Электроника, фотоника, магнитные материалы

В микроэлектронике переход к нанотехнологиям является наиболее естественным и обещает прежде всего дальнейшую миниатюризацию отдельных компонентов электронных схем, особенно после уже начавшегося внедрения устройств с применением нанотрубок и отдельных биомолекул. Общепринятая точка зрения сводится к тому, что технические применения в наномасштабе ограничены наличием квантовых эффектов, однако стоит учесть, что именно эти эффекты могут быть использованы разработчиками для достижения практических целей. Например, могут быть созданы быстродействующие вычислительные и другие устройства (практически не нуждающиеся в электропитании), основанные на использовании спиновых состояний электронов или атомов. В таких разработках, являющихся просто продолжением общего процесса миниатюризации электронных схем, внедрение нанотехнологий будет означать не просто дальнейшее уменьшение размеров транзисторов, но и в некоторых случаях создание принципиально новых электронных элементов типа механических резонаторов фильтров в гигагерцовом диапазоне частот.

В фотонике (генерация, переключение и обработка оптических сигналов) использование НТ создает массу новых возможностей для конструирования и производства принципиально новых типов волноводов, фильтров, переходных устройств, модуляторов и т.п., причем настройка в оптическом диапазоне может осуществляться поглощением и излучением квантовых точек (подобно электронам в обычном кристалле) может распространяться лишь на некоторых заданных частотах и/или в определенных направлениях. Сочетание таких структур позволяет создавать разнообразные устройства (волноводы, переключатели и т.п.) для передачи и обработки оптических сигналов. Интегральные микроэлектронные и нанофотонные схемы и устройства отличаются поразительной миниатюрностью, высокой скоростью обработки данных (порядка нескольких террабит/сек, т.е. ~10¹² бит/сек) и экономичностью.

Нанотехнологии позволяют развить сразу несколько направлений усовершенствования дисплеев. Прежде всего можно отметить эффект полевой эмиссии в электровакуумных приборах, позволяющий отказаться от нагреваемых катодов. Современный вариант решения этой классической проблемы состоит в том, что для обеспечения надежного и высокоточного сканирования электронного луча по экрану необходимо прилагать к острым концам щупов электронных микроскопов (например, изготовленных из нанотрубок) очень высокие напряжения. Устройства такого типа по- прежнему остаются вакуумными приборами, похожими по принципу действия на привычные электронные дисплеи, однако использование нанорешеток позволяет сделать их значительно более экономичными и (что гораздо важнее) более плоскими.

В соответствии с еще одной предлагаемой нанотехнологией, в дисплеях могут использоваться органические молекулы, обеспечивающие очень яркое и легко регулируемое по цвету излучение. Метод позволяет, в принципе, позволяет создавать очень тонкие, легкие, гибкие и долговечные дисплеи (с размером пикселей в 12 мкм и даже меньше), пригодные для эксплуатации в очень широком температурном диапазоне, что дает возможность монтировать их внутри защитного шлема солдата или объединять с экипировкой каким либо другим удобным способом.

В исследовании и использовании магнитных наноматериалов (наномагнетиков) важнейшей вехой стало открытие в 1988 году так называемого эффекта гигантского магнитосопротивления (GMR), обусловлено тем, что при наложении магнитного поля электрическое сопротивление между тонкими слоями ферромагнитных и немагнитных материалов резко уменьшается. Уже с 1997 года GMR-датчики стали использоваться в производстве считывающих головок для жестких дисков, позволяя добиться значительного увеличения плотности записи. Создавая очень тонкий слой изолятора (<2 нм) между двумя слоями ферромагнетиков, можно обеспечить очень высокие значения туннельного тока, зависящие от взаимной магнитной ориентации участков магнитного материала, что позволяет использовать так называемые магнитные туннельные переходы в качестве ячеек памяти (запоминающих элементов). Уже сейчас такие магнитные запоминающие устройства прямого доступа превосходят по характеристикам существующие динамические устройства этого типа (DRAM), поскольку не требуют постоянного использования так называемой «видеопамяти» данных и сохраняют записанную информацию даже при выключении управляющей сети. Для иллюстрации ценности таких материалов можно упомянуть, что это позволит, например, мгновенно запускать компьютер без применения сложных загрузочных программ.

Объединение описанных возможностей в микроэлектронике, фотонике и разработке новых магнитных материалов может привести к существенному прогрессу в развитии компьютеров и коммуникационных сетей, так как эти качественно новые технологии обещают дальнейшую миниатюризацию используемых устройств с одновременным повышении их экономичности и быстродействия. Например, уже обнаружено, что углеродные нанотрубки могут выступать в качестве обычных электрических проводов, а на базе двух пересекающихся нанотрубок можно даже сформировать транзисторный переключатель.

Уже существует так называемая молекулярная электроника, в которой роль всех элементов электрической цепи (проводов, переключателей, ячеек памяти и т.д.) выполняют отдельные, специально подобранные молекулы.

Производственные процессы с использованием НТ уже сейчас позволяют обеспечивать очень высокую степень миниатюризации и интеграции и собирать целые электронные системы многих типов в объемах порядка 1 мм³ или меньше. Конечно, у разработчиков остается еще много проблем технического порядка, связанных, например, с питанием таких микроскопических устройств (пока не созданы батарейки столь же малых размеров и т.д.). В некоторых случаях, когда проблему электропитания цепей удается решить новыми нестандартными способами, дальнейшее уменьшение общего объема схемы может сдерживаться другими вторичными факторами. Большие сложности связаны, в частности, с обеспечением надежной радиосвязи микроустройств друг с другом или с внешней системой управления, так как связь обычно зависит даже не столько от наличия антенн относительно большого размера. Подытоживая сказанное, можно утверждать, что уже сейчас вполне реальным представляется создание сложных электронных устройств и систем весом в несколько десятков грамм и размером в несколько сантиметров. Такие параметры должны позволить легко «включать», т.е. монтировать, эти устройства в личное обмундирование военнослужащего или в какое либо оборудование обычного типа. В очень близком будущем сложнейшие электронные системы будут монтироваться не только в крупногабаритных предметах армейского оборудования (автомобили, контейнеры и т.п.), но и в самых небольших и привычных деталях снаряжения (например, в винтовках, на биноклях или даже в элементах военной формы и обмундирования).

Возможные сроки реализации военных НТ-разработок оценить очень трудно прежде всего из-за разнообразия предполагаемых применений. Во многих областях использование НТ уже привело к началу длительного процесса модификации и совершенствования конкретных видов оружия, который может продолжаться десятки лет. Появления первых гибких дисплеев и спинтронных устройств можно ожидать через 5–10 лет, а принципиальные изменения (например, создание электронных устройств на основе нанотрубок и молекул) могут наступить только через 10–20 лет.