Современное состояние и перспективы развития нанотехнологий

№>52006

П.Г. Пронкин, О.Н. Сорокина

Современное состояние и перспективы развития нанотехнологий

Молекулярная электроника является относительно молодой отраслью науки и технологий. Наноэлектроника основывается на достижениях физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводниковой электроники. Исследования в области наноэлектроники важны для разработки революционных принципов и технологий направленных на создание новых поколений систем обработки информации, имеющих миниатюрные размеры и значительно более высокое быстродействие. Создание полупроводникового транзистора (1947 год, У. Браттейн, Дж. Бардин, У. Шокли) а затем интегральных микросхем на кремнии (1958-1959 годы), дало старт новому направлению в электронике — микроэлектронике, основным направлением развития которого является уменьшение размеров приборных структур. В современных интегральных микросхемах они составляют единицы и десятые доли микрона (1 мкм = 10-6 м). Дальнейшая миниатюризация должна привести к созданию электронных устройств, представляющих собой образования из единиц и десятков атомов, имеющих размеры близкие к молекулярным. Однако по мере продвижения в нано-метровую область (1 нм = 0,001 мкм = 10-9 м) все больше проявляются квантовые свойства электрона, тогда как современная электроника базируется на классической механике. Кроме физических аспектов проблемы, следует также учитывать, что стоимость выпуска компонентов электронных устройств возрастает быстрее, чем спрос на них, вследствие чего необходимы более дешевые методы производства.

Впервые идею возможности применения технологических приемов и средств для создания и модификации материальных нано-

объектов высказал нобелевский лауреат Ричард Фейнман в 1959 году. В своей знаменитой лекции посвященной проблемам контроля и управления строением вещества в интервале очень малых размеров («There is plenty of space on the bottom») он отмечал: «Ни один физический или химический закон не мешает нам менять взаимное положение атомов». Сам же термин «нанотехнология» был предложен в 1974 году японским ученым Норио Танигучи. Он предложил назвать нанотехнологией методы и средства создания и преобразования объектов, размером менее одного микрона, а также дал краткое определение нанотехнологии, как междисциплинарной, образующей технологии, позволяющей «технологично» (воспроизводимо, по описанным процедурам)производить исследования, манипуляцию и обработку вещества в диапазоне размеров и с допусками 0,1/100 нм.

Первые средства для исследований, манипулирования и обработки нанообъектов были изобретены в 1982 году Гердом Бинни-гом и Генрихом Рорером (IBM). Коллективом исследователей был создан растровый туннельный микроскоп, а в 1986 году — атомный силовой микроскоп, который позволяет рассматривать атомы не только металлов [1]. В 1989 году американец Дон Эйг-лер смог поменять положение атомов ксенона на поверхности монокристалла никеля, таким образом, что перемещенные атомы образовали надпись «IBM» [3].

Второй важнейшей вехой процесса развития нанотехнологий стало открытие в 1985 году новой формы существования углерода в природе — фуллеренов [4]. Фул-лерен представляет собой молекулу углерода в форме полого шара, атомы углерода в которой расположены в углах 5- и 6-угольников, образуя форму мяча. Это открытие

Современное состояние и перспективы развития нанотехнологий

Nb5 2006

оказалось настолько важным, что группе ученых (H. Kroto, J. Health, S. O’Brien, R. Curl, R. Smalley) в 1996 году была присуждена Нобелевская премия.

В настоящее время в области изучения и дизайна наноразмерных объектов достигнуты важные результаты. Исследования наноструктур постепенно выходят за фундаментальные рамки, возможная польза от таких работ вызывает большой интерес различных государств и крупных коммерческих компаний.

В 2000 году по решению правительства США работы в области нанотехнологий получили высший приоритет, а федеральное правительство признало нанотехнологию делом национальной безопасности. По прогнозам, общий объем федерального финансирования программ наноисследований в 2006-2008 годах составит 3,8 млрд долл. Наиболее приоритетными признаны следующие направления работ:

• создание запоминающих устройств,

• создание материалов и изделий методом сборки из атомов,

• увеличение быстродействия компьютеров,

• улучшение очистки воды и воздуха,

• создание эффективных солнечных батарей.

В Европе и Японии программам исследований наноструктур также присвоены высокие приоритеты. Программы работ в области нанотехнологий имеют статус государственных даже в сравнительно небольших странах (Голландия, Финляндия), всего работы ведутся более чем по 40 государственным и международным (НАТО) программам. В Японии программа работ в области нанотехнологий получила высший приоритет, финансирование проекта осуществляет государство и более 60 частных фирм.

Уже сегодня существует целый ряд коммерчески пригодных разработок, основывающихся на элементах нанотехнологий. IBM недавно представила новую технологию хранения информации, с помощью которой можно будет добиться примерно в 20 раз большей

плотности записи, чем у самого совершенного на сегодня магнитного носителя [5].

В лаборатории Hewlett-Packard (HP) был разработан 64-битный чип энергонезависимой памяти, в котором роль ячеек памяти играют отдельные молекулы. Этот чип умещается на площади 1 мк2. Кроме того, HP удалось совместить запоминающие и управляющие элементы в одном молекулярном устройстве. Самое интересное заключается в том, что у компании HP уже разработана опытная методика производства нанолито-графической печати, позволяющей делать копии чипов на пластинах.

Группа ученых из Гарвардского университета недавно продемонстрировала лазер с электрической накачкой на основе нанопроволоки. В отличие от полупроводниковых с электрической накачкой, новый лазер состоит из единого длинного кристалла сульфида кадмия диаметром 80-200 нм. Подобные структуры называют нанопроволоками (nanowire). Лазерное излучение генерируется в том случае, когда ток, текущий через нанопроволоку, превышает 200 мкА. Хотя механизм генерации излучения недостаточно выяснен, новый лазер может найти свое применение в оптоэлектронике [7].

В Калифорнийском университете в Сан-Диего создан первый транзистор, состоящий целиком из углеродных нанотрубок. Он представляет собой нанотрубку Y-образной формы, которая ведет себя подобно привычному транзистору: потенциал, приложенный к одной из «ножек», позволяет управлять прохождением тока между двумя другими. При этом вольт-амперная характеристика «нанотрубочного транзистора» практически идеальна: ток или течет, или нет.

Новый транзистор целиком состоит только из нанотрубок, что значительно упрощает и производство нанотрубочных транзисторов, и создание на их основе сложных электронных устройств. Более того, управляя каталитическим процессом, можно создавать транзисторы из нанотрубок с заданными заранее свойствами, например, напряжением переключения. В настоящее время ученые

№>52006

работают над расширением «алфавита» транзисторов из нанотрубок, в частности, они пытаются создать Т- и Х-образные на-нотрубочные транзисторы, которые смогут решать различные задачи в микроэлектронных устройствах недалекого будущего [8].

Однако для того чтобы оправдать большие капиталовложения в технологии массового промышленного производства квантовых наноэлектронных компонентов, квантовая наноэлектроника должна как минимум на два порядка превосходить в эффективной производительности кремниевые интегральные микросхемы, выполненные по КМОП-технологии уровня 100 нм в 2005 году и 50 нм после 2010 года [9].

В России принята Концепция развития работ в области нанотехнологий на период до 2010 года. Федеральное агентство по промышленности выделило наноиндустрию в качестве одного из приоритетных направлений работы. На базе исследовательских институтов реализуются программы «Физика наноструктур» (Ж.И. Алферов) и «Перспективные технологии и устройства в микро-и наноэлектронике» (К. А. Валиев).

Получены очень важные результаты, которые могут повлиять на развитие и миниатюризацию коммуникационных систем. Группой ученых из Института физики микроструктур Российской академии наук и Нижегородского государственного университета под руководством З.Ф. Красильника получены диодные структуры на основе слоев кремния, селективно легированных эрбием (толщина легированных слоев Si:Er от двух до нескольких десятков нанометров). Диоды эффективно излучают свет в инфракрасном диапазоне (1,54 мкм). Именно эта длина волны оптимальна для волоконнооптических линий связи.

В заключение отметим, что разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе

как главным элементам информационных систем. Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (0 и 1) с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Ожидает практического разрешения и идея аналогичных однофотонных элементов. Широкое применение одноэлектронных и однофотонных элементов для создания информационных систем пока сдерживает недостаточная их изученность, а главное, необходимость обладания технологией: нанотехнологией, позволяющей конструировать требуемые структуры из отдельных атомов. Такие возможности существуют только в исследовательских лабораториях. Однако современные темпы развития электроники позволяют уверенно прогнозировать промышленное освоение нанотехнологий, а вместе с ней и наноэлектроники уже в начале XXI века.

Литература

1. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. // Appl. Phys. Lett., 1982. 40, 178.

2. Binnig G., Rohrer H., Gerber Ch., Weibel E. // Phys. Rev. Lett., 1982. 49, 57; 1983. 50, 120.

3. Eigler D.M., Schweizer E.K. //Nature. 1990. 344, 524.

4. Kroto H., Heath J, O’Brien S., Curl R., Smalley R. // Nature. 1985. 318, 162.

5. http://www.zurich.ibm.com/st/storage/concept. html.

6. Журнал «Открытые системы», #08, 2004; www.osp.ru.

7. Lieber C. // Science 299 531 (2003).

8. CNews.ru; http://spacer.rtc.ru/.

9. SIA 1997 National Technology Roadmap for Semiconductors.-Semiconductor Industry Assotiati-on. Third Draft, 1997. Roadmap, 1/22/97.

10. Ракитин В.В., Филиппов Е.И. Субмикрон-ные элементы на совмещенных МОП-транзисто-рах // Микроэлектроника. 1997. Т. 26. № 4.

11. БубенниковА. Н., Зыков А.В., Ракитин В. В. Численное моделирование и оптимизация вертикальных совмещенных МОП-структур УБИС // Известия вузов. Электроника. 1999. № 3.

П.Г. Пронкин, О.Н. Сорокина