nano_book[1]

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

ли их еще уменьшить, то можно достичь частоты в 1 гигагерц. Этот частотный предел использует современная электроника.

Расскажем, как происходит формирование серебряного мостика. Весь секрет состоит в составе нанопроводников шин. Один проводник состоит из сульфида серебра, покрытого тон ким слоем чистого серебра. Второй – из платины, тоже покры той чистым серебром. При возникновении между шинами по ложительной разности потенциалов атомы серебра “собирают ся” в мостик длиной 1 нанометр, а при изменении знака нап ряжения мостик разрушается и атомы возвращаются в прежнее состояние.

Преимущество нового ключа состоит в том, что благодаря конструкции устройства емкость памяти на его основе будет больше той, которая существует сейчас. Если же использовать каждый ключ в качестве элемента памяти, то емкость одного слоя составит 2.5 гигабит на квадратный сантиметр, в то время как самые “сверхплотные” чипы памяти характеризуются ем костью в 1 гигабит на квадратный сантиметр.

То, что новое устройство работает по законам квантовой физики, позволяет создавать на его основе многобитную па мять. Как известно, в квантовой физике различные энергети ческие состояния квантуются, принимая определенные диск ретные состояния. Поэтому один (!) ключ может представлять 16 состояний, или 4 бита, так утверждает Хасегава.

Исследователи смогли сконструировать логические ячейки И, ИЛИ и ИЛИ НЕ на основе нового ключа. Все логические устройства показали хорошие рабочие характеристики. Теперь ученые разрабатывают методы серийного производства матри цы квантовых ключей.

Компания HP объявила стратегию наноэлектроники, осно ванную на подобных молекулярных ключах. Эта стратегия при ведет к массовому производству многослойной наноэлектро ники. Руководство компании объявило, что хочет сделать про изводство нанокомпьютеров главным направлением бизнеса компании.

Наиболее революционные достижения наноэлектроники приближаются к квантовым пределам, установленным самой природой. Основу таких устройств составляет, например, рабо та одного электрона, имеющего два дискретных спиновых сос

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

тояния. Но этой основе можно было бы построить квантовый компьютер, ведь для оперирования в двоичной системе исчис ления достаточно реализовать элементы, способные иметь два устойчивых, стабильных во времени состояния, условно соот ветствующих логическим “0” и “1”, и допускать достаточно быстрые переключения между ними. Такие функции может вы полнять электрон в двухуровневой системе (например, в двуха томной молекуле – переход с одного атома на другой). Другая возможность – переориентировать спин электрона из одного устойчивого состояния в другое с помощью, например, воздей ствия на него электромагнитного поля (этими исследованиями занимается научное направление спинтроника).

Магнитным спином обладают не только электроны, но и некоторые другие элементарные частицы, а также ядра атомов.

В наше время спинтроника изучает магнитные и магнито оптические взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику и когерентные свойства спинов в конденсированных средах, а также квантовые магнитные явления в структурах на нометрового размера.

Рис 125. Возможные направления ориентация спинов

Вобычной твердотельной микроэлектронике информация представляется с помощью электрического заряда. Состояние магнитного момента при этом не задано — собственные момен ты частиц ориентированы хаотично (рис. 135а).

Спинтроника же использует дополнительную возможность представления информации с помощью магнитного момента квантовых частиц (рис. 135б). Одно из явлений спинтроники, названное гигантским магнитным сопротивлением (GMR), в конце 1990 х было использовано в магнитных головках жестких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла в сто раз!

Вбудущем развитие спинтроники сулит производство компьютеров с быстродействием порядка 1 ТГц (1012 операций в секунду), плотность записи информации порядка 103 Тбит/см2 , что на много порядков выше, чем сегодня. При такой плотнос

214

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

ти записи на диске размером с наручные часы можно было бы разместить базу данных, включающую фотографии, отпечатки пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех жи телей Земли!

Третье перспективное направление развития нанотехники, отмеченное еще Эриком Дрекслером, – переход, как это ни ка жется парадоксальным, от электронных устройств к механичес ким компьютерам.

Обычный механический компьютер с элементами макрос копического масштаба, разумеется, очень громоздок и работает чрезвычайно медленно. Однако с компонентами размером в несколько атомов такой механический компьютер оказался бы в миллиарды раз компактней современной микроэлектроники. И хотя механические сигналы передаются в 100 тыс. раз мед леннее, им нужно было бы “преодолевать” путь в 1 млн. раз меньший, чем электронам в современных микросхемах. Поэто му простой механический нанокомпьютер был бы более быст родействующим.

Прототип такого устройства уже существует. Компанией IBM создана удивительная “многоножка”, которая стала пер вым квантовым коммерческим устройством хранения данных.

Устройство состоит из записывающей матрицы манипуля торов и среды хранения информации. Конструктор устройства, Марк Ланц рассказывает, что устройство состоит из матрицы, включающей в себя 4096 “ножек”, выполненных как устройства чтения/записи (подобные “ножки” кантилеверы используются сейчас в электронных и атомно силовывх микроскопах).

“Многоножка” не простой жесткий диск, где головки не прикасаются к магнитной пове рхности, она представляет собой “чистую” цифровую технологию.

Принцип ее работы можно срав нить с работой старых проигры вателей граммпластинок, в кото рых считывающая вибрирующая игла скользила по борозде, несу щей информацию, только у “мно

гоножки” есть ряд кантилеверов, которые скользят по поверх

* Перепечатано с http://domino.research.ibm.com

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ности хранения данных, на которой есть углубления, кодирую щие „1” и „0”.

Таким образом, отклоне ния кантилеверов от равновес ного положения переводятся в набор „0” и „1”.

Ведутся исследования и в области биоэлектроники. В от личие от обычных, биологи ческие компьютеры могут вы полнять одновременно не одну, а много программ. Израильс кие ученые создали компьютер,

состоящий из одних только ДНК и энзимов, способный парал лельно выпол нять 1 млрд. программ без вмешательства опера тора для обработки результатов. Применять такой компьютер планируют для одновременного биохимического анализа мно жества веществ и для шифрования больших изображений.

Проекты наномоторов

Дальнейшее развитие нанотехнологий и НЭМС невозмож но без эффективных наноразмерных двигателей. Сегодня раз работано и продолжает разрабатываться огромное количество различных проектов нанодвигателей, которые также называют наноактюаторами. Рассмотрим некоторые из них.

Вращательный наноактюатор на основе АТФазы

АТФаза – это природный фермент, который можно найти практически в лю бом организме. Ферменты служат для расщепления белков, жиров, углеродов. АТФаза состоит из двух отдельных частей:

лиз АТФ. В процессе синтеза/гидролиза субъединицы при гидролизе АТФ АТФ происходит вращение центральной субъединицы. Хотя еще не до конца известна природа этого вращения, но по сути это готовый биологический наномотор!

* Перепечатано с http://domino.research.ibm.com

216

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Электростатические наноактюаторы

Исследователи из США создали модель вращательного наноактюатора, исполь зую щего лазер как источник энергии.

Наномотор состоит из двух концентри ческих графитовых цилиндров (наподобие двух нанотрубок, одна из которых расположе на внутри другой): ротора и статора. При этом

к ротору диаметрально противоположно при Рис 129. Наномотор, соединены два электрических заряда. Движе приводимый в движение

светом

ние произво дится благодаря переменному из лучению двух лазеров.

Наноактюатор на основе молекулы ДНК

Этот актюатор изготовлен из молекулы ДНК, к одному концу которой прикреплена светоизлучающая органическая молекула, а к другому – светопоглощающая. Когда цепь ДНК выпрямляется, излучающая и поглощающая молекулы разделя ются и система излучает свет, и наоборот. Исследователи пыта ются использовать в качестве нанодвигателей молекулы актина и кинезина – основные двигательные молекулы живых орга низмов. Следующая стадия – модель саркомера (единицы мы шечной структуры).

Проект диэлектрофорезного наномотора

Здесь используется притягивание или отталкивание частиц от электродов в сильном неоднородном электростатическом поле. В Калифорнийском университете были проведены экспе рименты по перемещению нанотрубок и молекул ДНК посред ством диэлектрофореза в водных растворах. Электроды были сделаны из нанотрубок. Промежуток между электродами сос тавлял 10 нм, подаваемое напряжение – 1 В. На концах элект родов образовалось сильное неоднородное электростатическое поле, притягивающее частицы. Нанотрубки электроды образу ют статор, наночастицы в центре – ротор. Если подавать на электроды переменное напряжение, наночастица будет вра щаться, причем ее положение напрямую зависит от величины напряжения, подводимого к электродам.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Рис 130. Диэлектрофорезный наномотор

Наномотор на эффекте поверхностного натяжения

Физики из США построили первый наноэлектромехани ческий актюатор, который использует эффекты поверхностно го натяжения. Он состоит из двух капель жидкого металла на поверхности углеродных нанотрубок и приводится в движение слабым электромагнитным полем. Алекс Зеттл считает, что но вый наномотор послужит приводным устройством для различ ных НЭМС.

Поверхностное натяжение играет большую роль в нанораз мерном диапазоне. Уже в микронных масштабах оно играет до минирующую роль, по сравению с другими силами. Вот почему, например, некоторые насекомые могут ходить по поверхности воды. Слабое электромагнитное поле может изменять поверх ностное натяжение капель жидкости, и это применяется в та ких устройствах, как струйные принтеры. Но до сих пор эту си лу не рассматривали в качестве движущей.

Актюатор состоит из “большой” капли жидкого индия ди аметром 90 нм и “маленькой” диаметром 30 нм. Электричес кий ток, протекающий по нанотрубке, вызывает миграцию отдельных атомов капель вдоль нанотрубки от капли I к капле II (направление показано малень кой стрелкой). Радиус маленькой капли II увеличивается быстрее, чем уменьша ется радиус капли I. Процесс длится до тех пор, пока капли не соприкасаются друг с другом. Силы поверхностного на

Рис 131. Наномотор на основе тяжения заставляют капли поменяться

поверхностного натяжения

местами, используя созданный касанием

218

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

гидродинамический канал. Затем цикл повторяется. Частота пе ремещения капель зависит от величины постоянного напряже ния, приложенного к нанотрубке.

В работающем наномоторе цикл обмена каплями протека ет за 200 пикосекунд при напряжении в 1.3 В.

Наномотор на основе нанотрубок и золотых электродов

В университете Беркли (Калифорния) сконструирован действующий электростатический наномотор размером в 500 нм. Ротор мотора изготовлен из золота и зак реплен на многослойной нанотрубке.

Две нанотрубки, вставленные мень шая в большую, образуют подшип

ник. Толщина ротора – 5 10 нм. Два

Рис 132. Наномотор на основе

заряженных статора, также изготов золотых электродов и нанотрубок ленных из золота, расположены на кремниевой поверхности. Примерная скорость вращения такого наномотора около 30 оборотов в секунду.

Ротор на основе нанотрубки

Корейский университет плани рует в течение 7 лет создать насос и актюатор на основе вложенных на нотрубок. При вращении одной на нотрубки внутри другой сила тре ния ничтожно мала, а трение на по верхности нанотрубки в газовом по токе велико. Используя разницу в

силах трения, можно заставить вращаться внешнюю нано трубку, воздействуя на нее газом. Если внутренний слой мно гослойной нанотрубки провернуть, она воз вращается в преж нее положение благодаря электростатике. При этом она дви жется маятникообразно с частотой несколько МГц, что позво лит сделать насос, нагнетающий в другую нанотрубку газ, зас тавляя ее вращаться.

Туннельный электростатический наномотор Дрекслера

Этот проект описан в книге Дрекслера “Наносистемы”. Мотор состоит из двух электродов статора: положительного и

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

отрицательного, и диэлектрического ротора, в который вклю чен ряд нанопроводников электродов.

Электроды статора имеют две различные поверхности: с высокой и низкой работой выхода электродов. При подаче нап ряжения на электроды статора нанопроводники ротора заряжа ются через туннельные промежутки, причем неодинаково из за разной работы выхода электронов с поверхностей. Взаимодей ствие неоднородного распределенного по ротору заряда с электрическим полем статора вызывает вращение наномотора.

Рис 144 Туннельный электростатическийо наномотор

Для мотора диаметром 25 нм Дрекслер рассчитал следую щие характеристики: напряжение питания 10В, ток статора 110 нА, скорость ротора 1000 м/с. При этом наномотор потреблял бы мощность около 1,1мВт. Плотность мощности составляла бы величину, больше чем 1015 Вт/м3, что сравнимо с плот ностью мощности макроскопических электромоторов.

В заключение этой главы отметим, что сегодня темпы роста мировых продаж изделий MEMS ежегодно удваиваются, что ста вит эту отрасль в один ряд с так называемыми “критическими” технологиями, определяющими уровень развития экономики.

Итак, повторим еще раз!

Стремительный прогресс науки и техники во второй половине ХХ века во многом объясняется созданием и совер шенствованием полупроводниковых транзисторов основы современной электроники.

220

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

В зависимости от способности пропускать ток все веще ства делятся на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Характерной чертой полупроводников является их за висимость от внешних воздействий. Целенаправленно меняя температуру полупроводникового кристалла или внося в него примеси, можно эффективно управлять его физическими свойствами, в том числе и электропроводностью.

Электропроводность полупроводников бывает двух ти

пов:

Собственная – возникает при нагревании вещества. Тепло вое движение разрывает межатомные связи, образуя "дырки", которые вызывают движение электронов, стремящихся запол нить разорванные связи. Ток идет пока дырки и электроны не рекомбинируют. Собственный полупроводник имеет равные концентрации электронов и дырок (n=p).

Примесная – объясняется наличием в полупроводнике примесей с лишними (донорные), или недостающими (акцеп торные) электронами. Полупроводник с донорной примесью относится к n*типу (n>p), а с акцепторной к p*типу (n<p).

Полупроводниковые приборы основаны на электрон но дырочных переходах. P*n переход – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. На p n переходах построены диоды и транзисторы.

Микропроцессор состоит из миллионов транзисторов, оперирующих электрическими импульсами, символизирую щими нулями и единицы. Cоединяя несколько транзисторов, можно получить все базовые логические схемы, необходимые для работы микропроцессора: "И", "ИЛИ", "НЕ" и другие.

Интегральная микросхема (ИС) – это система микрос копических устройств (диодов, транзисторов, проводников и т.п.) на одной подложке. Другое популярное название микрос хемы микрочип..

Микросхемы представляют собой плоские пластины, поэтому технология их создания называется планарной. Ее ос нову составляет литография способ формирования заданно го рисунка (рельефа) в слое полупроводника.

Процесс изготовления микросхем включает несколько технологических этапов: очистка, оксидирование, литография, травление, диффузия, осаждение и металлизация.

Долгое время основными материалами микроэлектро ники считались кремний, служащий основой для создания ИС, и медь, используемая в качестве токопроводящих дорожек

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

и контактов. Однако в последнее время все большую популяр ность завоевывают так называемые проводящие полимеры, отк рытые в конце ХХ века. Благодаря дешевизне производства та кие полимеры находят все больше применений в электронике.

Чем больше транзисторов можно поместить на единице площади, тем выше быстродействие компьютера. Поэтому для дальнейшего развития микропроцессорной техники неизбе жен переход к наноэлектронике, МЭМС, и НЭМС.

МЭМС (микроэлектромеханические систеы) представ ляют собой трехмерные микрообъекты и микромашины: мото ры, насосы, турбины, микророботы, микродатчики или целые аналитические микролаборатории, выполненные на единой кремниевой подложке. Размеры таких устройств могут быть меньше спичечной головки.

МЭМС находят большую область приложений. В част ности, на их основе создаются такие уникальные устройства, как "электронный нос", "электронный язык", "умная пыль", "видеоочки" и множество других.

Дальнейшее развитие нанотехнологий, МЭМС и НЭМС устройств невозможно без эффективных наноразмер ных двигателей. В настоящее время разрабатываться большое количество как молекулярных, так и механических различных проектов наномоторов (наноактюаторов).

222