Нанотоехнологии (наноустройства)

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АЛМАТИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ  ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

ФАКУЛЬТЕТ РАДИОТЕХНИКИ И  СВЯЗИ

 

 

Кафедра физики

 

 

 

 

 

Научная конференция

Доклад

По дисциплине: Физика

На тему: «Нанотехнологии»

 

 

Выполнили: ст.гр. РЭТ 12-08

Гречаник Н., Альмурашов А.

Руководитель: Карсыбаев М.Ш.

 

 

 

 

Алматы 2013

Нанотехнологии

Введение (наноустройства)

Нанотехнологии сегодня открывают двери в сказку. Они позволяют воплощать многие мечты. Но для этого надо эти мечты иметь. Приходится мыслить более широко и дерзко, чем это обычно принято в научном сообществе в периоды её медленного эволюционного развития. Те возможности, которые есть у исследователей в области нанонауки и наноинженерии, могут более никогда не представиться.

К примеру на сегодняшний день, американские ученые нашли способ применять углеродные нанотрубки (а точнее, транзисторы на их основе) в качестве инструмента для мониторинга белковых процессов.

А листы графена в комплексе с низкочастотным электромагнитным шумом, благодаря еще одной группе из США, стали основой новых газоанализаторов.

Многие исследовательские  группы обеспечили продвижение наноэлектроники, предложив новые более эффективные конструкции компонентнаноэлектронных схем. В частности, группа из Великобритании предложила новую конструкцию транзистора на основе графена, эффективность работы которого значительно повышена за счет наличия дополнительного слоя нитрида бора или дисульфида молибдена. Их коллеги из США создали графеновые транзисторы с максимальной на сегодняшний день плотностью тока. А ученые из Кореи нашли способ повысить эффективность работы органических светодиодов на основе графена. Они смогли повысить работу выхода графена за счет модификации его поверхности с помощью водно-дисперсных проводящих полимерных композиций. Группа из США предложила схему наноустройства на основе кремния (интегрированного прямо в кремниевую подложку), обеспечивающего генерацию лазерного импульса при комнатной температуре.

Еще одна группа американских ученых предложила способ формирования сложных систем проводов в микроустройствах, благодаря самоорганизующимся полимерам.

Естественно, список предложенных устройств не ограничивается приведенным  выше перечнем. В их перечень вошли  и искусственные мышцы, и металинзы для оптоэлектроники, и молекулярные двигатели, и многое другое. Более того, некоторые из разработанных методик готовы к коммерческому масштабированию. Иными словами,

графен и прочие наноструктуры активно входят в нашу жизнь, быстро преодолевая барьер между «наукой» и «коммерческим производством» и давая возможность теперь уже инженерам воспользоваться своими преимуществами, в частности, особенностями гибкой прозрачной электроники.

Их применение уже сегодня  настолько широко, что сложно уже  представить себе устройство, которое  не может быть таким образом «обновлено». В первой половине года появилось  сообщение даже о разработке нового типа аккумулятора на основе графена, получающего энергию из окружающего тепла. Правда, теория, выдвинутая учеными из Гонконга, требует дополнительного подтверждения.

Кстати, американцы предложили более простую идею элементов  питания, работающих за счет прямого  преобразования механической энергии  в химическую. Для применения в быту их идея требует лишь незначительных улучшения.

Основная часть

Существует два метода создания наноструктур. Один называется «сверху-вниз», а другой — «снизу-вверх». У вас есть массивный образец, и вы его обрабатываете так, что получается очень маленький объект. Откалываете, или еще каким-нибудь образом обрабатываете.

Второй способ — это сбор из отдельных атомов. То есть это снизу вверх. С самых элементарных кусочков собирать объекты. Существуют такие методы напыления атомными пучками — так называемая «молекулярно-лучевая эпитаксия». Ну, и существует еще большое количество разнообразных методов, которые всё время совершенствуются. И вот сейчас в области наномира используются оба способа — и сверху-вниз, и снизу вверх, и я хочу это продемонстрировать. В частности, это можно продемонстрировать на примере графена — структура, которая была получена только недавно. Графен — от греческого слова «писать». Все знают как пишет карандаш. Почему пишет карандаш? В карандаше есть графитовый стержень, а графит устроен следующим образом: графит структурно состоит из отдельных слоев, сами слои — толщиной в один атом, расстояние между этими слоями — порядка нескольких ангстрем, и связь между слоями слабая. А внутри слоя — очень сильная, это химические связи. Сам слой, один слой, его прочность — он прочнее стали раз в 5, кстати, а теплопроводность одного слоя примерно в 20 раз выше меди. Но когда вы пишете, поскольку слои друг с другом слабо связаны, вы счищаете отдельные чешуйки», вот почему пишет карандаш. Но никто не задумывался, никому не приходило в голову, можно ли счистить не большую чешуйку, макроскопическую, а один-единственный слой графита. И вот это было сделано. Это и есть способ сверху-вниз.

Как это было сделано? Брался графит и... всё ноу-хау не опубликовано, но, во всяком случае, специальной пластинкой счищали аккуратно плоскость, счищали аккуратно чешуйки, и среди этих чешуек попадались чешуйки двухслойные или однослойные. Сейчас идет большой бум в этой области, исследуются эти чешуйки, причем оказалось следующим образом: вот эта чешуечка — она размером бывает порядка несколько микрон (микрон — это 10^-4 см), а толщина, как упоминалось, — один атом, один атомный слой, то есть порядка 0,1 нанометра. Тем не менее к этой чешуйке смогли приварить золотые проволочки, и можно было померить проводимость этой чешуйки, все электронные свойства соответствующей чешуйки. Но интересно, с точки зрения приложения, следующее. Мы говорили об электронном слое, который управляется металлическим электродом в полевом транзисторе, так вот, роль соответствующей пленочки, по которой идет ток, может выполнять вот эта графеновая плоскость, то есть можно создать транзистор на графеновой плоскости. Такие патенты есть, и уже пытаются люди сделать соответствующие транзисторы. Но тогда это абсолютно малая толщина, это толщина в 1 атом, меньше уже быть не может. Правда, размер вот в этом направлении можно еще менять, так что это, возможно, было бы выдающееся нанотехнологическое достижение.

Эта система обладает удивительными  электронными свойствами. О ней можно сказать следующее: как известно, в твердом теле за счет периодичности электроны образуют зоны, и вот вся электроника основана на том, что эти зоны разные. В металле электроны заполняют верхнюю зону проводимости, и по этой причине возможно небольшое изменение энергии, и потому течет — скажем, в электрическом поле — потому течет электрический ток. А, например, в диэлектриках имеется щель и электроны находятся под щелью, по этой причине и заполняют всё, вплоть до края этой щели. Потому ток в диэлектриках не течет. Вся электроника основана на этом. Эффективная масса здесь в точности равна нулю. Щель в спектре в точности равна нулю, и свойства этой системы удивительны, так что они очень интересуют фундаментальную науку, здесь много очень интересных явлений возникает за счет вот этой необычной зонной структуры.

Помимо этого, существуют другие наноструктуры из углерода. И вот одна из этих наноструктур представляет из себя следующее: это просто свернутый лист графена. Причем возникает он не откалыванием графена и сворачиванием листа, а он возникает сам по себе в разряде. То есть второй способ... Первый способ — это приготовление сверху-вниз; то есть мы из массивного образца сделали наноструктуру. А здесь — снизу-вверх, то есть из газа, из разряда, в котором были атомы углерода, возникла спонтанно, путем самоорганизации, вот такая структура. То есть можно себе представить, как лист графена свернутый. Его типичный диаметр, вот таких трубок, порядка 1 нанометр, но возможны трубки многослойные. Отдельная стенка трубки, поскольку она состоит из графенового листа, прочность его такая же, как прочность графена, то есть прочность в 5 раз выше стали.

По этой причине вот нанотрубки можно было бы использовать, и сейчас это используется, в каких-нибудь защитных материалах, например для создания бронежилета. То есть используется сверхтвердость соответствующего материала. То есть нанотрубки, погруженные в какой-нибудь полимер. Но второе свойство — если имеется многостенная нанотрубка, то поскольку вот эти стенки взаимодействуют друг с другом слабо, то может одна трубка ходить внутри другой трубки, и таким образом возможно было бы сделать какой-то нанодвигатель, наноробот на основе вот такой многостенной трубки.

Вообще, свойства нанотрубок уникальны: у них есть высокая проводимость, сравнимая с металлической; упругие свойства, как я сказал, в 5 раз выше, чем у стали; теплопроводность в 20 раз выше, чем у меди, ну и возможно свободно двигать многостенные трубки одну трубку относительно другой.

 

И на этом основаны многочисленные применения. Ну, во-первых, использующие уникальные упругие свойства, а во-вторых, применение в наноэлектронике, например, поскольку нанотрубка имеет очень маленький диаметр, можно использовать это как эмиттер в экране, и это сейчас уже осуществлено фирмой «Самсунг». Возможно создание транзистора на основе углеродной нанотрубки, когда проводящим элементом является сама нанотрубка, то есть проводимость тока осуществляется вдоль нее и регулируется управляющим электродом, находящимся вблизи этой трубки. Сейчас создан наномотор на основе углеродной нанотрубки. Имеется нанотрубка, в ней есть пластиночка, которая заряжается, а здесь имеются управляющие электроды, по-разному заряженные, и если менять эти заряды, то соответствующая пластиночка начинает вращаться. Таким образом, можно сделать наномотор.

Создание наноструктур

Если говорить о способах создания наноструктур. Это большая проблема. Как вы помните, есть закон Мура. Значит, сейчас — 45 нанометров. Вот как сделать транзистор размером 45 нанометров или меньше? Для этого нужен какой-то шаблон, правильно? Потому что все транзисторы во всех устройствах, если вы делаете их массово, должны быть одни и те же. Но как сделать этот шаблон с очень маленьким размером, маленьким расстоянием. То есть нужна соответствующая технология. Обычно это делается с помощью оптической технологии, оптической литографии. А именно: засвечивается образец — там есть светочувствительный слой, — и там, где есть засветка, после этого наносится разрушающее слой химическое вещество. Там, где есть засветка, оно там разрушает, а там, где нет засветки — не разрушает. Вот это способ оптической литографии.Но нельзя локализовать свет меньше длины волны. Это так называемый «критерий Рэлея». Значит, оказывается, существует такое явление — дифракция. Оно основано на том, что если имеется отверстие некоторое, то свет, проходя через отверстие. Можно вязть в пример линзу. Через линзу свет проходит, он создает изображение точки, изображается не в точку, а в некий кружок размером порядка длины волны. Это связано с явлением дифракции, дифракции на отверстие.

Так вот, из-за этого явления, явления дифракции, невозможно создать  технологию, используя длину волны, скажем, видимого света, невозможно сделать  устройство с размером меньше, скажем, 40 нанометров. Потому что это противоречит основному критерию. Значит, нужно тогда работать с ультрафиолетом. А если мы хотим сделать размер 10 нанометров? Значит, нужно делать рентгеновские источники, или вакуумные... или, как говорят, близкие к рентгеновской области. Но это колоссальная проблема, потому что нужен источник, который бы был достаточно мощный для того, чтобы производить соответствующее действие, он должен работать в течение десятков тысяч часов и иметь размер... — он должен умещаться на столе. Иначе промышленности будет это невыгодно. Сейчас такие источники в области вакуумного ультрафиолета еще не созданы. И это — колоссальная проблема, в которую фирмы вкладывают миллиарды долларов. По этой причине, нужно двигаться несколькими путями. Создавать соответствующие источники со всё меньшей и меньшей длиной волны для того, чтобы оптическая литография работала и в области меньших длин волн, либо придумать что-то еще.

Заключение

Ну, и в заключение хотелось бы сказать о нескольких проблемах нанотехнологии. Ну, во-первых, это проблема изготовления различных чипов, различных масок для литографии. И в этой связи возникает ряд фундаментальных вопросов, связанных с ограничением Рэлея, то есть либо нужно создавать источники с очень короткой длиной волны, либо пойти каким-то другим путем. Во-вторых, возникает вопрос: вообще, будет ли переключение на новые методы, будем ли работать всё время с одним и тем же материалом, а сейчас материал для транзисторов — это кремний, потому что он самый дешевый, всё остальное слишком дорого для промышленности. Если мы дойдем до предела какого-то, то, возможно, нам помогут в электронике нанотрубки, — если при массовом производстве, они могут быть вполне уже дешевыми. Электроника, основанная на молекулах. Возникает очень важная проблема сверхплотной записи информации. То есть сейчас, в принципе, можно было бы записывать информацию не только на отдельных, скажем... можно было бы записать, например, информацию на отдельных кластерах магнитных, на одном кластере небольшом, один бит информации. Может быть, резко повысить плотность информации, записывая не побитово, а используя некие квантовые свойства — так называемый кубит.