Атомная архитектура

И наконец, рискну предложить еще одну идею (рассчитанную, возможно, лишь на очень далекое будущее), которая мне представляется исключительно интересной. Речь идет о возможности располагать атомы в требуемом порядке – именно атомы, самые мелкие строительные детали нашего мира! Что произойдет, когда мы научимся реально выстраивать или укладывать атомы поштучно в заданной последовательности (разумеется, при этом будут сохраняться какие-то ограничения, например укладка атомов в структуры, соответствующие нестабильным химическим соединениям).

С древних времен человечество старательно добывает из недр Земли минералы, перерабатывает их в огромных количествах и изготовляет из них различные предметы. Мы заботимся о химической чистоте веществ, о составе и уровне примесей и т. д., однако при этом мы всегда работаем с тем набором и распределением атомов, которые предоставляет нам природа. Например, у нас нет возможности изучать или использовать вещество с «шахматной» структурой, где атомы примесей аккуратно располагаются на расстоянии 100 нм друг от друга.

Мы даже не очень задумываемся над тем, что можно сделать со слоистой структурой, состоящей из правильно уложенных слоев атомов. Какими свойствами, вообще говоря, могут обладать материалы, построенные из атомов, которые мы сами будем располагать в заданном порядке? Это очень интересный вопрос с точки зрения чистой теории, и я уверен (хотя, конечно, на эту тему нельзя пока сказать ничего определенного), что, научившись регулировать и контролировать структуры на атомном уровне, мы получим материалы с совершенно неожиданными свойствами и обнаружим совершенно необычные эффекты.

Предположим, например, что мы создали кусочек вещества, внутри которого сформированы маленькие электрические цепи из конденсаторов и катушек индуктивности (или их твердотельные аналоги). Такие цепи, с размером от 100 до 1000 нм, могут быть снабжены антеннами и, будучи взаимосвязаны, могут покрывать довольно значительную площадь. Такие наборы сетей и антенн обычного размера уже в настоящее время широко используются для излучения радиоволн, поэтому существует вероятность, что аналогичный набор «атомарных» антенн будет излучать световые волны или даже точно направленные пучки света.

Применительно к сверхмалым электрическим цепям наиболее важными представляются проблемы, связанные с электрическим сопротивлением. Дело в том, что с уменьшением размеров цепи ее собственная частота возрастает (поскольку длины волн собственных колебаний уменьшаются), однако толщина поверхностного слоя(так называемого скин-слоя) при этом уменьшается пропорционально лишь квадратному корню из характерного размера, вследствие чего при расчете электрического сопротивления должны возникать дополнительные сложности. Возможно, впрочем, что эти проблемы удастся решить, используя какие-либо специальные технические приемы (сверхпроводимость при достаточно низкой частоте и т. п.).

При переходе к изучению самых маленьких объектов предлагаемого типа (например, электрических цепей, составленных из нескольких атомов) мы сталкиваемся со многими разнообразными явлениями, создающими новые возможности. Поведение отдельных атомов подчиняется законам квантовой механики и не имеет аналогов в макроскопическом масштабе, поэтому «внизу» мы будем постоянно наблюдать новые закономерности и эффекты, предполагающие новые варианты использования. Например, очень возможно, что в мире атомов, вместо привычных электрических цепей, мы научимся работать с квантовыми уровнями энергии, с взаимодействиями квантовых спинов и т. п.

Известные нам принципы физики не запрещают создавать объекты «атом за атомом». Манипуляция атомами, в принципе, вполне реальна и не нарушает никаких законов природы. Практические же трудности ее реализации обусловлены лишь тем, что мы сами являемся слишком крупными и громоздкими объектами, вследствие чего нам сложно осуществлять такие манипуляции.

И, наконец, размышляя в этом направлении, мы доходим до проблем химического синтеза. Сейчас химики используют для синтеза сложные и разнообразные приемы. Как только физики создадут устройства, способные оперировать отдельными атомами, многие методы традиционного химического синтеза могут быть заменены приемами «атомной сборки». Мне представляется особенно интересным то, что физики, в принципе, действительно могут научиться синтезировать любое вещество, исходя из записанной химической формулы. Химики будут заказывать синтез, а физики – просто «укладывать» атомы в предлагаемом порядке. Развитие техники манипуляции на атомарном уровне (а я убежден, что этого нам просто не избежать) позволит решить многие проблемы химии и биологии...

Сделаем краткий комментарий с позиции людей, доживших до 2000 г., на который ссылался Р. Фейнман в своем докладе, о том, чего удалось добиться из намеченной им программы.

1. К концу 20 века просвечивающая электронная микроскопия достигла атомного разрешения и позволила «рассматривать» отдельные атомы и молекулы.

2. Изобретенная в начале 80-х годов сканирующая зондовая микроскопия достигла атомного разрешения еще раньше и позволила не только наблюдать, но и манипулировать отдельными атомами, собирая из них необходимые конструкции методом добавления «атом за атомом».

3. Нанописьмо (нанолитография) обеспечивает в массовом производстве получение отдельных элементов с размерами ~100нм, а в лабораторных условиях ~10 нм.

4. Современные ячейки оперативной памяти (как и долговременной на компакт-дисках) занимают пространство <1 мкм на один бит информации.

5. Секвенирована ДНК человека и некоторых других организмов и установлена последовательность всех имеющихся в них генов.

6. Созданы работающие прототипы электронных и оптоэлектронных компонентов (ключи, логические и запоминающие ячейки, сенсоры, актуаторы, движители и др.), использующие единичные макромолекулы или их фрагменты.

7. Испарение и осаждение металлов, полупроводников и диэлектриков на кремниевые подложки легли в основу современных планарных технологий производства БИС. Именно с их помощью в массовом производстве сейчас создают на одном кристалле площадью ~1 см² системы, содержащие миллиарды соединенных между собой элементов.

8. Посредством молекулярно-лучевой эпитаксии и последующей самоорганизации были получены регулярные структуры (сверхрешетки) с шагом десятки–сотни атомных размеров. На их основе построены принципиально новые типы лазеров (на квантовых ямах и квантовых точках), сенсоров, оптоэлектронных приборов.

Таким образом, практически все выдвинутые в докладе идеи, казавшиеся в те годы достаточно далекими от практического воплощения, дали жизнь самым современным и наиболее быстро развивающимся индустриальным технологиям. Во многих направлениях поставленные цели и планы были выполнены и перевыполнены даже раньше 2000 г.

Возникли «не предусмотренные» Фейнманом области и направления (например, нанобиотехнология, биомиметика, сверхпроводящая квантовая электроника и др.).

Много ли еще «внизу» свободного места для науки, высоких технологий, производства? Сейчас кажется, что дно этого почти безбрежного моря возможностей уже близко Полей для фундаментальной науки, по-видимому, становится все меньше, и поисковая драга периодически скребет по этому дну, достигая физически допустимых пределов миниатюризации.

Сконструированы одноэлектронные транзисторы, сверхпроводящие квантовые интерферометры с чувствительностью в один элементарный заряд и квант магнитного потока, разрабатывается спинтроника, оперирующая отдельными спинами и др. К настоящему времени фундаментальная наука создала большие заделы, до конца не осознанные и не востребованные высокими технологиями. Практическое освоение этих пластов накопленных знаний и превращение их в полезные продукты – дело не одного поколения высокообразованных инженеров. А для того чтобы осуществить прорыв в принципиально новые области науки (например, распределенный квантовый компьютинг), наверное, должны появиться новые лидеры – гении 21 века.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алферов, Ж. Навстречу золотому веку / Ж. Алферов // Поиск. -2008. – №4. – С.11.

2. Трусов, Л. Поры в коридоре / Л. Трусов // Поиск. – 2008. – № 26. – С.11-12.

3. Мазуренко, С. Плоды продвижения / С. Мазуренко // Поиск. – 2008. – № 21. – С.5-6.

4. Кулипанов, Г. Источники надежды / Г. Кулипанов // Поиск. – 2008. – № 9. – С.7.

5. Меламед, Л. Отложенный дебют / Л. Меламед // Поиск. – 2008. – № 9. – С.7.

6. Стриханов, М. Акценты центра / М. Стриханов // Поиск. – 2008. –
№ 26. – С.13.

7. Третьяков, Ю. Общество неропщущих / Ю. Третьяков // Поиск. – 2008. – № 33-34. – С.7.

8. Нарайкин, О. Узловые узы / О. Нарайкин // Поиск. – 2007. – № 43. – С.6-7.

9. Булгакова, Н. Шаг из скорлупы / Н. Булгакова // Поиск. – 2008. –
№ 31-32. – С.6.

10. Иванов, В. Первый раз в нанокласс / В. Иванов // Поиск. – 2008. –
№ 9. – С.9.

11. Понарина, Е. Дальневосточный, но федеральный / Е. Понарина // Поиск. – 2008. – № 31-32. – С.8-9.

12. Семенов, С. Перспективы оптимистов / С. Семенов // Поиск. – 2008. – № 30. – С.4.

13. Мелконян, М. Риски в списке / М. Мелконян // Поиск. – 2008. – № 30. – С.14.

14. Петров, Р. Принцип гильотины / Р. Петров // Поиск. – 2008. – № 16. – С.11-12.

15. Осипьян, Ю. Нырнем в пучину / Ю. Осепьян // Поиск. – 2008. – № 21. – С.11-12.

16. Попов, В. Опиши машину / В. Попов // Поиск. – 2008. – № 33-34. – С.7-8.

17. Алферов, Ж. Вырастет отрасль / Ж. Алферов // Поиск. – 2008. –
№ 16. – С.12.

18. Петров, А. Дыши кристалл / А. Петров // Поиск. – 2008. – № 21. – С.13.

19. Разумов, В. Нанофотоника готовится к прорыву / В. Разумов // Поиск. – 2007. – № 44. – С.7.

20. Шаталова, А. Лампа Накамуры / А. Шаталова // Поиск. – 2006. –
№ 40. – С.12.

21. Осико, В. Лазерный ключ / В. Осико // Поиск. – 2008. – № 13. –
С.11-12.

22. Schulzgen, A. Волоконные лазеры / A. Schulzgen // Оптический журнал. – 2007. – Т. 74. – № 3. – С. 46-53.

23. Faist, Jerome. Квантово-каскадные лазеры / Jerome. Faist // Оптический журнал. – 2007. – Т. 74. – № 3. – С.54-58.

24. Soukoulis, C.M. Отклонение света назад / C.M. Soukoulis // Оптический журнал. – 2007. – Т. 74. – № 4. – С.16-21.

25. Buffat, Ph. Size effect on the melting temperature of gold particles / Ph. Buffat, J-P. Borrel // Phys. Rev. A. – 1976. – Vol. 13. – № 6. – P. 2287-2298.

26. Feynman, R.P. There’s plenty of room at the bottom / R.P. Feynman // Eng. And Sci. (Calif. Inst. Technol.). – 1960. – Vol. 23. – № 2. – P. 22-29. Repr.: J. Microelectomech. Systems. 1992. Vol. 1, P. 60. (См. также: http://www.its.caltech.edu/`feynman/plenty.html).

27. Eigler, D.M. An atomic switch realized with scanning tunneling microscope / D.M. Eigler, C.P. Lutz., W.E. Rudge // Nature. – 1991. – Vol. 352. – P. 600–603.

28. Aono, M. Tip-sample interactions in the scanning tunneling microscope for atomic-scale structure fabrication / M. Aono, A. Kobayashi, F. Grey et al. // Jap. J. Appl. Phys. – 1993. – Vol. 32. – № 3 B. – P. 1470-1477.

29. Avouris, P. Manipulation of matter at the atomic and molecular levels /
P. Avouris // Accounts Chem. Res. – 1995. – Vol. 28. – P. 95-102.

30. Hitosugy, T. Scanning tunneling spectroscroscopy of dangling-bond wires fabricated on the Si(100)-2´1-H surface / T. Hitosugy, T. Hashizume,
S. Heike et al. // Appl. Phys. A. – 1998. – Vol. 66. – P. S695- S699.

31. Eigler, D.M. Positioning single atioms with a scanning tunneling microscope / D.M. Eigler, E.K. Schweizer // Nature. – 1990. – Vol. 346. –
P. 524-526.

32. Crommie, M.F. Imaging standing waves in a two-dimensional electron gas / M.F. Crommie, C.P. Lutz., D.M. Eigler // Ibid. – 1993. – Vol. 363. –
P.524-527. (http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/corral.html#stm16).

33. Stroscio, J.A. Atomic and molecular manipulation with scanning tunneling microscope / J.A. Stroscio, D.M. Eigler // Science. – 1991. – Vol. 256. – P. 1319-1326.

34. Saranin, A.A. STM tip-induced diffusion of In atoms on the Si(111) -In surface / A.A. Saranin, T. Numata, O. Kubo et al. // Phys. Rev. B. – 1997. – Vol. 56. – № 12. – P. 7449-7456.

35. Voigtländer, B. Fundamental processes in Si/Si and Ge/Si epitaxy studied by scanning tunneling microscopy during growth / B. Voigtländer // Surface Sci. Rep. – 2001. – Vol. 43. – № 5/8. – P. 127-256.

36. Williams, R.S. Chemical thermodynamics of the size and shape of strained Ge nanocrystals grown on Si (001) / R.S. Williams, Medeiros- G. Rebeiro, T.L. Kamins, D. Ohlberg // Accounts Chem. Res. – 1999. – Vol. 32. –
№ 5. – P. 425-433.

37. Tersoff, J. Self-organization in grows of quantum dot superlattices /
J. Tersoff, C. Teichert, M.G. Lagally // Phys. Rev. Lett. – 1996. – Vol. 76. –
№ 10. – P. 1675-1678.

38. Oura, K. Hydrogen interaction with clean and modified silicon surface / K. Oura, V.G. Lifshits, A.A. Saranin et al. // Surface Sci. Rep. – 1999. – Vol. 35. – № 1/2. – P. 1-69.

39. Kotlyar, V.G. Formation of the ordered array of Al magic clusters on Si(111)7´7 / V.G. Kotlyar, A.V. Zotov, A.A. Saranin et al. // Phys. Rev. B. – 2002. – Vol. 66. – № 16. – P. 165401-1–165401-6.

40. Vitali, L. Nanodot formation on the Si(111)7´7 surface by adatom trapping / L. Vitali, M.G. Ramsey, F.P. Netzer // Phys. Rev. Lett. – 1999. –
Vol. 83. – № 2. – P. 316-319.

41. Chen, Y. Nanowires of four epitaxial hexagonal silicides grown on Si(001) / Y. Chen, D.A.A. Ohlberg, R.S. Williams // J. Appl. Phys. – 2002. –
Vol. 91. – № 5. – P. 3213-3218.

42. Chen, Y. Self-assembled growth of epitaxial erbium desilicide nanowires on silicon (001) / Y. Chen, D.A.A. Ohlberg, G. Medeiros-Rebeiro et al. // Appl. Phys. Lett. – 2000. – Vol. 76. – № 26. – P. 4004-4006.

43. Егоров, В.А. Si/Ge наноструктуры для применений в оптоэлектронике / В.А. Егоров, Г.Э. Цырлин, А.А. Тонких и др. // ФТТ. – 2006. – Т. 46. – Вып. 1. – С. 53-59.

44. Kroto, H.W. C₆₀: Buckminsterfullerene / Kroto H.W., Heath J.R., O’Brien S.C. et al. // Nature. – 1985. – Vol. 318. – P. 162-163.

45. Butcher, M.J. Orientationally ordered island growth of higher fullerenes on Ag/Si(111)- ()R30° / M.J. Butcher, J.W. Nolan, M.R.C. Hunt et al. // Phys. Rev. B. – 2001. – Vol. 64. – № 19. – P. 195401-1–195401-6.

46. Iijima, S. Helical microtubules of graphitic carbon / S. Iijima // Nature. – 1991. – Vol. 356. – P. 56-58.

47. Iijima S., Ichihashi T. Single-shell carbon nanotubes of 1-nm diameter // Ibid. 1993. Vol. 363. P. 603–605.

48. Bethune, D.S. Cobalt-catalysed growth of carbon nanotubes with single-atomic-layer walls / D.S. Bethune, C.H. Kiang, M.S. de Vries et al. // Ibid. – 1993. – Vol. 363. – P. 605-607.

49. Dresselhaus, M.S. New tricks with nanotubes / M.S. Dresselhaus // Ibid. – 1998. – Vol. 391. – P. 19-20.

50. Kim, P. Electronic density of states of atomically resolved single-walled carbon nanotubes: Van Hove singularities and end states / P. Kim, T.W. Odom, J.L. Huang, C.M. Lieber // Phys. Rev. Lett. – 1999. – Vol. 82. – № 6. –
P. 1225-1228.

51. Chen, I.L. Amplified photochemistry with slow photons / I.L. Chen,
G. von Freymann, S.Y. Choi et al. // Adv. Mater. – 2006. – V. 18. – P. 1915-1919.

52. Оура, К. Введение в физику поверхности / К. Оура, В.Г. Лифшиц, А.А. Саранин, А.В. Зотов, М. Катаяма. – М.: Наука, 2006. – 490 с.

53. Veselago, V.G. Electrodynamics of substances with simultaneously negative electrical and magnetic permeabilities / V.G. Veselago // Sov. Phys. Usp. – 1968. – V. 10. – P. 509-517.

54. Pendry, J. B. Negative refraction makes a perfect lens / J. B. Pendry // Phys. Rev. Lett. – 2000. – V. 85. – Is. 18. – P. 3966-3969.

55. Pendry J. B., Holden A. J., Robbins D. J., Stewart W. J. IEEE Trans. Microwave Theory Tech. – 1999. – V. 47. – P. 2075-2086.

56. Shelby R. A., Smith D. R., Schultz S. Science. – 2001. – V. 292. –
P. 77-79.

57. Smith, D.R. Some of the waves emitted or reflected / D.R. Smith,
D. Schurig, J.B. Pendry // Appl. Phys. Lett. – 2002. – V. 81. – P. 2713-2715.

58. Smith, D.R. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity / D.R. Smith, W.J. Padilla, D.C. Vier et al. // Phys. Rev. Lett. – 2000. – V. 86. – P. 4186.

59. Веселаго, В.Г. О формулировке принципа Ферми для света, распространяющегося в веществах с отрицательным преломлением / Веселаго В.Г. // УФН. – 2002. – Т. 172. – № 10. – С. 1215-1218.

60. Веселаго, В.Г. О формулировке принципа Ферми для света, распространяющегося в веществах с отрицательным преломлением / В.Г. Веселаго // УФН. – 2003. – Т. 173. – № 7. – С. 790-796.

61. Zhang, X. Superlenses to overcome the diffraction limit / X. Zhang,
Zh. Liu // Nature Materials. – 2008. – № 7. – P. 435.

62. Betzig, E. Breaking the diffraction barrier – optical microscopy on a nanometric scale / E. Betzig, J.K. Trautman, T.D. Harris et al. // Science. – 1991. – V. 251. – P. 1468-1470.

63. Zheng, L.G. Discussion on negative refraction and perfect lens /
L.G. Zheng, W.X. Zhang // Progress in electromagnetic research. Symposium. – 2005. – Hangzhou, China, August 22-26.

64. Pinchuk, A.O. Metamaterials with gradient negative index of refraction / A.O. Pinchuk, C.S. George // J. Opt. Soc. Am. A. – 2007. V. 24. – № 10.

65. Melnikov, G.S. Gnoseology of fractality – fractal optics / G.S. Melnikov // Proc. SPIE. – 1997. – V. 3010. – P. 58-68.

 

Оглавление

 

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................ 3

 

Глава 1. Использование нанометодов
в научных исследованиях...................................................... 6

§ 1.1. Нанобиотехнологии............................................................................... 6

§ 1.2. Наноэлектроника................................................................................... 9

§ 1.3. Международный томографический центр. Наномагнетики........ 10

§ 1.4. Нанобезопасность............................................................................... 11

 

Глава 2. Наноисследования
и нанотехнологии в оптике................................................. 13

§ 2.1. Основные задачи нанофотоники..................................................... 13

§ 2.2. Лампа Накамуры.................................................................................. 15

§ 2.3. Лазерный ключ..................................................................................... 16

§ 2.4. Волоконные лазеры............................................................................ 19

§ 2.5. Отклонение света назад.................................................................... 22

 

Глава 3. Методы исследования
и анализа наноструктур......................................................... 24

§ 3.1. Электронная микроскопия.................................................................. 24

§ 3.2. Дифракционный анализ..................................................................... 34

§ 3.3. Спектральные методы........................................................................ 45

§ 3.4. Методы определения размеров наночастиц................................. 60

 

Глава 4. Зондовые нанотехнологии.................................................. 63

§ 4.1. Ближнепольная оптическая микроскопия....................................... 63

4.1.1. Зонды БОМ на основе оптического волокна....................... 64

4.1.2. «Shear-force» метод контроля расстояния
зонд-поверхность в ближнепольном
оптическом микроскопе............................................................ 65

4.1.3. Конфигурации БОМ.................................................................. 66

§ 4.2. Методы сканирующей зондовой микроскопии............................... 69

4.2.1. Сканирующая туннельная микроскопия............................... 69

4.2.2. Атомно-силовая микроскопия................................................ 72

4.2.3. Электросиловая микроскопия................................................ 76

4.2.4. Магнитно-силовая микроскопия............................................. 79

§ 4.3. Военные приложения НТ................................................................... 80

§ 4.4. Электроника, фотоника, магнитные материалы........................... 81

§ 4.5. Компьютеры и коммуникационные устройства............................. 84

§ 4.6. Программное обеспечение и искусственный интеллект........... 85

§ 4.7. Материалы............................................................................................ 86

§ 4.8. Источники и аккумуляторы энергии................................................. 88

§ 4.9. Камуфляж и средства маскировки................................................... 89

§ 4.10. Распределенные датчики................................................................ 90

§ 4.11. Обычные виды вооружений............................................................ 92

 

Глава 5. ПРИМЕНЕНИЕ НАНОТЕХНОЛОГИЙ............................................. 94

§ 5.1. Объекты нанометрового масштаба
и пониженной размерности................................................................ 94

§ 5.2. Атомные манипуляции с помощью СТМ......................................... 98

5.2.1. Удаление атомов.................................................................... 100

5.2.2. Осаждение атомов................................................................. 103

5.2.3. Перемещение атомов вдоль поверхности........................ 104

§ 5.3. Самоорганизация.............................................................................. 110

§ 5.4. Оптические свойства наноструктур............................................... 115

5.4.1. Наноструктуры для применения в оптоэлектронике....... 118

5.4.2. Действие мощных нано- и фемтосекундных
лазерных импульсов на кремниевые наноструктуры...... 121

§ 5.5. Фуллерены и углеродные нанотрубки.......................................... 128

§ 5.6. Метаматериалы и оптические свойства наноструктур.............. 135

 

Приложение. Перспективы и возможные
последствия нанореволюции........................................... 140

 

Вместо послесловия............................................................................. 146

 

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ................................................................................. 154

 

Учебное издание