Основные направления развития нанотехнологий в России

Система является определенной, т.е. имеет единственное решение, если D ¹ 0.

Система всегда имеет тривиальное (нулевое) решение, поэтому, чтобы получить ненулевое решение потребуем D = 0.

D = det (A – k × E) = 0 – характеристическое уравнение исходной системы.

1 случай:

k ₁, k ₂, …, k_n – различные и вещественные корни характеристического уравнения. С помощью k ₁ из системы (1) получаем решение:

Аналогично получаем x ₂, x ₃, …, x_n. Общее решение системы:

Пример:

2 случай:

k ₁, k ₂, …, k_n – различные, но среди них есть комплексные (могут быть все комплексные).

Очевидно, что x ₁ и x ₂ – комплексно-сопряженные (их вещественные и мнимые части равны), поэтому можно рассматривать один корень и, складывая отдельно вещественные, отдельно мнимые части, получить искомые решения.

Пример:

Наноматериалы для оптоэлектроники

Основные направления развития нанотехнологий в России

2. Перспективы использования нанотехнологий

3. Нанокристаллическое состояние вещества

4. Квантовые основы наноэлектроники

5. Наночастицы (нанообъекты) и наноматериалы

6. Квантовые наноструктуры

7. Наноэлектронные элементы

 

 

Основные направления развития нанотехнологий в России

Наиболее значительные практические результаты могут быть достигнуты в следующих областях:

 

♦ в создании твердотельных поверхностных и многослойных наноструктур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами с помощью конструирования их на атомном уровне (например, средствами зонной инженерии и инженерии волновых функций) и использования современных высоких технологий (различные модификации молекулярно-пучковой и молекулярно-химической эпитаксии, самоорганизация, электронная литография, технологические методы туннельной микроскопии) с получением в результате принципиально новых объектов и приборов для исследований и различных приложений ‑ сверхрешетки, квантовые ямы, точки и нити, квантовые контакты, атомные кластеры, фотонные кристаллы, спин-туннельные структуры;

 

Ø в экстремальной ультрафиолетовой (ЭУФ) литографии на основе использования длины волны, равной 13,5 нм, обеспечивающей помимо создания наноэлектронных суперпроизводительных вычислительных систем переход в мир атомных точностей, что неизбежно скажется на смежных областях знаний и производства;

 

Ø в микроэлектромеханике, в основе которой лежит объединение поверхностной микрообработки, использующейся в микроэлектронной технологии, с объемной обработкой и применением новых наноматериалов, физических эффектов и LIGA-технологии на основе синхротронного излучения, обеспечивших прорыв в области создания микродвигателей, микророботов, микронасосов для микрофлюидики, микрооптики, сверхчувствительных сенсоров различных физических величин ‑ давления, ускорения, температуры, а также создания сверхминиатюрных устройств, способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды, передвигаться, накапливать и передавать информацию, осуществлять определенные воздействия по заложенной программе или команде ("умная пыль", микророботы);

 

 

Ø в конструировании молекулярных устройств (наномашин и нанодвигателей, устройств распознавания и хранения информации) и в создании наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и обработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная электроника);

 

Ø в разнообразном применении фуллереноподобных материалов и нанотрубок, обладающих рядом особых характеристик, включая химическую стойкость, высокие прочность, жесткость, ударную вязкость, электро- и теплопроводность. В зависимости от тонких особенностей молекулярной симметрии фуллерены и нанотрубки могут быть диэлектриками, полупроводниками, обладать металлической и высокотемпературной сверхпроводимостью. Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными для изготовления электрических проводов, сверхпроводящих соединений или целых устройств, которые с полным основанием можно назвать изделиями молекулярной электроники. Углеродные нанотрубки используются также в качестве игольчатых щупов сканирующих зондовых микроскопов, в дисплеях с полевой эмиссией, высокопрочных композиционных материалах, электронных устройствах, в водородной энергетике в качестве контейнеров для хранения водорода;

 

Ø в создании новых классов наноматериалов и наноструктур, включая:

· фотонные кристаллы, поведение света в которых сравнимо с поведением электронов в полупроводниках. На их основе возможно создание приборов с быстродействием более высоким, чем у полупроводниковых аналогов;

· разупорядоченные нанокристаллические среды для лазерной генерации и получения лазерных дисплеев с более высокой яркостью (на 2-3 порядка выше, чем на обычных светодиодах) и большим углом обзора;

· функциональную керамику на основе литиевых соединений для твердотельных топливных элементов, перезаряжаемых твердотельных источников тока, сенсоров газовых и жидких сред для работы в жестких технологических условиях;

· квазикристаллические наноматериалы, обладающие уникальным сочетанием повышенной прочности, низкого коэффициента трения и термостабильности, что делает их перспективными для использования в машиностроении, альтернативной и водородной энергетике;

· конструкционные наноструктурные твердые и прочные сплавы для режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, а также наноструктурные защитные термо- и коррозионностойкие покрытия;

· полимерные композиты с наполнителями из наночастиц и нанотрубок, обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью;

· биосовместимые наноматериалы для создания искусственной кожи, принципиально новых типов перевязочных материалов с антимикробной, противовирусной и противовоспалительной активностью;

· наноразмерные порошки с повышенной поверхностной энергией, в том числе магнитные, для дисперсионного упрочнения сплавов, создания элементов памяти аудио- и видеосистем, добавок к удобрениям, кормам, магнитным жидкостям и краскам;

· органические наноматериалы, обладающие многими свойствами, недоступными неорганическим веществам. Органическая нанотехнология на базе самоорганизации позволяет создавать слоистые органические наноструктуры, являющиеся основой органической наноэлектроники и конструировать модели биомембран клеток живых организмов для фундаментальных исследований процессов их функционирования (молекулярная архитектура);

· полимерные нанокомпозитные и пленочные материалы для нелинейных оптических и магнитных систем, газовых сенсоров, биосенсоров, мультислойных композитных мембран;

· покровные полимеры для защитных пассивирующих, антифрикционных, селективных, просветляющих покрытий;

· полимерные наноструктуры для гибких экранов;

· двумерные сегнетоэлектрические пленки для энергонезависимых запоминающих устройств;

жидкокристаллические наноматериалы для высокоинформативных и эргономичных типов дисплеев, новых типов жидкокристаллических дисплеев (электронная бумага).

 

 

2. Перспективы использования нанотехнологий

В электронике и оптоэлектронике ‑ расширение возможностей радиолокационных систем за счет применения фазированных антенных решеток с малошумящими СВЧ-транзисторами на основе наноструктур и волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью с использованием фотоприемников и инжекционных лазеров на структурах с квантовыми точками; совершенствование тепловизионных обзорно-прицельных систем на основе использования матричных фотоприемных устройств, изготовленных на базе нанотехнологий и отличающихся высоким температурным разрешением; создание мощных экономичных инжекционных лазеров на основе наноструктур для накачки твердотельных лазеров, используемых в фемтосекундных системах.

В информатике ‑ многократное повышение производительности систем передачи, обработки и хранения информации, а также создание новых архитектур высокопроизводительных устройств с приближением возможностей вычислительных систем к свойствам объектов живой природы с элементами интеллекта; адаптивное распределение управления функциональными системами, специализированные компоненты которых способны к самообучению и координированным действиям для достижения цели.

 

 

3. Нанокристаллическое состояние вещества

 

Наука о нанокристаллическом состоянии вещества возникла недавно, лет 15–20 назад. Тогда появились и стали широко применяться такие распространенные ныне термины, как «наночастицы», «наносостояние», «нанокристаллический». Изучение же малых частиц, высокодисперсных систем началось гораздо раньше. Термин «нано» происходит от греческого слова «нанос» (карлик) и соответствует одной миллиардной части единицы. Таким образом, нанотехнологии и науки о наноструктурах и наноматериалах имеют дело с объектами конденсированного вещества размером от 1 до 100 нм.

 

Особые свойства малых частиц люди использовали давно, хотя и неосознанно. Примерами могут служить изготовленные еще в древнем Египте цветные стекла, окрашенные коллоидными частицами металлов, или применявшиеся в разные эпохи красящие пигменты. Первым научным упоминанием малых частиц является, по-видимому, открытое в 1827 г. шотландским ботаником Р. Броуном беспорядочное движение частиц цветочной пыльцы в жидкости. Это явление назвали броуновским движением. Теория броуновского движения, развитая независимо А. Эйнштейном и М. Смолуховским, является основой одного из экспериментальных методов определения размеров малых частиц. Рассеяние света водными коллоидными растворами и стеклами в 1850–1860 гг. изучал М. Фарадей.

 

 

Фактически началом изучения наноструктурного состояния вещества явились исследования в области коллоидной химии, широко проводившиеся уже с середины XIX века. В начале XX века значительный вклад в экспериментальное подтверждение теории броуновского движения, в развитие коллоидной химии и исследование дисперсных веществ, в определение размеров коллоидных частиц внес шведский ученый Т. Сведберг. В 1919 г. он создал метод выделения коллоидных частиц из растворов с помощью ультрацентрифуги и в 1926 г. за работы по дисперсным системам был удостоен Нобелевской премии по химии.

 

В XX веке стали интенсивно развиваться исследования гетерогенного катализа, ультрадисперсных порошков и тонких пленок. В таких исследованиях естественно возникал вопрос о влиянии малого размера изучаемых объектов на их свойства.

 

 

В конце 1959 г. Р. Фейнман, выступая с лекцией в Калифорнийском технологическом институте, обратил внимание на проблему управления строением вещества в интервале очень малых размеров как на малоизученную, но очень перспективную область физики и науки в целом. Тем не менее к 1980 году в изучении малых частиц и высокодисперсных систем начался застой. Никто не ожидал прорыва в этой области. Однако прорыв произошел, и толчком к нему стали исследования профессора Г. Гляйтера (Германия), который в 1983 г. создал первую установку для получения компактных (объемных) образцов нанокристаллических материалов. В публикациях Гляйтера о структуре и свойствах компактных нанокристаллических веществ было так много необычного, что они привлекли всеобщее внимание. Именно тогда стали распространяться термины с приставкой «нано». Появились и быстро развились другие новые методы получения наноматериалов, значительно усовершенствовались существующие, например, механосинтез. В России аналогичные исследования стали активно развиваться с 1989–1992 гг. — с запозданием примерно на пять лет.

 

Технику манипуляции на уровне отдельных атомов и атомных агрегаций называют нанотехнологией. В настоящее время термин «нанотехнология» используется в широком смысле, объединяя технологические процессы и системы машин и механизмов, способные выполнять сверхточные операции в масштабе нескольких нанометров. Различные методы нанотехнологии получили наибольшее развитие и применение в микроэлектронике.

 

 

Научный интерес к нанокристаллическому состоянию твердого тела в дисперсном или компактном виде связан прежде всего с ожиданием различных размерных эффектов на свойствах наночастиц и нанокристаллитов, размеры которых соизмеримы или меньше, чем характерный масштаб того или иного физического явления или характерная длина, фигурирующие в теоретическом описании какого-либо свойства или процесса (например, длина свободного пробега электронов, длина когерентности в сверхпроводниках, длина волны упругих колебаний, размер экситона в полупроводниках, размер магнитного домена в ферромагнетиках и т.д.).

 

Прикладной интерес к наноматериалам обусловлен возможностью заметной модификации и даже принципиального изменения свойств известных материалов при переходе в нанокристаллическое состояние, перспективами, которые открывает нанотехнология в создании материалов и изделий из структурных элементов нанометрового размера.

 

 

Нанокристаллические вещества интересны, прежде всего,своим практическим приложением. Сфера их применения огромна — более эффективные катализаторы, пленки и квантовые точки для микроэлектроники, новые магнитные материалы, защитные покрытия. В ближайшие десятилетия наноструктурные объекты будут функционировать в биологических объектах, найдут применение в медицине, в электронике и компьютерной технике благодаря дальнейшей миниатюризации электронных устройств и созданию одноэлектронных нанотранзисторов.

 

 

Размер транзисторов уже достиг предельной минимальной величины, доступной для современных технологий, и поэтому дальнейшее его уменьшение может быть достигнуто только при использовании нанотехнологии. Практическая трудность, которую предстоит преодолеть при создании квантовых точек и нанотранзисторов на одном электроне, заключается во временной нестабильности структур с малым числом атомов. Стабильность таких квантово-электронных элементов определяется перескоком (диффузией) уже малого количества атомов. Поскольку диффузионные процессы на поверхности и границах квантово-электронных элементов происходят очень быстро, то уже при комнатной температуре происходит разрушение элементов или даже их передвижение по подложке как единого целого. Решить проблему стабильности наноэлектронных схем можно при использовании многокомпонентных материалов, включающих тугоплавкие соединения — такие как оксиды, карбиды и нитриды металлов. Они имеют гораздо более высокую термическую и временную стабильность, чем традиционные полупроводниковые материалы.

Рис. 1. Структура нанокристаллического карбида ванадия

 

4. Квантовые основы наноэлектроники