Цивилизация
###1###За ближайшие 5-10 лет мировые технологии окончательно перейдут с микро (одна миллионная метра) на наноуровень (одна миллиардная метра). Наиболее заметным такой переход станет в бытовых электронных изделиях - телефонах, карманных компьютерах, видео и музыкальных устройствах.
Уже сейчас в меру навороченный мобильник по вычислительным возможностям своей начинки далеко превосходит самые мощные ЭВМ, выпущенные 25 лет назад.
В традиционных технологиях производства микросхем используется построение электронных элементов на основе хорошо изученных свойств особо чистых металлов, полупроводников, изоляторов - т.е. крупных кусков вещества, содержащих практически бесконечное число атомов. Впрочем, технологи-электронщики уже около 40 лет назад говорили о «технологии тонких пленок», подчеркивая этим отличия тонких слоев вещества толщиной в сотни и тысячи атомов от массивных изделий, имеющих тот же состав.
Уменьшение ширины тонкопленочных электронных деталей до 90 нм позволяет разместить более 100 млн условных транзисторов на квадратном сантиметре и обеспечить плотность ячеек памяти до 1 Гбит на квадратный сантиметр.
Но при ширине пленки в несколько десятков нанометров резко возрастает вклад границ в свойства всей детали. Это и естественные неровности краев, и размывание границ элементов, связанное с диффузией тщательно дозированных примесей. Чтобы наглядно представить себе «проблему краев», попробуйте вырезать из самой прочной ткани полоску шириной 2-4 мм. Вся прочность исчезнет на глазах, рассыпавшись на обрывки нитей.
В итоге фотолитографическая технология, в которой важнейшее значение имеет вытравливание (растворение) «лишнего» материала, становится при нанометровых размерах неэффективной.
Даже при идеальном «вырезании» нужных деталей взаимодействие поверхностных атомов, доля которых существенно возрастает, приводит к искажению начальных форм и расчетных свойств. Как упоминалось ранее, частицы металлов, состоящие из сотен и десятков атомов, теряют привычные металлические свойства, стремясь образовать завершенные кластеры (группы).
Следовательно, изделия наноразмеров нужно не «вырезать» из более крупных кусков вещества, а создавать из атомов в виде завершенных устойчивых структур. Именно так за много миллиардов лет до появления слова «нанотехнология» в природе стали строиться живые объекты. Хранящая наследственную информацию во всех организмах - от вируса до человека - молекула ДНК (дезоксирибонуклеиновой кислоты) имеет вид двойной спирали диаметром около 2 нм с шагом (длиной витка) около 3,4 нм. Структура ее строжайшим образом упорядочена и устойчива.
+++
###2###
По сравнению с невероятно сложными и изящными процессами, в которых участвует ДНК в процессе сохранения и копирования информации, потребности наноэлектроники кажутся примитивными - нужны «нанопровода», т.е. проводники электричества диаметром до 10 нм, желательно прочные и гибкие, не изменяющиеся со временем.
Оказалось, что такие нанопровода можно найти буквально в любой печной трубе. Это нанотрубки - открытая в 1991 году форма углерода, которая присутствует в саже и копоти. Нанотрубки можно рассматривать как разновидность другой каркасной структуры из чистого углерода - фуллеренов, открытых в 1985 году. Наиболее популярный из фуллеренов состава С60 выглядит, как футбольный мяч, сшитый из пяти- и шестиугольных фрагментов - и здесь природа опередила человека в создании оптимальных форм.
Углеродные нанотрубки имеют диаметр от 0,79 нм до 10-200 нм и длину до 130 микрон (130 тысяч нм). По сравнению с обычной медной проволокой сажа - слабый проводник. Но в наномире соотношения совсем другие. Уже показано, что многослойные нанотрубки диаметром менее 10 нм допускают токи с плотностью около миллиона ампер на квадратный сантиметр, что существенно выше, чем у любого металла. Предполагается, что к 2010 г. сделают силовой кабель из нанотрубок с уникальными электрическими характеристиками.
Для микроэлектроники наиболее важно то, что нанотрубки - очень прочные, гибкие и упругие проводники, которые могут, в зависимости от структуры стенок, быть подобными либо металлам, либо полупроводникам. К тому же электропроводность нанотрубок зависит от их деформации. Такие свойства позволяют создать простые по структуре нановыключатели, из которых можно делать устройства энергонезависимой памяти высокой плотности.
+++
###3###
Уже испытаны несколько типов переключателей на нанотрубках. В одном из них использованы взаимно наклоняющиеся друг к другу трубчатые электроды. В другом переключателе прогибающиеся под действием электрического поля нанотрубки могут касаться электрода, , создавая контакт. Ожидаемая плотность записи информации на «провисающих» трубках - 5 Гбит на квадратный сантиметр при рабочей частоте до 2 ГГц.
Еще более плотно упаковать информацию исследователи надеются при сочетании электрических свойств нанотрубок с возможностью наполнения их полости магнитными материалами. Если создать сетку из взаимно пересекающихся нанотрубок, наполненных ферромагнитным материалом, возможно создание памяти с плотностью записи информации до 40 Гбит на см2. А если сделать такую сетку многослойной, то емкость памяти станет просто фантастической.
Главной проблемой изделий на основе нанотрубок является переход от сверхтонких проводников к «нормальным» контактам микроразмеров. Для такого перехода между микро- и наномирами предполагается, например, создавать случайный набор контактов, нужные из которых отбираются уже по своим электрическим параметрам. Таким образом, в устройстве до 50% нанотрубок могут оказаться неработающими.
Нанотрубки получаются при пиролизе (термическом разложении) обычного метана в присутствии катализаторов. Однако в настоящее время еще не созданы технологии, позволяющие получать сами нанотрубки строго постоянных размеров с высоким выходом, поэтому требуются значительные усилия по отбору из смеси продуктов трубок нужного размера. Один из путей повышения выхода однотипных нанотрубок - использование для пиролиза растительного сырья волокнистого строения. Уже испытаны с обнадеживающими результатами различные травы; одним из перспективных материалов может быть традиционно применявшаяся для производства веревок и брезентов конопля.
Продолжение следует+++