високої селективності і газопроникності, контейнерів для зберігання газоподібного палива, каталізаторів. Крім того,
нанотрубки можуть використовуватися як сенсори, атомарно гострі голки, елементи екранів дисплеїв надвисокої роздільної здатності.
Основні методи створення тонкоплівкових структур можна розбити на два великі класи, які базуються на фізичному (в першу чергу, молекулярно-променевої епітаксії) та хімічному осадженні. При малій товщині (до декількох атомних шарів) двовимірна рухливість загрожених на підкладку атомів може бути дуже високою. В результаті швидкої дифузії по поверхні відбувається самозбирання нанооб'єктів, які мають яскраво вираженими квантовими властивостями: утворюються квантові точки, квантові ями, квантові дроту, кільця і ін Якщо систему квантових точок покрити шаром інертного матеріалу, а потім знову напилити активний матеріал, то знову утворюються острівці , самоупорядочівающіеся на поверхні і навіть скорельована з положенням їх попередників. Повторюючи такі процедури безліч разів, можна отримати об'ємно впорядковані структури (квазірешеткі) з квантових ям або точок, звані гетероструктурами, і зробити на їх основі лазерні джерела світла, фотоприймачі (у тому числі інфрачервоного випромінювання в області довжин хвиль 8-14 мкм, що відповідає максимуму теплового випромінювання людського тіла), накопичувачі інформації. Вся сучасна мікроелектроніка базується на планарних напівпровідникових технологіях, які дають можливість створювати найрізноманітніші багатошарові тонкоплівкові структури з функціями сенсорів, логічної і арифметичній обробки сигналу, його зберігання і передачі по електронним або оптичних лініях зв'язку.
Наноелектроніка наступних поколінь
Будь-які досягнення в нанонауки спочатку розглядаються під кутом їх приложимости до інформаційних технологій. Можна виділити кілька великих напрямів атаки на цій ділянці фронту:
- Вже згадувані різні пристрої на вуглецевих нанотрубках;
- Одноелектроніка, спінтроніка і джозефсонівських електроніка, в тому числі квантові комп'ютери;
- Молекулярна електроніка, зокрема, з використанням фрагментів ДНК;
- Скануючі зондові методи.
Незважаючи на наростаючий рівень труднощів, протягом трьох останніх десятиліть підтримується незмінний і дуже високий темп зростання всіх істотних характеристик у мікроелектроніці. Найбільш революційні досягнення наближаються до квантовим меж, покладеним самою Природою - коли працює один електрон, один спін, квант магнітного потоку, енергії і т.д. Це обіцяє швидкодію порядку ТГц (~ 10 12 операцій в секунду), щільність запису інформації ~ 10 Березня Тбіт / см 2, що на багато порядків вище, ніж досягнуті сьогодні, а енергоспоживання - на кілька порядків нижче. При такій щільності запису в жорсткому диску розмірами з наручні годинники можна було б розмістити величезну бібліотеку національного масштабу або фотографії, відбитки пальців, медичні картки та біографії абсолютно всіх (!) Жителів Землі. Дійсно, з принципової точки зору для оперування в двійковій системі числення необхідні елементи, які здатні реалізовувати два стійких (стабільних в часі і не руйнуються термічними флуктуаціями) стану, відповідні "0" і "1", і допускати швидке перемикання між ними. Такі функції може виконувати електрон у дворівневій системі (наприклад, в двоатомних молекулі - перейти з одного атома на інший). Це реалізувало б заповітну мрію - одноелектронні пристрій. На жаль, поки кращі сучасні електронні засоби неекономно "витрачають" сотні, тисячі електронів на одну операцію. Інша можливість - переорієнтувати спін електрона з одного стійкого стану в інше (наприклад, впливаючи магнітним полем), чим і займається спінтроніка.
Динаміка розвитку мікроелектроніки в попередні 30 років та прогноз на наступне десятиріччя на прикладі зростання параметрів великих інтегральних схем оперативної пам'яті для персональних комп'ютерів.
Магнітні квантові ефекти задіяні також у роботі надпровідних елементів, які включають джозефсоновский перехід. Останні являють собою дві надпровідні плівки, розділені тонким шаром (~ 1 нм) діелектрика. Один або кілька джозефсонівських контактів включаються в звичайну електричну ланцюг. Електрони в надпровіднику поводяться скорреліровани, в результаті чого струм і створений ним магнітний потік квантуються: у кільці з двох джозефсонівських контактів, включених паралельно, може укладатися тільки ціле число довжин електронних хвиль, а всередині такого кільця може існувати не будь-який магнітний потік, а тільки кратний цілому числу квантів магнітного потоку. Це забезпечує автоматичний перехід від аналогового способу подання інформації до дискретного.
Елементи швидкої одноквантових логіки, в яких одиницею інформації служить квант магнітного потоку, дозволяють обробляти сигнали з частотами вище 100 ГГц при вкрай низькому рівні дисипації енергії. Особливо приємно те, що така структура є одночасно і логічним елементом, і осередком пам'яті. Оскільки обсяг даних, переданих в Інтернеті, подвоюється кожні три-чотири місяці, в найближчій перспективі навіть кращі з розробляються зараз напівпровідникових приладів не зможуть пропускати такі великі потоки. Тривимірні структури, які з складених у стопу джозефсонівських електронних схем, бачаться зараз як єдина альтернатива планарним напівпровідниковим мікросхем.
Ми все частіше чуємо слова нанонауки, нанотехнології, наноструктуровані матеріали і об'єкти. Частково вони вже увійшли в повсякденне життя, ними позначають пріоритетні напрями науково-технічної політики в розвинених країнах. Так, у США діє програма "Національна нанотехнологічна ініціатива" (у 2001 р. її бюджет був 485 млн дол, що можна порівняти з річним бюджетом всієї Російської академії наук). Євросоюз нещодавно прийняв шосту рамкову програму розвитку науки, в якій нанотехнології займають чільні позиції. Мінпромнауки РФ і РАН також мають переліки пріоритетних, проривних технологій з приставкою "нано-". За оцінками фахівців у галузі стратегічного планування, що склалася зараз ситуація багато в чому аналогічна тій, що передувала тотальної комп'ютерної революції, однак наслідки нанотехнологічної революції будуть ще більші і глибше. Та, власне, вона вже почалася і вибухово захоплює все нові і нові області. У журналі "Природа" були опубліковані статті, присвячені окремим напрямкам нанонауки; тепер постараємося кинути погляд на неї як на єдине ціле.
Заглиблюючись в наноджунглі
Отже, що ж зараз розуміють під нанотехнологіями? Сама десяткова приставка "нано-" походить від грецького слова "nanos", що перекладається як "карлик" і означає одну мільярдну частину чого-небудь. Таким чином, чисто формально в сферу цієї діяльності потрапляють об'єкти з розмірами R (хоча б вздовж однієї координати), вимірюваними нанометрами. Реально діапазон аналізованих об'єктів набагато ширше - від окремих атомів (R <0.1 нм) до їх конгломератів і органічних молекул, що містять понад 109 атомів і мають розміри набагато більше 1 мкм в одному або двох вимірах. Принципово важливо, що вони складаються з рахункового числа атомів, і, отже, в них вже значною мірою проявляються дискретна атомно-молекулярна структура речовини та / або квантові закономірності його поведінки. Задовольняючи наше прагнення до мініатюризації, до зниження енергоємності і матеріаломісткості, такі системи мають ще одним козирем. З огляду на дії різних причин (як чисто геометричних, так і фізичних) разом із зменшенням розмірів падає і характерний час протікання різноманітних процесів у системі, тобто зростає її потенційне швидкодію. Поки в серійно вироблюваних комп'ютерах досягнуто швидкодію (час, що витрачається на одну елементарну операцію) близько 1 нс, і його можна зменшити на кілька порядків величини в ряді наноструктур. Але існуючі зараз масові технології виробництва практично досягли своїх теоретичних меж і потребують кардинального оновлення.
Наукові основи та об'єкти нанонауки і нанотехнології.
Нова парадигма в технології - "знизу вгору", що витісняє і доповнює стару - "зверху вниз" (тобто від великої заготовки - до готового виробу шляхом відсікання зайвого матеріалу), - базується на глибоких знаннях властивостей кожного атома з таблиці Менделєєва і використовує сили тяжіння між ними при нанометрових відстанях. У результаті дії цих сил можуть утворюватися атомні конфігурації, стабільність яких визначається типом і міцністю внутрішніх зв'язків, абсолютною температурою і характером оточення. Чим менше частка і нижче температура, тим сильніше виявляються її квантові якості. Властивості наночастинок сильно змінюються в порівнянні з макрочасток того ж речовини, як правило, вже при розмірах R c Ј 10-100 нм. Для різних характеристик (механічних, електричних, магнітних, хімічних) цей критичний розмір може бути різним, як і характер їх змін (монотонний-немонотонний) при R <R c. Зважаючи на різкій залежності властивостей речовини від числа однакових атомів в кластері її іноді алегорично називають навіть третьої координатою таблиці Менделєєва.
Серед причин розмірних ефектів в наномасштабних об'єктах є як цілком очевидні, так і заслуговують додаткових коментарів. Наприклад, ясно, що частка атомів a, що знаходяться в тонкому приповерхневому шарі (~ 1 нм), зростає зі зменшенням розміру частинки речовини R, оскільки a ~ S / V ~ R 2 / R 3 ~ 1 / R (тут S - поверхня частинки , V - її об'єм). Також загальновідомо, що поверхневі атоми мають властивості, що відрізняються від "об'ємних", оскільки вони пов'язані з сусідами по-іншому, ніж в об'ємі. У результаті на поверхні може статися атомна реконструкція і виникне інший порядок розташування атомів. Для атомів, що опинилися на краях моноатомних терас, уступів і западин на них, де координаційні числа значно нижче, ніж в обсязі, виникають зовсім особливі умови. Взаємодія електронів з вільною поверхнею породжує специфічні приповерхні стану (рівні Тамма). Все це разом узяте змушує розглядати приповерхневий шар як якесь новий стан речовини.
Зауважимо також, що поверхня служить стоком (причому майже нескінченної ємкості) для більшості дефектів кристалічної структури завдяки дії сил зображення * та інших причин.
* Сили зображення отримали свою назву за методом розрахунку електричних полів, який полягає в уявному приміщенні симетрично за межею поділу точно такого ж об'єкта, але протилежно зарядженого.
Сили зображення убувають по мірі віддалення від поверхні, але якщо розмір частинки досить малий, вони можуть "висмоктати" з обсягу на поверхню більшість дефектів і зробити його більш досконалим у структурному і хімічному відносинах.
Далі, згадаймо: розглядаючи будь-який процес переносу (протікання електричного струму, теплопровідність, пластичну деформацію і т.п.), ми приписуємо носіям деяку ефективну довжину вільного пробігу R f. При R>> R f розсіяння (або захоплення і загибель) носіїв відбувається в об'ємі і слабо залежить від геометрії об'єкту. При R <R f ситуація радикально змінюється і всі характеристики перенесення починають сильно залежати від розмірів зразка.
Приклади специфічної поведінки речовини на субмикронной масштабному рівні та основні причини специфіки нанооб'єктів.
Нарешті, якщо об'єкт має атомарний масштаб в одному, двох або трьох напрямках, його властивості можуть різко відрізнятися від об'ємних для того ж матеріалу через прояви в поведінці квантових закономірностей. Наприклад, коли хоча б один з розмірів об'єкта стає порівнянним з довжиною хвилі де Бройля для електронів, вздовж цього напрямку починається розмірне квантування.
Для аналізу властивостей нанооб'єктів використовують широкий спектр фізичних підходів і методів.
Що і як отримують
Всього за кілька останніх років створено сотні наноструктурованих продуктів конструкційного і функціонального призначення і реалізовані десятки способів їх отримання і серійного виробництва. Можна виділити кілька основних областей їх застосування: високоміцні нанокристалічні і аморфні матеріали, тонкоплівкові і Гетероструктурні компоненти мікроелектроніки та оптотронікі наступного покоління, магнитомягкие і магнітотверді матеріали, нанопористих матеріали для хімічної і нафтохімічної промисловості (каталізатори, адсорбенти, молекулярні фільтри та сепаратори), інтегровані мікроелектромеханічні пристрої , негорючі нанокомпозити на полімерній основі, паливні елементи, електричні акумулятори та інші перетворювачі енергії, біосумісні тканини для трансплантації, лікарські препарати.
Теоретичні основи технологій різного масштабно-часового рівня.
Найбільш великотоннажним (після будівельних) є виробництво високоміцних конструкційних матеріалів, головним чином металів і сплавів. Потреба в них і матеріаломісткість виробів з них залежать від механічних властивостей: пружності, пластичності, міцності, в'язкості руйнування й ін Відомо, що міцність матеріалів визначається хімічним складом і реальною атомарної структурою (тобто наявністю певної кристалічної решітки - або її відсутністю - і всім спектром її недосконалостей). Високих показників міцності можна домагатися двома прямо протилежними способами: знижуючи концентрацію дефектів структури (в межі наближаючись до ідеального монокристаллическом стану) або, навпаки, збільшуючи її аж до створення дрібнодисперсного нанокристалічною або аморфного стану. Обидва шляхи широко використовують у сучасному фізичному матеріалознавстві і виробництві.
Схематична залежність міцності від щільності атомарних дефектів в матеріалі.
G - модуль зсуву.
Розроблено склади та технології нанесення надтвердих покриттів товщиною близько 1 мкм, поступаються по твердості тільки алмазу. При цьому різко збільшується зносостійкість ріжучого інструменту, жаростійкість, корозійна стійкість виробу, зробленого з порівняно дешевого матеріалу. За плівкової технології можна створювати не тільки суцільні або острівцевих покриття, але і щетиноподібними, з упорядкованим розташуванням нановорсінок однакової товщини і висоти. Вони можуть працювати як сенсори, елементи екранів високого дозволу і в інших додатках.
Здатність вуглецю утворювати ланцюжки-С-С-С-використовується Природою для створення біополімерів, а людиною - синтетичних полімерів і різноманітних пластмас. У 1985 р. Х. Крото з співробітниками виявили в парах графіту, отриманих його випаровуванням під лазерним пучком, кластери (або багатоатомні молекули) вуглецю. Найбільш стабільними з них виявилися З 60 і С 70. Як з'ясувалося в результаті структурного аналізу, перший з них мав форму футбольного, а другий - регбійного м'яча. Пізніше їх стали називати фулеренами на честь американського архітектора Р. Фуллера, що отримав в 1954 р. патент на будівельні конструкції у вигляді багатогранних сфероїд для перекриття великих приміщень. Кулясті (або динеобразние) молекули мають незвичайну симетрію та унікальні властивості. Всі ковалентні зв'язки в них насичені, і між собою вони можуть взаємодіяти тільки завдяки слабким ван дер Ваальсових силам. При цьому останніх вистачає, щоб побудувати з сферичних молекул кристалічні структури (фуллерита). До кожної такої молекулі можна «прищепити» інші атоми і молекули, можна помістити чужорідний атом у центральну порожнину фуллереновой молекули, як в суперміцний контейнер, або полимеризовать їх, розкривши внутрішні зв'язку, і т.д.
Згодом навчилися вирощувати одношарові і багатошарові вуглецеві нанотрубки. Вкрай важливо, що властивостями нанотрубок вдається керувати, змінюючи їх хіральність - скрученості решітки щодо поздовжньої осі. При цьому легко можна отримати дріт нанометрового діаметра як з металевим типом провідності, так і із забороненою зоною заданої ширини. Поєднання двох таких нанотрубок утворює діод, а трубка, що лежить на поверхні окисленої кремнієвої пластинки, - канал польового транзистора. Такі наноелектронних пристрої вже створені і показали свою працездатність. Нанотрубки з регульованим внутрішнім діаметром служать основою ідеальних молекулярних сит високої селективності і газопроникності, контейнерів для зберігання газоподібного палива, каталізаторів. Крім того,
нанотрубки можуть використовуватися як сенсори, атомарно гострі голки, елементи екранів дисплеїв надвисокої роздільної здатності.
Основні методи створення тонкоплівкових структур можна розбити на два великі класи, які базуються на фізичному (в першу чергу, молекулярно-променевої епітаксії) та хімічному осадженні. При малій товщині (до декількох атомних шарів) двовимірна рухливість загрожених на підкладку атомів може бути дуже високою. В результаті швидкої дифузії по поверхні відбувається самозбирання нанооб'єктів, які мають яскраво вираженими квантовими властивостями: утворюються квантові точки, квантові ями, квантові дроту, кільця і ін Якщо систему квантових точок покрити шаром інертного матеріалу, а потім знову напилити активний матеріал, то знову утворюються острівці , самоупорядочівающіеся на поверхні і навіть скорельована з положенням їх попередників. Повторюючи такі процедури безліч разів, можна отримати об'ємно впорядковані структури (квазірешеткі) з квантових ям або точок, звані гетероструктурами, і зробити на їх основі лазерні джерела світла, фотоприймачі (у тому числі інфрачервоного випромінювання в області довжин хвиль 8-14 мкм, що відповідає максимуму теплового випромінювання людського тіла), накопичувачі інформації. Вся сучасна мікроелектроніка базується на планарних напівпровідникових технологіях, які дають можливість створювати найрізноманітніші багатошарові тонкоплівкові структури з функціями сенсорів, логічної і арифметичній обробки сигналу, його зберігання і передачі по електронним або оптичних лініях зв'язку.
Наноелектроніка наступних поколінь
Будь-які досягнення в нанонауки спочатку розглядаються під кутом їх приложимости до інформаційних технологій. Можна виділити кілька великих напрямів атаки на цій ділянці фронту:
- Вже згадувані різні пристрої на вуглецевих нанотрубках;
- Одноелектроніка, спінтроніка і джозефсонівських електроніка, в тому числі квантові комп'ютери;
- Молекулярна електроніка, зокрема, з використанням фрагментів ДНК;
- Скануючі зондові методи.
Незважаючи на наростаючий рівень труднощів, протягом трьох останніх десятиліть підтримується незмінний і дуже високий темп зростання всіх істотних характеристик у мікроелектроніці. Найбільш революційні досягнення наближаються до квантовим меж, покладеним самою Природою - коли працює один електрон, один спін, квант магнітного потоку, енергії і т.д. Це обіцяє швидкодію порядку ТГц (~ 10 12 операцій в секунду), щільність запису інформації ~ 10 Березня Тбіт / см 2, що на багато порядків вище, ніж досягнуті сьогодні, а енергоспоживання - на кілька порядків нижче. При такій щільності запису в жорсткому диску розмірами з наручні годинники можна було б розмістити величезну бібліотеку національного масштабу або фотографії, відбитки пальців, медичні картки та біографії абсолютно всіх (!) Жителів Землі. Дійсно, з принципової точки зору для оперування в двійковій системі числення необхідні елементи, які здатні реалізовувати два стійких (стабільних в часі і не руйнуються термічними флуктуаціями) стану, відповідні "0" і "1", і допускати швидке перемикання між ними. Такі функції може виконувати електрон у дворівневій системі (наприклад, в двоатомних молекулі - перейти з одного атома на інший). Це реалізувало б заповітну мрію - одноелектронні пристрій. На жаль, поки кращі сучасні електронні засоби неекономно "витрачають" сотні, тисячі електронів на одну операцію. Інша можливість - переорієнтувати спін електрона з одного стійкого стану в інше (наприклад, впливаючи магнітним полем), чим і займається спінтроніка.
Динаміка розвитку мікроелектроніки в попередні 30 років та прогноз на наступне десятиріччя на прикладі зростання параметрів великих інтегральних схем оперативної пам'яті для персональних комп'ютерів.
Магнітні квантові ефекти задіяні також у роботі надпровідних елементів, які включають джозефсоновский перехід. Останні являють собою дві надпровідні плівки, розділені тонким шаром (~ 1 нм) діелектрика. Один або кілька джозефсонівських контактів включаються в звичайну електричну ланцюг. Електрони в надпровіднику поводяться скорреліровани, в результаті чого струм і створений ним магнітний потік квантуються: у кільці з двох джозефсонівських контактів, включених паралельно, може укладатися тільки ціле число довжин електронних хвиль, а всередині такого кільця може існувати не будь-який магнітний потік, а тільки кратний цілому числу квантів магнітного потоку. Це забезпечує автоматичний перехід від аналогового способу подання інформації до дискретного.
Елементи швидкої одноквантових логіки, в яких одиницею інформації служить квант магнітного потоку, дозволяють обробляти сигнали з частотами вище 100 ГГц при вкрай низькому рівні дисипації енергії. Особливо приємно те, що така структура є одночасно і логічним елементом, і осередком пам'яті. Оскільки обсяг даних, переданих в Інтернеті, подвоюється кожні три-чотири місяці, в найближчій перспективі навіть кращі з розробляються зараз напівпровідникових приладів не зможуть пропускати такі великі потоки. Тривимірні структури, які з складених у стопу джозефсонівських електронних схем, бачаться зараз як єдина альтернатива планарним напівпровідниковим мікросхем.
Наноструктурованих джозефсонівських електроніка як не можна краще підходить як фізичне середовище для конструювання квантових комп'ютерів. На основі двовимірних сіток джозефсонівських контактів може бути також створений новий тип комп'ютерної пам'яті, що будується не на базі традиційної логіки, а використовує асоціативну, розподілену по всій структурі пам'ять, подібно нейронних мереж живих організмів. Така система буде здатна розпізнавати образи, приймати оперативні рішення в багатофакторних ситуаціях (наприклад, в економіці, оборонних завданнях, космічних дослідженнях) в реальному часі без механічного перебору всіх можливих варіантів. Мабуть, кріогенна електроніка не буде конкурувати з традиційною напівпровідникової у всіх існуючих зараз областях застосування. Її завдання - забезпечити основу для нових поколінь суперкомп'ютерів і високопродуктивних опорних телекомунікаційних систем, створення яких було б комерційно виправдано, незважаючи на витрати, зумовлені необхідністю глибокого охолодження.
У фізичних лабораторіях вже розроблено безліч джозефсонівських елементів і пристроїв для застосування в якості не тільки логічних елементів і елементів пам'яті, пристроїв квантового кодування і передачі даних, але і генераторів і приймачів міліметрових і субміліметрових випромінювань, а також високочутливих датчиків магнітного поля, електричного заряду, напруги , струму, теплового потоку і т.д. Подібні датчики при реєстрації малих сигналів мають чутливість поблизу фундаментального квантового межі, тобто в тисячі, десятки тисяч разів вище, ніж у традиційних напівпровідникових пристроїв. Це дозволяє використовувати їх у безконтактної медичної діагностики (магнітокардіографії, магнітоенцефалографії). На порядку денному - створення магнітної томографії, що дозволяє по картині магнітного поля стежити за функціонуванням органів, внутрішньоутробним розвитком плоду в реальному масштабі часу.
Як реальна альтернатива "кремнієвої" електроніці в недалекому майбутньому багатьма фахівцями розглядається молекулярна електроніка. Тому є кілька причин. Природа створила за мільйони років еволюції найрізноманітніші молекули, що виконують всі необхідні для складного організму функції: сенсорні, логічно-аналітичні, що запам'ятовують, рухові. Навіщо розробляти і виробляти штучні структури з окремих атомів при наявності готових будівельних "блоків"? Тим більше, що вони мають оптимальну конфігурацію, структуру і нанометрові розміри. В даний час існуючих фундаментальних знань і нанотехнологій достатньо лише для демонстрації принципових можливостей створення практично всіх структур, необхідних для інформаційних технологій і мікроробототехнікі. Однак немає сумнівів, що в найближчому майбутньому вони будуть відігравати важливу роль у багатьох додатках. Молекулярна електроніка входить складовою частиною в більш велику галузь - нанобіотехнології, що займається біооб'єктами і біопроцеси на молекулярному і клітинному рівні і тримає ключі до вирішення багатьох проблем екології, медицини, охорони здоров'я, сільського господарства, національної оборони і безпеки.
Очі і пальці нанотехнології
Поява наноструктур зажадало нових методів і засобів, що дозволяють вивчати їхні властивості. З моменту винаходу Г. Біннінгом і Г. Рорер першого варіанту скануючого тунельного мікроскопа зондового в 1982 р. пройшло всього 20 років, але за цей час з дотепною іграшки він перетворився на один з найпотужніших інструментів нанотехнології. Зараз відомі десятки різних варіантів зондової скануючої мікроскопії (SPM - scanning probe microscopy).
Як видно з назви, спільне у цих методів - наявність зонда (найчастіше це добре загострена голка з радіусом при вершині ~ 10 нм) і скануючого механізму, здатного переміщати його над поверхнею зразка в трьох вимірах. Грубе позиціонування здійснюють трьохкоординатний моторизованими столами. Тонке сканування реалізують за допомогою трикоординатних пьезоактюаторов, що дозволяють переміщати голку або зразок з точністю в долі ангстрема на десятки мікрометрів по х і y і на одиниці мікрометрів - по z. Усі відомі в даний час методи SPM можна умовно розбити на три основні групи:
- Скануюча тунельна мікроскопія; в ній між електропровідним вістрям і зразком докладено невелика напруга (~ 0.01-10 В) і реєструється тунельний струм в зазорі, що залежить від властивостей і розташування атомів на досліджуваній поверхні зразка;
- Атомно-силова мікроскопія; в ній реєструють зміни сили тяжіння голки до поверхні від точки до точки. Голка розташована на кінці консольної балочки (кантилевер), що має відому жорсткість і здатної згинатися під дією невеликих ван-дер-ваальсових сил, які виникають між досліджуваною поверхнею і кінчиком вістря. Деформацію кантилевер реєструють по відхиленню лазерного променя, що падає на його тильну поверхню, або з допомогою п'єзорезистивного ефекту, що виникає в самому кантилевер при згині;
- Бліжнепольная оптична мікроскопія; в ній зондом служить оптичний хвилевід (световолокна), що звужується на тому кінці, який звернений до зразка, до діаметра менше довжини хвилі світла. Світлова хвиля при цьому не виходить з хвилеводу на велику відстань, а лише злегка "вивалюється" з його кінчика. На іншому кінці хвилеводу встановлені лазер і приймач відбитого від вільного торця світла. При малій відстані між досліджуваною поверхнею і кінчиком зонда амплітуда і фаза відбитої світлової хвилі змінюються, що і служить сигналом, що використовуються при побудові тривимірного зображення поверхні.
У кращих модифікаціях тунельної та атомно-силової мікроскопії вдається забезпечити атомне дозвіл, за яке пучкова електронна мікроскопія боролася понад півстоліття і нині сягає її у вкрай рідкісних випадках. Розміри і вартість зондової мікроскопії значно нижче, ніж у традиційних електронних, а можливостей навіть більше: вони можуть працювати при кімнатній, підвищеної і кріогенної температурі, на повітрі, у вакуумі та в рідині, в умовах дії сильних магнітних і електричних полів, СВЧ - і оптичного опромінення і т.п. Зондовий методами можна досліджувати найрізноманітніші матеріали: провідні, діелектричні, біологічні та інші - без трудомісткої підготовки зразків. Вони можуть використовуватися для локального визначення атомних конфігурацій, магнітних, електричних, теплових, хімічних та інших властивостей поверхні. Особливо цікаві спроби зареєструвати спін-залежні явища, що визначають величину тунельного струму в залежності від поляризації одного-єдиного електрона в атомі на досліджуваній поверхні. Це прямий шлях до вирішення завдань одноелектронікі і спінтроніки.
Дуже важливо, що крім дослідних функцій скануюча тунельна мікроскопія може виконувати ще й активні - забезпечувати захоплення окремих атомів, перенесення їх в нову позицію, атомарну збірку провідників шириною в один атом, локальні хімічні реакції, маніпулювання окремими молекулами.
Типова схема здійснення скануючих зондовий методів дослідження і модифікації поверхні в нанотехнології (а) і три основних типи приладів: б - тунельний мікроскоп, в - атомно-силовий мікроскоп і г - бліжнепольний оптичний мікроскоп.
Зазвичай використовують два основних способи маніпуляції атомами за допомогою голки - горизонтальний і вертикальний. Процес вертикальної маніпуляції відрізняється від горизонтальної тим, що після захоплення потрібний атом відривають від поверхні, піднімаючи зонд на декілька ангстрем. Це, зрозуміло, вимагає б о льшіх зусиль, ніж "перекочування" атома по поверхні, але зате потім процес переносу не залежить від зустрічаються на ній перешкод (ступенів, ям, адсорбованих атомів). Процес відриву атома від поверхні контролюють за стрибка струму. Після переміщення в необхідне місце його "скидають", наближаючи вістря до поверхні і перемикаючи напруга на голці. По суті це поки лише демонстрація можливості досягнення теоретичної межі в оперуванні речовиною при конструюванні корисних людині пристроїв. Здійснення атомних маніпуляцій у масовому масштабі, придатному для виробництва, потребує подолання багатьох складнощів: необхідності кріогенних температур і надвисокого вакууму, низької продуктивності і надійності і т.д.
Набагато більших успіхів зондові методи досягли в нанолітографії - "малюванні" на поверхні різних наноструктур з характерними розмірами в десятки нм. Найближче до практичних додатків підійшли процеси трьох типів: хімічного окислення поверхні, індукованого рухомим вістрям; осадження з вістря наноостровков металу на поверхню за рахунок стрибка напруги; контрольованого наноіндентування і наноцарапанія. Мінімальні розміри елементів, створюваних цими способами, становлять близько 10 нм, що дозволяє в принципі здійснювати дуже щільну запис, але продуктивність і надійність залишають бажати багато кращого. Діапазон від 1 до 10 нм поки не освоєний для літографії навіть у лабораторних умовах.
Розвиток зондовий методів у напрямку силового нанотестінга поверхні дає можливість досліджувати механічні властивості тонких приповерхневих шарів у нанооб'емах, атомні механізми наноконтактной деформації при сухому терті, абразивному зносі, механічному сплавці та ін.
Удосконалення зондів для скануючої мікроскопії викликало до життя потік публікацій про розробку та застосування мініатюрних механічних, хімічних, теплових, оптичних та інших сенсорів для різних завдань.
Кантільовери, що створювалися спочатку для потреб атомно-силової мікроскопії, демонструють високу чутливість не тільки до прикладеним силам, а й до хімічних реакцій на поверхні, магнітному полю, тепла, світла. Масиви кантилевер з кремнію, одержувані добре розробленими в напівпровідниковій промисловості технологіями і містять кілька десятків (а іноді й сотень) окремих датчиків, дозволяють реалізувати на одному чіпі функції "електронного носа" або "електронного мови" для хімічного аналізу газів і рідин, повітря, продуктів харчування. Так, розроблений сенсор, який представляє собою кантилевер з "пришитою" хімічно біомолекул на кінчику вістря. Ця молекула (наприклад, антитіло або ензим) може селективно вступати в хімічну взаємодію тільки з обраними речовинами, які можуть перебувати у багатокомпонентному розчині. Захоплення певної молекули з розчину і зв'язування її на кінчику вістря призводить до зміни резонансної частоти кантилевер на відому величину, що розцінюється як доказ присутності детектіруемих молекул в пробі. Легко зрозуміти, що чутливість і вибірковість таких сенсорів дозволяє виявляти і реєструвати окремі молекули в розчині!
Відзначилася зондовая техніка і серед претендентів, які обіцяють підвищити щільність запису інформації. Зокрема, компанія IBM фінансує проект "Millipede" (від лат. - Багатоніжками), очолюваний одним з нобелівських лауреатів 1986 Біннінгом. Спочатку в якості прототипу використовували модифікований атомно-силовий мікроскоп, який наносив на поверхню пластику відбитки шляхом наноіндентування. Проте для цього потрібен дуже жорсткий і масивний кантилевер, що робить процес запису і зчитування малопродуктивним. У проекті для збільшення продуктивності пропонується використовувати одночасно кілька тисяч кантилевер, зібраних в матрицю (дослідний зразок має 1024 вістря, розміщених на площі 3ґ3 мм 2). Кожен кантилевер має довжину 70 мкм, ширину 10 мкм і товщину 0.5 мкм. На його вільному кінці сформовано вістрі висотою 1.7 мкм і радіусом у вершині менше 20 нм. Для зменшення вимагаються при наноіндентування зусиль, зниження маси кантилевер і збільшення стійкості вістря останнє нагрівають короткими імпульсами струму до 300-400 ° С, що локально розм'якшує пластикову плівку, на яку записується інформація. В процесі доведення - матриця 64ґ64 вістря на площі близько 7 мм 2. Вона має загальну продуктивність кілька сотень Мбайт / с як при записі, так і при зчитуванні.
Біннінг з оптимізмом заявляє, що за кілька років група сподівається подолати терабітних бар'єр (мається на увазі ~ Тбайт / дюйм 2) і наблизитися до атомної щільності запису (~ 103 Тбайт / см 2), що в принципі досяжно методами атомно-силової мікроскопії. Зауважимо, що крім IBM та інші компанії ("Hewlett-Packard", "Hitachi", "Philips", "Nanochip") ведуть інтенсивні розробки пристроїв з надвисокою щільністю запису. Так що зараз важко сказати, які з цих продуктів чекає комерційний успіх. Але інтуїції нобелівських лауреатів, мабуть, варто довіряти, як це роблять такі гіганти, як IBM.
Отже, зондові методи стали універсальним засобом дослідження, атомарного дизайну, проведення хімічних реакцій між двома обраними атомами (молекулами), запису і зберігання інформації з гранично можливим у природі дозволом ~ 10 -10 м (для атомарних структур), а також подальшого її зчитування.
Що попереду?
Подальший розвиток нанотехнології передбачає перехід від окремих елементів і їх зборок до інтегрування сенсорної, логічно-аналітичної, рухової і виконавчої функції в одному пристрої. Перший крок у цьому напрямку - створення мікро-нано-електромеханічних систем (MEMS / NEМS). І наноострія, і наноконсоллю, і просто нанопровідники можуть бути дуже чутливими і селективними сенсорами, розташованими на одному чіпі з електронікою. До них можна додати нанонасоси, і в результаті вийде аналітична хімічна лабораторія, що розміщує на пластині площею ~ 1 см 2. Існують вже аналізатори бойових отруйних речовин, біологічної зброї, штучний ніс і штучна мова для атестації харчових продуктів (вин, сирів, фруктів, овочів).
Міністерство оборони США, наприклад, фінансує програму створення "Smart dust" - розумною пилу, тобто великого сімейства мікророботів, розміром в порошинку, які зможуть, розсипавшись над територією противника, проникати в усі щілини, канали зв'язку, створювати свою мережу, збирати і передавати оперативну інформацію, проводити спецоперації і т.д.
Є й більш гуманістичні проекти: створити спеціальні мікророботи-"лікаря", які будуть поєднувати функції діагноста, терапевта і хірурга, переміщаючись по кровоносній, лімфатичної або іншій системі людини. Вже виготовлені зразки таких роботів, що мають всі функціональні вузли й розміри близько 1 мм, і існує реальна перспектива зменшення їх розмірів до мікронного і субмікронного рівня.
Ключові технології і матеріали завжди відігравали велику роль в історії цивілізації, виконуючи не тільки вузько виробничі функції, але й соціальні. Досить згадати, як сильно відрізнялися кам'яний та бронзовий століття, століття пари і століття електрики, атомної енергії та комп'ютерів. На думку багатьох експертів, XXI ст. буде століттям нанонауки і нанотехнологій, які і визначать його обличчя. Вплив нанотехнологій на життя обіцяє мати загальний характер, змінити економіку і торкнутися всі сторони побуту, роботи, соціальних відносин. За допомогою нанотехнологій ми зможемо економити час, отримувати більше благ за меншу ціну, постійно підвищувати рівень і якість життя.
Література
1. Нанотехнології в найближчому десятилітті / Под ред. М. К. Роко, Р. С. Вільямса, П. Алівісатоса. М., 2002.
2. Головін Ю. І. Введення в нанотехнологію. М., 2003.
3. Drexler EK, Peterson CH, Pergamit G. Unbounding the future: The nanotechnology revolution. NY, 1993.
4. Regis E., Chimsky M. Nano: The emerging science of nanotechnology. 1996.
5. Дьячков П. Н. Вуглецеві нанотрубки. Матеріали для комп'ютерів XXI століття / / Природа. 2000. № 11. С.23-30.
6. Валієв К.А., Кокін А. А. Від кванта до квантових комп'ютерів / / Природа. 2002. № 12. С.28-36.
7. Ковальчук М.В., Клечковского В.В., Фейгін Л. А. Молекулярний конструктор Ленгмюра-Блоджетт / / Природа. 2003. № 11. С.11-19.
8. Владимиров Ю.А. Про користь білкової кристалографії / / Природа. 2003. № 11. С.26-34.
9. Головін Ю.І., Тюрін А.І. / / Природа. 2003. № 4. С.60-68.
10. Андрієвський Р.А. / / Перспективні матеріали. 2001. № 6. С.24-35.
11. Трефілов В.І., Щур Д.В., Тарасов Б.П. та ін Фулерени - основа матеріалів майбутнього. Київ, 2001.
12. Осіпьян Ю.А., Кведер В.В. / / Матеріалознавство. 1997. Т.1. № 1. С.3-9; № 2. С.5-11.
13. Алфьоров Ж.І. / / Фізика і техніка напівпровідників. 1998. Т.32. № 3. С.3-18.
14. Мінкін В.І. / / Ріс. хім. журн. 2000. Т.44. № 6. С.3-13.
15. Дєдков Г.В. / / УФН. 2000. Т.170. № 6. С.585-618.
16. Golovin Yu.I., Tyurin AI, Farber BY / / J. Mater. Sci. 2002. V.37. P.895-904.
17. Golovin Yu.I., Ivolgin VI, Korenkov VV et al. / / Phil. Mag. A. 2002. V.82. № 10. P.2173-2177.
18. Vettiger P., Cross G., Despont M. et al. / / IEEE Transactions on Nanotechnology. March 2002. V.1. № 1. P.39-55.
19. Social Implications of Nanoscience and Nanotechnology / Eds MCRoco and WSBainbridge. Dordrecht, 2001.
У фізичних лабораторіях вже розроблено безліч джозефсонівських елементів і пристроїв для застосування в якості не тільки логічних елементів і елементів пам'яті, пристроїв квантового кодування і передачі даних, але і генераторів і приймачів міліметрових і субміліметрових випромінювань, а також високочутливих датчиків магнітного поля, електричного заряду, напруги , струму, теплового потоку і т.д. Подібні датчики при реєстрації малих сигналів мають чутливість поблизу фундаментального квантового межі, тобто в тисячі, десятки тисяч разів вище, ніж у традиційних напівпровідникових пристроїв. Це дозволяє використовувати їх у безконтактної медичної діагностики (магнітокардіографії, магнітоенцефалографії). На порядку денному - створення магнітної томографії, що дозволяє по картині магнітного поля стежити за функціонуванням органів, внутрішньоутробним розвитком плоду в реальному масштабі часу.
Як реальна альтернатива "кремнієвої" електроніці в недалекому майбутньому багатьма фахівцями розглядається молекулярна електроніка. Тому є кілька причин. Природа створила за мільйони років еволюції найрізноманітніші молекули, що виконують всі необхідні для складного організму функції: сенсорні, логічно-аналітичні, що запам'ятовують, рухові. Навіщо розробляти і виробляти штучні структури з окремих атомів при наявності готових будівельних "блоків"? Тим більше, що вони мають оптимальну конфігурацію, структуру і нанометрові розміри. В даний час існуючих фундаментальних знань і нанотехнологій достатньо лише для демонстрації принципових можливостей створення практично всіх структур, необхідних для інформаційних технологій і мікроробототехнікі. Однак немає сумнівів, що в найближчому майбутньому вони будуть відігравати важливу роль у багатьох додатках. Молекулярна електроніка входить складовою частиною в більш велику галузь - нанобіотехнології, що займається біооб'єктами і біопроцеси на молекулярному і клітинному рівні і тримає ключі до вирішення багатьох проблем екології, медицини, охорони здоров'я, сільського господарства, національної оборони і безпеки.
Очі і пальці нанотехнології
Поява наноструктур зажадало нових методів і засобів, що дозволяють вивчати їхні властивості. З моменту винаходу Г. Біннінгом і Г. Рорер першого варіанту скануючого тунельного мікроскопа зондового в 1982 р. пройшло всього 20 років, але за цей час з дотепною іграшки він перетворився на один з найпотужніших інструментів нанотехнології. Зараз відомі десятки різних варіантів зондової скануючої мікроскопії (SPM - scanning probe microscopy).
Як видно з назви, спільне у цих методів - наявність зонда (найчастіше це добре загострена голка з радіусом при вершині ~ 10 нм) і скануючого механізму, здатного переміщати його над поверхнею зразка в трьох вимірах. Грубе позиціонування здійснюють трьохкоординатний моторизованими столами. Тонке сканування реалізують за допомогою трикоординатних пьезоактюаторов, що дозволяють переміщати голку або зразок з точністю в долі ангстрема на десятки мікрометрів по х і y і на одиниці мікрометрів - по z. Усі відомі в даний час методи SPM можна умовно розбити на три основні групи:
- Скануюча тунельна мікроскопія; в ній між електропровідним вістрям і зразком докладено невелика напруга (~ 0.01-10 В) і реєструється тунельний струм в зазорі, що залежить від властивостей і розташування атомів на досліджуваній поверхні зразка;
- Атомно-силова мікроскопія; в ній реєструють зміни сили тяжіння голки до поверхні від точки до точки. Голка розташована на кінці консольної балочки (кантилевер), що має відому жорсткість і здатної згинатися під дією невеликих ван-дер-ваальсових сил, які виникають між досліджуваною поверхнею і кінчиком вістря. Деформацію кантилевер реєструють по відхиленню лазерного променя, що падає на його тильну поверхню, або з допомогою п'єзорезистивного ефекту, що виникає в самому кантилевер при згині;
- Бліжнепольная оптична мікроскопія; в ній зондом служить оптичний хвилевід (световолокна), що звужується на тому кінці, який звернений до зразка, до діаметра менше довжини хвилі світла. Світлова хвиля при цьому не виходить з хвилеводу на велику відстань, а лише злегка "вивалюється" з його кінчика. На іншому кінці хвилеводу встановлені лазер і приймач відбитого від вільного торця світла. При малій відстані між досліджуваною поверхнею і кінчиком зонда амплітуда і фаза відбитої світлової хвилі змінюються, що і служить сигналом, що використовуються при побудові тривимірного зображення поверхні.
У кращих модифікаціях тунельної та атомно-силової мікроскопії вдається забезпечити атомне дозвіл, за яке пучкова електронна мікроскопія боролася понад півстоліття і нині сягає її у вкрай рідкісних випадках. Розміри і вартість зондової мікроскопії значно нижче, ніж у традиційних електронних, а можливостей навіть більше: вони можуть працювати при кімнатній, підвищеної і кріогенної температурі, на повітрі, у вакуумі та в рідині, в умовах дії сильних магнітних і електричних полів, СВЧ - і оптичного опромінення і т.п. Зондовий методами можна досліджувати найрізноманітніші матеріали: провідні, діелектричні, біологічні та інші - без трудомісткої підготовки зразків. Вони можуть використовуватися для локального визначення атомних конфігурацій, магнітних, електричних, теплових, хімічних та інших властивостей поверхні. Особливо цікаві спроби зареєструвати спін-залежні явища, що визначають величину тунельного струму в залежності від поляризації одного-єдиного електрона в атомі на досліджуваній поверхні. Це прямий шлях до вирішення завдань одноелектронікі і спінтроніки.
Дуже важливо, що крім дослідних функцій скануюча тунельна мікроскопія може виконувати ще й активні - забезпечувати захоплення окремих атомів, перенесення їх в нову позицію, атомарну збірку провідників шириною в один атом, локальні хімічні реакції, маніпулювання окремими молекулами.
Типова схема здійснення скануючих зондовий методів дослідження і модифікації поверхні в нанотехнології (а) і три основних типи приладів: б - тунельний мікроскоп, в - атомно-силовий мікроскоп і г - бліжнепольний оптичний мікроскоп.
Зазвичай використовують два основних способи маніпуляції атомами за допомогою голки - горизонтальний і вертикальний. Процес вертикальної маніпуляції відрізняється від горизонтальної тим, що після захоплення потрібний атом відривають від поверхні, піднімаючи зонд на декілька ангстрем. Це, зрозуміло, вимагає б о льшіх зусиль, ніж "перекочування" атома по поверхні, але зате потім процес переносу не залежить від зустрічаються на ній перешкод (ступенів, ям, адсорбованих атомів). Процес відриву атома від поверхні контролюють за стрибка струму. Після переміщення в необхідне місце його "скидають", наближаючи вістря до поверхні і перемикаючи напруга на голці. По суті це поки лише демонстрація можливості досягнення теоретичної межі в оперуванні речовиною при конструюванні корисних людині пристроїв. Здійснення атомних маніпуляцій у масовому масштабі, придатному для виробництва, потребує подолання багатьох складнощів: необхідності кріогенних температур і надвисокого вакууму, низької продуктивності і надійності і т.д.
Набагато більших успіхів зондові методи досягли в нанолітографії - "малюванні" на поверхні різних наноструктур з характерними розмірами в десятки нм. Найближче до практичних додатків підійшли процеси трьох типів: хімічного окислення поверхні, індукованого рухомим вістрям; осадження з вістря наноостровков металу на поверхню за рахунок стрибка напруги; контрольованого наноіндентування і наноцарапанія. Мінімальні розміри елементів, створюваних цими способами, становлять близько 10 нм, що дозволяє в принципі здійснювати дуже щільну запис, але продуктивність і надійність залишають бажати багато кращого. Діапазон від 1 до 10 нм поки не освоєний для літографії навіть у лабораторних умовах.
Розвиток зондовий методів у напрямку силового нанотестінга поверхні дає можливість досліджувати механічні властивості тонких приповерхневих шарів у нанооб'емах, атомні механізми наноконтактной деформації при сухому терті, абразивному зносі, механічному сплавці та ін.
Удосконалення зондів для скануючої мікроскопії викликало до життя потік публікацій про розробку та застосування мініатюрних механічних, хімічних, теплових, оптичних та інших сенсорів для різних завдань.
Кантільовери, що створювалися спочатку для потреб атомно-силової мікроскопії, демонструють високу чутливість не тільки до прикладеним силам, а й до хімічних реакцій на поверхні, магнітному полю, тепла, світла. Масиви кантилевер з кремнію, одержувані добре розробленими в напівпровідниковій промисловості технологіями і містять кілька десятків (а іноді й сотень) окремих датчиків, дозволяють реалізувати на одному чіпі функції "електронного носа" або "електронного мови" для хімічного аналізу газів і рідин, повітря, продуктів харчування. Так, розроблений сенсор, який представляє собою кантилевер з "пришитою" хімічно біомолекул на кінчику вістря. Ця молекула (наприклад, антитіло або ензим) може селективно вступати в хімічну взаємодію тільки з обраними речовинами, які можуть перебувати у багатокомпонентному розчині. Захоплення певної молекули з розчину і зв'язування її на кінчику вістря призводить до зміни резонансної частоти кантилевер на відому величину, що розцінюється як доказ присутності детектіруемих молекул в пробі. Легко зрозуміти, що чутливість і вибірковість таких сенсорів дозволяє виявляти і реєструвати окремі молекули в розчині!
Відзначилася зондовая техніка і серед претендентів, які обіцяють підвищити щільність запису інформації. Зокрема, компанія IBM фінансує проект "Millipede" (від лат. - Багатоніжками), очолюваний одним з нобелівських лауреатів 1986 Біннінгом. Спочатку в якості прототипу використовували модифікований атомно-силовий мікроскоп, який наносив на поверхню пластику відбитки шляхом наноіндентування. Проте для цього потрібен дуже жорсткий і масивний кантилевер, що робить процес запису і зчитування малопродуктивним. У проекті для збільшення продуктивності пропонується використовувати одночасно кілька тисяч кантилевер, зібраних в матрицю (дослідний зразок має 1024 вістря, розміщених на площі 3ґ3 мм 2). Кожен кантилевер має довжину 70 мкм, ширину 10 мкм і товщину 0.5 мкм. На його вільному кінці сформовано вістрі висотою 1.7 мкм і радіусом у вершині менше 20 нм. Для зменшення вимагаються при наноіндентування зусиль, зниження маси кантилевер і збільшення стійкості вістря останнє нагрівають короткими імпульсами струму до 300-400 ° С, що локально розм'якшує пластикову плівку, на яку записується інформація. В процесі доведення - матриця 64ґ64 вістря на площі близько 7 мм 2. Вона має загальну продуктивність кілька сотень Мбайт / с як при записі, так і при зчитуванні.
Біннінг з оптимізмом заявляє, що за кілька років група сподівається подолати терабітних бар'єр (мається на увазі ~ Тбайт / дюйм 2) і наблизитися до атомної щільності запису (~ 103 Тбайт / см 2), що в принципі досяжно методами атомно-силової мікроскопії. Зауважимо, що крім IBM та інші компанії ("Hewlett-Packard", "Hitachi", "Philips", "Nanochip") ведуть інтенсивні розробки пристроїв з надвисокою щільністю запису. Так що зараз важко сказати, які з цих продуктів чекає комерційний успіх. Але інтуїції нобелівських лауреатів, мабуть, варто довіряти, як це роблять такі гіганти, як IBM.
Отже, зондові методи стали універсальним засобом дослідження, атомарного дизайну, проведення хімічних реакцій між двома обраними атомами (молекулами), запису і зберігання інформації з гранично можливим у природі дозволом ~ 10 -10 м (для атомарних структур), а також подальшого її зчитування.
Що попереду?
Подальший розвиток нанотехнології передбачає перехід від окремих елементів і їх зборок до інтегрування сенсорної, логічно-аналітичної, рухової і виконавчої функції в одному пристрої. Перший крок у цьому напрямку - створення мікро-нано-електромеханічних систем (MEMS / NEМS). І наноострія, і наноконсоллю, і просто нанопровідники можуть бути дуже чутливими і селективними сенсорами, розташованими на одному чіпі з електронікою. До них можна додати нанонасоси, і в результаті вийде аналітична хімічна лабораторія, що розміщує на пластині площею ~ 1 см 2. Існують вже аналізатори бойових отруйних речовин, біологічної зброї, штучний ніс і штучна мова для атестації харчових продуктів (вин, сирів, фруктів, овочів).
Міністерство оборони США, наприклад, фінансує програму створення "Smart dust" - розумною пилу, тобто великого сімейства мікророботів, розміром в порошинку, які зможуть, розсипавшись над територією противника, проникати в усі щілини, канали зв'язку, створювати свою мережу, збирати і передавати оперативну інформацію, проводити спецоперації і т.д.
Є й більш гуманістичні проекти: створити спеціальні мікророботи-"лікаря", які будуть поєднувати функції діагноста, терапевта і хірурга, переміщаючись по кровоносній, лімфатичної або іншій системі людини. Вже виготовлені зразки таких роботів, що мають всі функціональні вузли й розміри близько 1 мм, і існує реальна перспектива зменшення їх розмірів до мікронного і субмікронного рівня.
Ключові технології і матеріали завжди відігравали велику роль в історії цивілізації, виконуючи не тільки вузько виробничі функції, але й соціальні. Досить згадати, як сильно відрізнялися кам'яний та бронзовий століття, століття пари і століття електрики, атомної енергії та комп'ютерів. На думку багатьох експертів, XXI ст. буде століттям нанонауки і нанотехнологій, які і визначать його обличчя. Вплив нанотехнологій на життя обіцяє мати загальний характер, змінити економіку і торкнутися всі сторони побуту, роботи, соціальних відносин. За допомогою нанотехнологій ми зможемо економити час, отримувати більше благ за меншу ціну, постійно підвищувати рівень і якість життя.
Література
1. Нанотехнології в найближчому десятилітті / Под ред. М. К. Роко, Р. С. Вільямса, П. Алівісатоса. М., 2002.
2. Головін Ю. І. Введення в нанотехнологію. М., 2003.
3. Drexler EK, Peterson CH, Pergamit G. Unbounding the future: The nanotechnology revolution. NY, 1993.
4. Regis E., Chimsky M. Nano: The emerging science of nanotechnology. 1996.
5. Дьячков П. Н. Вуглецеві нанотрубки. Матеріали для комп'ютерів XXI століття / / Природа. 2000. № 11. С.23-30.
6. Валієв К.А., Кокін А. А. Від кванта до квантових комп'ютерів / / Природа. 2002. № 12. С.28-36.
7. Ковальчук М.В., Клечковского В.В., Фейгін Л. А. Молекулярний конструктор Ленгмюра-Блоджетт / / Природа. 2003. № 11. С.11-19.
8. Владимиров Ю.А. Про користь білкової кристалографії / / Природа. 2003. № 11. С.26-34.
9. Головін Ю.І., Тюрін А.І. / / Природа. 2003. № 4. С.60-68.
10. Андрієвський Р.А. / / Перспективні матеріали. 2001. № 6. С.24-35.
11. Трефілов В.І., Щур Д.В., Тарасов Б.П. та ін Фулерени - основа матеріалів майбутнього. Київ, 2001.
12. Осіпьян Ю.А., Кведер В.В. / / Матеріалознавство. 1997. Т.1. № 1. С.3-9; № 2. С.5-11.
13. Алфьоров Ж.І. / / Фізика і техніка напівпровідників. 1998. Т.32. № 3. С.3-18.
14. Мінкін В.І. / / Ріс. хім. журн. 2000. Т.44. № 6. С.3-13.
15. Дєдков Г.В. / / УФН. 2000. Т.170. № 6. С.585-618.
16. Golovin Yu.I., Tyurin AI, Farber BY / / J. Mater. Sci. 2002. V.37. P.895-904.
17. Golovin Yu.I., Ivolgin VI, Korenkov VV et al. / / Phil. Mag. A. 2002. V.82. № 10. P.2173-2177.
18. Vettiger P., Cross G., Despont M. et al. / / IEEE Transactions on Nanotechnology. March 2002. V.1. № 1. P.39-55.
19. Social Implications of Nanoscience and Nanotechnology / Eds MCRoco and WSBainbridge. Dordrecht, 2001.