НАНОТЕХНОЛОГИИ В ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКЕ

С.М. Фокин

Игнатов Павел Викторович, научный руководитель, преподаватель кафедры «Технология машиностроения» Карачевского филиала ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК», г. Карачев

«Днём рождения» нанотехнологий считается 29 декабря 1959 года. В этот день профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фейман выступил на встрече Американского физического общества в Калифорнийском технологическом институте с докладом на тему «На дне много места». В своём докладе он выразил идею, что существует возможность управления и контроля свойств и материалов на микроскопическом уровне. Фейман никогда не упоминал понятие «нанотехнологии», он только обратил внимание на возможность создания микроскопических приборов и невероятно маленьких компьютеров.

В 1974 году японский физик Норио Танигучи, работавший в Токийском университете, предложил термин «нанотехнологии». Этим термином он назвал процесс разделения, сборки и изменения материалов путём воздействия на них одним атомом или одной молекулой наноматериала [1].

 В настоящее время наиболее широко распространён один наноматериал – углеродные нанотрубки [1]. Впервые нанотрубки были получены в Германии в 80-е годы XX века. Идея нанотрубок возникла при исследовании атомных связей алмаза, графита и углерода – родственных материалов с одинаковыми атомами но разным расположением их в пространстве. Первоначально было установлено, что подбором режимов изготовления (давление и температура) можно не только управлять процессом превращения углерода в алмаз и графит, но и получать углеродистые материалы с заданной атомной структурой – так называемыми «атомными кластерами» – группами из нескольких десятков атомов. Так получается углеродистая нанотрубка – углеродистый материал, сочетающий твёрдость алмаза и пластичность графита. Первые экспериментальные исследования углеродных атомных кластеров с числом атомов менее 100 были проведены в 1980-м году. В 1985-м году учёные нашли материал с чрезвычайно стабильными свойствами атомных кластеров – изотоп углерода С₆₀. В 1991 году были впервые синтезированы углероднографитовые трубчатые нити [2].

Наноматериалы широко используются в различных областях промышленности и, в том числе, при производстве изделий электронной техники.

Существуют следующие основные направления наноэлектроники: электроника на нанотрубках, кремниевая электроника, электроника на механотранзисторах, квантовая электроника, а также ряд других технологий [1].

Электроника на нанотрубках. Размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нанометра. Если появится возможность записать в одну нанотрубку один бит информации, то объём flash-дисков на их основе увеличится почти в 100 раз по сравнению с современным, так как современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нанометров [1].

Кремниевая электроника. В этой области применение нанотехнологий заключается в легировании отдельных участков кремниевых кристаллов интегральных микросхем примесями, что существенно изменяет их свойства. По данной технологии изготавливают кремниевые датчики температуры, которые выполняются непосредственно на кристалле сложной интегральной схемы, например, на кристалле микроконтроллера.

Электроника на механотранзисторах. По своим размерам современные транзисторы могут быть всего в несколько раз больше молекулы. Однако даже эти компоненты намного больше, чем новое поколение наноэлементов, в которых вместо кремния будут использоваться органические соединения и углеродные нанотрубки. Нанотехнологии позволят не только уменьшить размеры микросхем, но и увеличить количество транзисторов в них, что значительно повысит производительность[1].

Квантовая электроника. Исследователям из японского Национального Института материаловедения удалось перенести технологию механоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Они создали миниатюрный механический выключатель, подобный тем, которые в настоящее время используется во многих бытовых приборах. Принцип работы выключателя заключается в следующем – при подаче напряжения на устройство между двумя нанопроводниками возникает или распадается мостик из серебра, который служит проводником. Длина мостика, по которому протекает ток, составляет всего 1 нм [1].

Одной из перспективных отраслей применения электронных нанотехнологий является компьютерная техника. Несмотря на значительную миниатюризацию и оптимизацию современных устройств, имеющихся на рынке, нанотехнологии смогут совершить в этой сфере новый технологический прорыв. Размеры действующих элементов микропроцессоров и устройств памяти приблизятся к квантовым пределам, то есть границам мельчайших единиц материи и энергии – когда работает один электрон, один спин, квант магнитного потока, энергии и т.д. Это обеспечит быстродействие порядка ТГц (около 1012 операций в секунду), плотность записи информации около 103 Тбит/см², что намного порядков выше, чем достигнутые сегодня значения. При этом энергопотребление компьютеров уменьшится на несколько порядков.

Список литературы:

1 Уайтсайдес, Дж. Нанотехнологии в ближайшем десятилетии. Прогноз направления исследований [Текст] / Дж. Уайтсайдес, Д. Эйглер [и др.] / Под ред. Р.С. Уильямса и П. Аливисатоса. – Пер с англ. – М.: Мир, 2002. – 292 с.

2 Рощин, В.Е. Основы производства нанокристаллических и аморфных металлов [Текст]: Учебное пособие / В.Е. Рощин, А.В. Рощин. – Челябинск: Издательский дом ЮУрГУ, 2009. – 168 с.