ОБЩИЕ ВОПРОСЫ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ В РОССИИ
1.1. Наноматериалы и нанотехнологии
Ж.И.Алферов, П.С.Копьев, Р.А.Сурис, A.Л.Асеев,
С.В.Гапонов, B.И.Панов, Э.А.Полторацкий, Н.Н.Сибельдин
Введение
Физика низкоразмерных структур актуальнейшая и наиболее динамично развивающаяся область современной физики твердого тела. Интерес к этой области связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. Результатом исследований низкоразмерных систем стало открытие принципиально новых, а теперь уже широко известных явлений, таких как целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами, высокочастотных блоховских осцилляции, а также многое другое. Современные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах также основаны на использовании низкоразмерных систем (структуры с квантовыми ямами, самоорганизованными квантовыми точками и квантовыми нитями). Наиболее выдающиеся достижения в этой области отмечены тремя Нобелевскими премиями по физике (1985 г. за открытие квантового эффекта Холла; 1998 г. за открытие дробного квантового эффекта Холла; 2000 г. за труды, заложившие основы современных информационных технологий).
Развитие этой области открыло возможности конструирования средствами зонной инженерии и инженерии волновых функций и последующего изготовления с помощью современных высоких технологий наноструктур (сверхрешетки, квантовые ямы, точки и нити, квантовые контакты, атомные кластеры и т.д.) с электронным спектром и свойствами, требуемыми для обнаружения и изучения новых физических явлений или для соответствующих приложений. Сконструированные таким образом наноструктуры являются, по существу, искусственно созданными материалами с наперед заданными свойствами.
Вне всяких сомнений, элементная база, основанная на использовании разнообразных низкоразмерных структур, является наиболее перспективной для электронной техники новых поколений. Однако при переходе к системам нанометрового масштаба начинает отчетливо проявляться квантовомеханическая природа квазичастиц в твердом теле. В результате возникает принципиально новая ситуация, когда квантовые эффекты (размерное квантование, конфайнмент, туннелирование, интерференция электронных состояний и др.) будут играть ключевую роль в физических процессах в таких объектах и в функционировании приборов на их основе.
Достижения в разработке и изготовлении наноструктур различного назначения в наибольшей степени определяются уровнем развития технологий, которые позволяют с атомной точностью получать наноструктуры необходимой конфигурации и размерности, а также методов комплексной диагностики свойств наноструктур, включая контроль в процессе изготовления (in situ) и управление на его основе технологическими процессами. По многим прогнозам именно развитие нанотехнологий определит облик XXI века, подобно тому, как открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора определили облик XX столетия.
Ниже дан краткий обзор сегодняшнего состояния и некоторых перспектив в области наноматериалов и нанотехнологий, который, как мы надеемся, позволит получить общее представление об этой области. В настоящее время это весьма обширная область, включающая в себя целый ряд направлений физики, химии, биологии, электроники, медицины и других наук. Поэтому более подробное изложение потребовало бы значительно увеличения объема этой статьи.
Наноматериалы
Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество, или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними к нанотехнологиям. Подавляющее большинство новых физических явлений на наномасштабах проистекает из волновой природы частиц (электронов и т.д.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики. Проще всего это пояснить на примере полупроводников. Когда по одной или нескольким координатам размеры становятся порядка и меньше длины волны де Бройля носителей заряда полупроводниковая структура становится резонатором, а спектр носителей заряда дискретным. То же самое с рентгеновскими зеркалами. Толщины слоев, способных отражать в фазе рентгеновское излучение, лежат в нанометровом диапазоне. В других случаях возникновение нового качества может быть связано с менее наглядными явлениями. Представляется, что такой подход позволяет составить достаточно полное представление о наноматериалах и возможных областях их использования.
Полупроводниковые наноструктуры
Используя методы "зонной инженерии" и "инженерии волновых функций" можно конструировать квантоворазмерные структуры с заданным электронным спектром и требуемыми оптическими, электрическими и другими свойствами. Поэтому они очень удобны для приборных применений.
Квантовые ямы. Этим термином обозначаются системы, в которых имеется размерное квантование движения носителей заряда в одном направлении. Первоначально основные исследования квантовых ям проводились на инверсионных каналах кремниевых МОП транзисторов, позднее и до настоящего времени широко исследуются свойства квантовых ям в гетероструктурах. Основные физические явления в квантовых ямах: размерное квантование электронного спектра, квантовый эффект Холла (целочисленный и дробный), при специальном приготовлении очень высокая подвижность электронов. Основные методы получения квантовых ям на гетероструктурах: металлоорганическая газовая эпитаксия и молекулярно-пучковая эпитаксия.
Приборные применения: высокочастотные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды от ближнего ИК до голубого света, лазеры дальнего ИК диапазона, параметрические источники света среднего ИК диапазона, фотоприемники среднего ИК диапазона, примесные фотоприемники дальнего ИК диапазона, приемники дальнего ИК диапазона на квантовом эффекте Холла, модуляторы в ближнем ИК диапазоне.
Квантовые проволоки это системы, в которых движение носителей заряда квантовано в двух направлениях. Первые квантовые проволоки выполнялись на основе квантовых ям посредством создания потенциального рельефа с помощью двух затворов, расположенных над квантовой ямой. Основные физические явления в квантовых проволоках: квантование проводимости, сильно коррелированный электронный транспорт. Основные методы получения квантовых проволок те же, что и квантовых ям, плюс использование прецизионного травления или специальных затворов. Приборных применений пока нет.
Квантовые точки нанообъекты, в которых движение носителей заряда квантовано во всех трех направлениях. Имеют дискретный энергетический спектр (искусственный атом). Основные физические явления в квантовых точках: одноэлектронные и однофотонные явления. Методы получения те же, что и для квантовых ям, однако несколько иные режимы, если происходит спонтанный рост квантовых точек по механизму Странски-Крастанова. Или использование прецизионной литографии для создания квантовых точек из квантовых ям.
Приборные применения: лазеры и светодиоды в ближнем ИК диапазоне, фотоприемники для среднего ИК диапазона, однофотонные приемники, однофотонные генераторы, одноэлектронные транзисторы.
Структуры с туннельно-прозрачными барьерами (системы квантовых ям и сверхрешетки). Основные физические явления в таких системах: резонансное туннелирование; формирование минизонного спектра в сверхрешетках периодических системах, содержащих много квантовых ям, разделенных туннельно-прозрачными барьерами; нелинейные электрические и оптические явления в сверхрешетках. Методы выращивания этих структур те же, что и для квантовых ям.
Приборные применения: резонансно-туннельные диоды (генераторы и смесители в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах); мощные генераторы и смесители на сверхрешетках: каскадные лазеры среднего и дальнего ИК диапазонов.
Фотонные кристаллы системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Основные физические явления: отсутствие пропускания (полное отражение) света в определенном диапазоне частот, резонансные фотонные состояния. Существует несколько методов выполнения фотонных кристаллов, но все они пока несовершенны.
Возможные приборные применения: эффективные лазеры с низкими пороговыми токами, системы управления световыми потоками.
Магнитные наноструктуры
Развитие методов напыления сверхтонких пленок и нанолитографии привело в последнее десятилетие к активному изучению магнитных наноструктур. Стимулом этой активности является идея о создании новых магнитных наноматериалов для сверхплотной записи и хранения информации. При этом предполагается, что каждая частица несет один бит информации. Если расстояние между частицами составляет 100 нм, то ожидаемая плотность записи – 10 Гбит/см2. Принципиальными ограничениями плотности записи при таком подходе являются магнитостатическое взаимодействие частиц и значительные термические флуктуации. Последние имеют существенную специфику для малых ферромагнитных частиц, которая проявляется в экспоненциальном росте вероятности распада намагниченного состояния с уменьшением размера частицы (суперпарамагнетизм).
Достижением в исследовании магнетизма наноматериалов следует признать открытие эффекта гигантского магнитосопротивления. Суть эффекта заключается в изменении сопротивления (порядка нескольких десятков процентов) многослойной структуры из сверхтонких ферромагнитных и диамагнитных слоев (например, Со/Cu) при смене ферромагнитного упорядочения в структуре на антиферромагнитное. Можно сказать, что такие многослойные структуры представляют собой новый тип доменной структуры ферромагнетика, в котором роль доменов играют ферромагнитные пленки, а доменными стенками являются пленки диамагнетика. Этот эффект находит свое применение при создании новых датчиков магнитного поля, а также при разработке сред для сверхплотной записи информации.
Дальнейшее продвижение в область малых размеров привело к открытию нового явления туннелирования магнитного момента в сверхмалых ферромагнитных частицах. К этой группе наноматериалов относятся искусственные кристаллы, содержащие магнитные кластеры Мn12 и Fe3. Магнитный момент таких кластеров равен 10 магнетонам Бора, т.е. занимает промежуточное положение между магнитным моментом атомов и макроскопических частиц. Обменное взаимодействие между кластерами в кристалле отсутствует, а магнитная анизотропия весьма высока. Таким образом, появляется возможность квантовых переходов между магнитными равновесными состояниями в кластерах. Изучение этих процессов представляется интересным и важным с точки зрения разработки элементной базы квантовых компьютеров.
Двумерные многослойные структуры из пленок нанометровой толщины
В данном случае рассматриваются такие комбинации материалов, которые обеспечивают наиболее сильное отражение электромагнитных волн. Длина волны излучения, эффективно взаимодействующего с многослойной структурой, и ее период связаны соотношением l =2d sina, где a это угол скольжения падающего луча. Диапазон длин волн, в котором эффективно использование этих устройств, простирается от экстремального ультрафиолетового излучения (l =60 нм) до жесткого рентгеновского (l =0,01 нм), т.е. диапазон, в котором наиболее длинные волны в 6 000 раз больше самых коротких. Для видимого света это соотношение равно ~2. Соответственно, столь же велико количество явлений природы, физические проявления которых находятся в этой спектральной области.
Структуры представляют собой искусственные одномерные кристаллы из пленок нанометровой толщины, и кроме возможности их использовать для управления излучением в зависимости от материалов слоев (диэлектрик, полупроводник, металл, сверхпроводник), они могут быть интересны и для других физических приложений. Так, если одним из материалов многослойных наноструктур служит сверхпроводник, то это система множественных последовательно включенных совершенно идентичных джозефсоновских переходов. Если металл чередуется с полупроводником это система последовательно включенных диодов Шоттки.
В наиболее коротковолновой части диапазона 0,01-0,02 нм рентгеновские зеркала позволяют фокусировать излучение синхротронов или рентгеновских трубок на исследуемые объекты или формировать параллельные пучки. В частности, их применение увеличивает эффективность рентгеновских трубок в 30-100 раз, что делает возможным заменить синхротронное излучение в ряде биологических, структурных и материаловедческих исследований. Приблизительно в этом же диапазоне лежит излучение высокотемпературной плазмы (лазерной и ТОКАМАКов). Здесь зеркала нашли применение как дисперсионные элементы для спектральных исследований.
В диапазоне 0,6-6 нм лежит характеристическое излучение легких элементов от бора до фосфора. Здесь рентгеновские зеркала также используются для исследования спектров в приборах элементного анализа материалов.
Рентгеновская многослойная оптика широко применяется для формирования фильтрации и управления поляризацией в синхротронных источниках. В области 10-60 нм лежат линии излучения солнечной плазмы. Объективы космических телескопов из рентгеновских зеркал и сейчас находятся на орбите и регулярно передают на Землю изображение Солнца на линиях Fe IX Fe XI (17,5 нм) и Не II (30,4 нм).
Особое место занимает применение многослойных зеркал в технологиях микроэлектроники. Мы являемся свидетелями и участниками крупнейшего события в твердотельной электронике: это переход на длину волны более чем в 10 раз короче (от 157 нм к 13 нм) в литографии процессе, обеспечивающем получение рисунка полупроводниковых приборов и интегральных схем. Именно длина волны излучения, используемого для получения рисунка, отвечает за размеры его минимальных элементов. До сих пор изменение длины волны излучения от поколения к поколению литографических установок не превышало 25%. Одновременно в 10 раз повышаются требования к точности изготовления всех элементов оптики и механизмам настройки и экспонирования. Фактически это означает переход всех обрабатывающих технологий на атомарную точность. Неучастие в этом процессе может оставить страну в прошлой цивилизации.
Молекулярные наноструктуры
Органические материалы в последнее время интенсивно вовлекаются в нанотехнологии и как неотъемлемые участники технологическою процесса (например, в нанолитографии), и как самостоятельные объекты и устройства в так называемой молекулярной электронике.
Многообразие органического мира хорошо известно (около 2 млн синтезированных соединений, и это количество непрерывно растет) от "полунеорганических" комплексов (углеродные кластеры, металлоорганика) до биологических объектов (ДНК, гемы). С точки зрения материалов для нанотехнологии и молекулярной электроники условно можно выделить три основных класса: полимеры, молекулярные ансамбли (molecular assemblies, selfaggregated systems) и единичные молекулы: последние называются также "умные" или "функциональные" молекулы (smart molecules).
Первый класс изучается наиболее давно и по общей совокупности работ, наверное, наиболее интенсивно. Кроме того, диэлектрические, оптические и люминесцентные свойства различных поли- и олигомеров уже широко используют в технике и электронике, они стоят ближе всего к рынку и экономическому эффекту.
Второй класс молекулярные ансамбли нано-метровых размеров - изучается сравнительно недавно. К ним относятся, например, агрегаты на основе порфиринов (в том числе хлорофилла) и других амфифильных молекул, получаемые из растворов. Супрамолекулярная (то есть надмолекулярная, иерархическая) организация сложна и интересна, ее исследование и связь с (фото-) электрическими свойствами проливает свет на биологические и природные процессы (клеточный транспорт, фотосинтез). Обнаружена чувствительность, а главное уникальная избирательность таких систем к внешним воздействиям (свет, атмосфера, вибрация), что позволяет использовать их в различных сенсорах, в том числе со смешанной электронно-ионной проводимостью. Исследуются наноразмерные молекулярные стержни и проволоки (molecular rods and wires), в том числе в качестве интерфейса между неорганическими материалами (например, двумя металлическими электродами). Предполагается, что со временем будет происходить интегрирование с классической приборной базой.
Вообще системы, построенные в основном на Ван-дер-Ваальсовых или водородных связях, представляют собой очень перспективный с точки зрения дизайна твердого тела объект с двумя уровнями свободы: внутримолекулярная структура, которая может быть модифицирована (изменена при синтезе) и которая ответственна, например, за поглощение или испускание света; межмолекулярная структура, которая может быть изменена при росте кристалла (пленки, эпитаксиального слоя), и которая ответственна за фазовые явления, транспорт носителей заряда, магнитные свойства. В качестве примера: фталоцианин меди и периферийно-фторированный фталоцианин меди структурно изоморфны, однако представляют собой полупроводники p- и n-типа, соответственно. Полностью органические выпрямляющие переходы на основе вакуумно-осажденных слоев интенсивно исследуются в настоящее время. Вместе с тем, допирование пленок фталоцианина сильным акцептором (например, йодом) изменяет фазовую структуру вплоть до получения квазиодномерной металлической проводимости.
Важную группу составляют также самоорганизующиеся монослои (self-assembled monolayers, SAM's) на основе органических молекул или цепочек различного строения, которые исследуют как перспективные передающие материалы при литографии, так и для изучения электропереноса вдоль контура сопряжения молекулы. Здесь уже начинается третий класс.
Третий класс или способ применения органических материалов в нанотехнологиях самый молодой. Это то, что в западных конкурсах называется emergent или futuristic technologies (внезапно возникающие или футуристические технологии). Если жидко-кристаллические дисплеи, технологии CD-R, фотопреобразователи, сенсоры и другие устройства на органических материалах хорошо известны и постепенно (хотя и медленно из-за понятного торможения со стороны уже широко инвестированного и раскрученного "силиконового" и GaAs-ного приоритета) приходят на рынок, то одномолекулярные устройства (приборы) в реальном производстве отсутствуют. Более того, если макроскопические свойства классических органических твердых тел (молекулярных кристаллов) имеют удовлетворительное теоретическое описание, то процессы, ожидаемые в одномолекулярных устройствах, видятся гораздо менее отчетливо. Самый упрощенный подход: берем некую молекулу, которая представляет собой хорошо организованную квантовую систему, делаем к ней электроды и получаем, например, диод. Тут сразу возникает много новых вопросов. В частности, граница металл/молекулярный полупроводник даже на макроуровне весьма неопределенна.
И тем не менее истинно "наноразмерные" эффекты ожидаются именно в этом классе. Конструируются молекулярные наномашины и наномоторы (роторы), динамические молекулярные переключатели, транспортировщики энергии, устройства распознавания, хранения информации. Для исследования инжекции носителей и туннельного тока в отдельных молекулах совершенствуются методы зондовой микроскопии.
Следует впрочем не забывать, что в числе главных достоинств (если не самые главных) органики находятся дешевизна и доступность. Изощренный синтез новых соединений делает их едва ли не дороже высокочистых неорганических веществ, поэтому наибольшие практические перспективы имеют исследование и модификация (оптимизация) широко распространенных и изученных (более или менее) соединений с высокой стабильностью и способностью интегрироваться (не обязательно) в разработанные технологические процессы. Из наиболее известных это фталоцианины, фуллерены, политиофены и полиарены.
Фуллереноподобные материалы
Графит, алмаз и не всеми признанный карбин в течение долгого времени считались основными аллотронными состояниями углерода. Их применяли во многих отраслях промышленности и техники, в том числе в микро- и оптоэлектронике. За 10 лет до конца XX века были обнаружены сначала в космосе, а потом получены в лаборатории новые молекулярные формы углерода фуллерены и фуллереноподобные индивидуальные вещества и материалы. В конце прошлого века по фуллеренам (их получению, исследованию и применению) каждый год выходило в свет до 1000 и более публикаций. Обнаружено, что самоорганизация фуллереновых структур происходит повсюду: в космосе, в природных процессах на Земле, в промышленных процессах (черная металлургия), в лабораториях. Свойства и структура этих материалов настолько разнообразны и интересны, что фуллереновые материалы начинают широко применять в промышленности: от микро- и наноэлектроники до эффективных медицинских препаратов.
К фуллереновым материалам, полученным и изучаемым в настоящее время, относятся следующие:
• Фуллерены. Они образуют молекулярно-кристаллические твердые тела, часто вследствие большого размера и высокой симметрии своих молекул пластические кристаллы без температуры плавления. Они образованы молекулами C2n, имеющими форму либо сфер, либо эллипсов, хотя возможны их другие комбинации (полусферы с цилиндрами из углерода). Возможны многослойные сферы или эллипсы ("оолитовые" или "луковичные" структуры). Размер молекул главного представителя фуллеренов C60 составляет 1 нм, и в растворе молекулы обладают свойствами броуновской частицы;
• Углеродные нанотрубки. Они образованы из свернутых по различным направлениям графитовых плоскостей и закрыты на концах сетчатыми углеродными полусферами. Такие "графитовые" нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Последние могут быть переведены окислением и травлением в однослойные. Углеродные нанотрубки могут иметь разветвления и изгибы. В этом случае они теряют исходную "графитовую" структуру и не называются "графитовыми". Однослойные нанотрубки имеют размеры от 1 до 10 нм в диаметре и длину 100-1000 нм и более, а многослойные имеют диаметры и длину в 10-100 раз больше. Твердые тела могут быть образованы из жгутов нанотрубок или коллинеарных (но более коротких) образований;
• Наполненные фуллерены (эндопроизводные). Наполнением могут быть молекулы инертных или других газов, небольшие органические и неорганические молекулы, атомы металлов (щелочных, щелочноземельных, лантанидов и др.). Несмотря на трудности получения и малый выход таких производных, присущие им свойства заставляют исследовать их синтез и возможные применения. Эти производные в большинстве своем имеют крайне низкие потенциалы ионизации по сравнению с металлами, и, по-видимому, обладают металлическими свойствами;
• Наполненные углеродные нанотрубки. Помимо перечисленного выше для наполнения могут быть использованы фуллерены меньшего диаметра;
• Неорганические нанотрубки (MoS2, WSe2 и др.).
Патентная литература и применения фуллереноподобных материалов чрезвычайно разнообразны. Фуллереноподобные материалы обладают рядом замечательных характеристик, включая химическую стойкость, высокую прочность, жесткость, ударную вязкость, теплопроводность и (что, возможно, важнее всего) электропроводность. В зависимости от тонких особенностей молекулярной симметрии фуллерены и нанотрубки могут быть диэлектриками, полупроводниками, обладать металлической проводимостью и высокотемпературной сверхпроводимостью. Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными возможно даже уникальными материалами для изготовления электрических проводов, сверхпроводящих соединений или целых устройств, которые с полным основанием можно назвать изделиями молекулярной электроники. Химической сборке элементов различных схем благоприятствуют свойства фуллерена, который может образовывать ионы от +6 до 6 и в различных матрицах связи с донорами, акцепторами, свободными радикалами и ионами. Фуллерены могут также использоваться при создании средств молекулярной оптоэлектроники для фемтосекундной оптоволоконной передачи информации. Полимеризация фуллеренов при электроннолучевом или ионизирующем воздействии дает возможность получать резисты нового поколения.
Углеродные нанотрубки используются в качестве игольчатых щупов сканирующих зондовых микроскопов и в дисплеях с полевой эмиссией, в высокопрочных композиционных материалах, электронных устройствах со схемами из коротких нанотрубок, подвергнутых манипулированию и сборке. Молекулярный характер фуллереновых материалов позволяет разработать химическую стратегию сборки этих элементов в пригодные для использования структуры, материалы и возможно даже молекулярные электронные устройства.
Конструкционные наноматериалы
Использование современных конструкционных материалов обычно ограничивается тем, что увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Данные по нанокомпозитам показывают, что уменьшение структурных элементов и более глубокое изучение физики деформационных процессов, которые определяют пластичность наноструктурных материалов, могут привести к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность.
Анализ проведенных в последние годы отечественных и зарубежных исследований свидетельствует о высокой перспективности следующих основных направлений в области разработки конструкционных материалов: изготовление наноструктурных керамических и композиционных изделий точной формы, создание наноструктурных твердых сплавов для производства режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, создание наноструктурных защитных термо- и коррозионно-стойких покрытий, создание обладающих повышенной прочностью и низкой воспламеняемостью полимерных композитов с наполнителями из наночастиц и нанотрубок.
В лабораторных исследованиях получены образцы изделий из нанофазной керамики (плотности на уровне 0,98-0,99 от теоретического значения) на основе оксидов алюминия и ряда переходных металлов. Экспериментально подтверждено, что плотная наноструктурная керамика имеет повышенную пластичность при сравнительно невысоких температурах. Увеличение пластичности при уменьшении размера частиц вызвано сдвиговым перемещением нанокристаллических зерен относительно друг друга при наложении нагрузки. При этом отсутствие нарушения межзеренной связи объясняется эффективным диффузионным переносом атомов в приповерхностном слое частиц. В перспективе повышенная пластичность означает возможность сверхпластичного формования керамических и композиционных изделий, что исключает необходимость трудо- и энергозатратной финишной обработки материалов высокой твердости.
В последние годы разработаны нанокомпозитные металлокерамические материалы, в частности, на основе WC/Co и TiC/Fe, значительно превосходящие по износостойкости, прочности и ударной вязкости аналоги с обычной микроструктурой. Повышенные эксплуатационные характеристики нанокомпозитных материалов обусловлены образованием при спекании специфических непрерывных нитевидных структур, формирующихся в результате трехмерных контактов между наночастицами разных фаз. Разработка и внедрение в промышленное производство технологии создания нанокомпозитных изделий будет способствовать решению проблемы изготовления высококачественных режущих инструментов.
Повышение коррозионной стойкости наноструктурных покрытий обусловлено, в первую очередь, снижением удельной концентрации примесей на поверхности зерен по мере уменьшения их размеров. Более чистая поверхность обеспечивает более однородную морфологию и более высокую коррозионную стойкость межзеренных границ. Наноструктурные покрытия характеризуются сверхвысокой прочностью. Один из основных механизмов упрочнения обусловлен эффектом скопления дислокаций вблизи препятствий, которыми при уменьшении размеров зерен являются их границы. Важным преимуществом покрытий с наноразмерной структурой является обусловленная повышенной пластичностью возможность снижения в них остаточных напряжений, что позволяет изготовлять покрытия миллиметровой толщины.
Использование диспергированных в полимерной матрице неорганических наполнителей из наноразмерных порошков позволяет существенно повысить огнестойкость пластмасс, являющуюся одним из основных недостатков при использовании их в качестве конструкционных материалов, поскольку продукты сгорания полимеров, как правило, представляют собой ядовитые вещества. Результаты исследований показывают, что снижение горючести может быть доведено до самозатухания пламени. При этом наноразмерные порошковые наполнители не снижают механической прочности и обрабатываемости материалов. Полимерные нанокомпозиты обладают высокой абляционной стойкостью, что открывает перспективы их использования для защиты поверхности изделий, эксплуатируемых в условиях воздействия высоких температур.
Наноэлектроника
Современный научно-технический прогресс несомненно определяется развитием электроники, основой которой являются достижения в различных областях фундаментальных наук, главным образом, физики твердого тела, физики полупроводников, а также твердотельной технологии. Последние достижения науки показывают, что в отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей.
Так, на протяжении ряда десятилетий повышение функциональной сложности и быстродействия систем достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, состоящая в том, что квантовые эффекты (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты) оказывают определяющее влияние на физические процессы в наноструктурах и функционирование приборов на их основе.
Многообещающим является также создание наноструктур, в которых роль функциональных элементов выполняют отдельные молекулы. В перспективе это позволит использовать принципы приема и переработки информации, реализуемые в биологических объектах (молекулярная наноэлектроника). Новые возможности в повышении мощности, температурной и радиационной стойкости, расширении диапазона частот, улучшении эргономических характеристик приборов открывает направление, в котором синтезируются идеи и технологические достижения вакуумной и твердотельной электроники (вакуумная наноэлектроника).
Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная структура таких искусственных материалов обеспечивается выбором веществ, из которых изготовляются отдельные слои структуры ("зонная инженерия"), поперечных размеров слоев (размерное квантование), изменением степени связи между слоями ("инженерия волновых функций"). Наряду с квантово-размерными планарными структурами (двумерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки) исследуются одно- и нульмерные квантовые объекты (квантовые нити и точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электронными и световыми потоками в таких структурах.
Нанотехнологии призваны решить следующие задачи в электронике:
• резкое повышение производительности вычислительных систем;
• резкое увеличение пропускной способности каналов связи;
• резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат;
• резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и существенное расширение спектра измеряемых величин, что важно, в частности, для задач экологии;
• создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов;
• существенное увеличение удельного веса использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях.
Резкое повышение производительности вычислительных систем необходимо в связи с переходом технологии интегральных схем к нанометровому масштабу. В табл. 1.1.1 приведен прогноз уменьшения характерных размеров ИС памяти и процессоров (ITRS Roadmap 2002), в табл. 1.1.2 перспектива уменьшения энергии на одно переключение.
Таблица 1.1.1. Прогноз уменьшения характерных размеров ИС памяти и процессоров
Year of production, нм 2003 2010 2013 2016
DRAM 1/2 Pitch 100 45 32 22
MPU 1/2 Pitch 107 45 32 22
MPU Printed Gate Length 65 25 18 13
MPU Physical Gate Length 45 18 13 9
Таблица 1.1.2. Перспектива уменьшения энергии на одно переключение
Год 2003 2010 2013 2016
Энергия на переключение, фемтоДж 0,137 0,015 0,007 0,002
Таким образом, развитие "традиционной микроэлектроники" подразумевает переход к нанотехнологии. Развитие нанотехнологии позволит сконструировать и принципиально новые элементы ИС, такие, например, как "одноэлектронные" устройства, потребляющие предельно малые энергии на переключение, или сверхбыстродействующие биполярные Si-Ge транзисторы с базами толщиной в несколько нанометров. Устройства на основе наноструктур принципиально необходимы и для считывания информации в вычислительном процессе из-за предельно низких уровней сигналов. Примером могут служить магнитные считывающие устройства, основанные на эффекте гигантского магнетосопротивления, возникающем в слоистых металлических магнитоупорядоченных средах с толщиной слоев в несколько нанометров.
Резкое увеличение пропускной способности каналов связи подразумевает создание высокоэффективных излучающих и фотоприемных устройств для ВОЛС и устройств СВЧ техники для терагерцового и субтерагерцовых диапазонов. Сразу же следует подчеркнуть, что эффективные лазерные диоды для линий связи есть типичный продукт нанотехнологии, поскольку они представляют собой квантово-размерные наногетероструктуры с характерной толщиной слоев в несколько нанометров. Эффективные фотоприемные устройства также базируются на таких полупроводниковых гетероструктурах. Дальнейшее развитие излучающих и фотоприемных приборов с неизбежностью связано с развитием нанотехнологии квантовых точек нанообластей в полупроводнике, ограничивающих движение электронов в трех направлениях. Здесь можно ожидать появления устройств принципиально нового типа, использующих квантовомеханические закономерности.
То же относится и к твердотельным устройствам СВЧ электроники. Переход на наноуровень позволит существенным образом улучшить характеристики СВЧ транзисторов и создать приборы, основанные на квантовомеханических эффектах (например, резонансно-туннельные диоды и приборы на основе сверхрешеток).
Резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат связано с развитием нескольких направлений. Прежде всего, это монолитные и гибридные матрицы светоизлучающих диодов (когерентных и некогерентных). И здесь наиболее эффективны и многофункциональны полупроводниковые источники на основе наноструктур. Полупроводниковые лазеры средней и большой мощности, изготовленные на основе наноструктур, эффективны для использования в проекционных системах различного назначения (в т.ч. для проекционных телевизоров). Наноструктурированные материалы (например, на основе углеродных нанотрубок) чрезвычайно перспективны при создании эффективных катодов для плазменных панелей любой площади.
Резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и значительное расширение спектра измеряемых величин как путем улучшения характеристик уже существующих приборов и устройств при переходе к размерам, при которых становятся существенными квантово-механические эффекты, так и за счет создания принципиально новых приборов, основанных на возможности "калибровать" различные объекты (атомные кластеры и молекулы) в нанометровом диапазоне размеров и использовать высокую поверхностную чувствительность наноструктурированных материалов. Примером использования нанотехнологии для этих целей может служить создание на основе квантовых полупроводниковых наноструктур лазеров дальнего и среднего ИК диапазонов, позволяющих контролировать загрязнение атмосферы с высокой чувствительностью и точностью.
Создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов важнейшая задача современного общества. На освещение сейчас расходуется около 20% потребляемой в мире энергии и перевод хотя бы половины освещения на высокоэкономичные полупроводниковые источники света на основе наноструктур уменьшит мировые затраты энергии на 10%.
Существенное увеличение удельного веса использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях. Здесь важно иметь в виду несколько обстоятельств. Прежде всего, благодаря возможности создавать с помощью нанотехнологии вещества и структуры с наперед заданным оптическим спектром можно "настраивать" источники и приемники излучения, что позволяет селективно воздействовать на биологические и химические процессы и получать сигналы в необходимых спектральных диапазонах для контроля таких процессов. Другое важное обстоятельство состоит в том, что именно благодаря применению наноструктур удается использовать очень компактные мощные источники лазерного излучения. Это позволит развить высокоточные, экономичные и экологически чистые технологии обработки материалов. Подчеркнем, что эти же источники очень эффективны для применения в медицине.
Hано- и микроэлектромеханика,
Актуальность направления
Прогресс в разработке нано- и микроэлектромеханических устройств и систем обещает такую же революцию в технике, какую совершила микроэлектроника в электронике. Микроэлектромеханика стала самостоятельным направлением 15-20 лет назад. Основой этого направления являются объединение поверхностной микрообработки, развитой в микроэлектронной технологии, с объемной обработкой и использование новых материалов и физических эффектов. Бурный рост микроэлектромеханики, являющейся, по сути, междисциплинарным направлением, связан, прежде всего, с широким использованием микроэлектронных технологий с сотовой микроструктурой. Такой подход позволил за короткое время создать новые объемные конструктивные элементы мембраны, балки, полости, отверстия с большим аспектным соотношением (калибром), за счет использования так называемых LiGA-технологий на основе синхротронного излучения и т.д. Это обеспечило прорыв в области микродвигателей микророботов, микронасосов для микрофлюидики, сверхчувствительных сенсоров различных физических величин (давления, ускорения, температуры и др.), микрооптики. Так, микромеханические датчики в современных автомобилях являются основой систем безопасности (воздушные подушки), контроля за состоянием колес, подвески и т.п. Но наиболее ярким представителем микроэлектромеханических систем служат сканирующие зондовые микроскопы, являющиеся основой не только ряда измерительных систем в нанометровом диапазоне, но и основой технологических устройств для нанотехнологии.
Переход к наноэлектромеханике связан с использованием нанотехнологии и новых физических эффектов. Так, при создании полостей важного компонента различных устройств используются все в большей мере самоорганизующиеся процессы (углеродные нанотрубки, пористые мембраны на основе оксида алюминия). Это позволяет увеличить воспроизводимость, повысить надежность, поскольку малейшие изменения размеров, связанные с использованием традиционных технологий, ведут к экспоненциально сильному изменению параметров.
В развитых зарубежных странах этому направлению уделяется большое внимание создаются исследовательские институты, развернута подготовка специалистов. В США этими вопросами занимаются такие известные фирмы, как Intel, MEMS Industry Group, Sandia National Labs. Рассматриваемый круг вопросов от ручки без разбрызгивания чернил до беспроволочной передачи данных, оптических устройств управления оружием и миниспутников. Агентство перспективных разработок МО США реализует программу "Умная пыль", направленную на создание сверхминиатюрных устройств, способных генерировать энергию, проводить мониторинг окружающей среды, накапливать и передавать информацию.
Таким образом, развитие нано- и микроэлектромеханики является необходимым условием развития основ нанотехнологии.
Технологические аспекты разработки
нано- и микроэлектромеханических систем
Наноимпринтинг (печать с помощью штампа). Это развиваемые взамен оптической литографии новые групповые технологии получения рисунка с рекордным разрешением £10 нм. Технологии позволяют реализовать как получение маски для дальнейших технологических операций, так и функциональных структур.
Интеллектуальные нанотехнологтеские комплексы на базе сканирующей зондовой техники. Высоковакуумные комплексы, обеспечивающие локальную модификацию поверхности (фазового состава, потенциального и пространственного рельефа, структурной перестройки) в областях £10 нм. Модификация осуществляется за счет полевых, механических и тепловых воздействий, а также за счет ввода реактивных сред непосредственно в область воздействия под зондом. Для повышения производительности необходимы многозондовые картриджи и устройства прецизионного многократного позиционирования (с точностью £2 нм).
Технологии самоорганизации и самосборки. При уменьшении размеров £10 нм создание упорядоченных структур и одиночных структур традиционными методами становится труднореализуемой задачей. Особенно важны с этой точки зрения различные формообразующие структуры (полости), в которых можно создавать наноэлементы. Важную роль играют также технологии получения упорядоченных нанотрубок (особенно углеродных) и пористых мембран на основе оксида алюминия.
Технология получения рисунка на базе сканирующей зондовой микроскопии с разрешением 0,5-1 нм за счет использования в качестве зондов углеродных нанотрубок и прецизионных позиционеров.
Разработка элементной базы нано- и микроэлектромеханики
Наноэлементы для прямого преобразования электрической энергии в механическую с высокой эффективностью. Статические элементы на основе ориентированных пучков нанотрубок во много раз эффективнее пьезоэлектрических и могут работать, например, в физиологическом растворе. Динамические элементы на базе нанотрубок обеспечивают коммутацию в пикосекундном диапазоне. Однослойные нанотрубки с большим аспектным соотношением могут перемещаться в жидких средах за счет волнообразного движения. Все это открывает большие перспективы как для технических, так и для биомедицинских применений.
Заполнение нанополостей (в том числе нанотрубок) чужеродными атомами, молекулами, кластерами, фуллеренами позволяет не только изменять характеристики элементов, но и создавать одномерные кристаллы, хранить и доставлять определенные компоненты в нужное место для создания новых элементов с помощью зондовых технологий. Заполнение двумерных и трехмерных нанопористых сред позволяет создавать фотонные кристаллы основу для оптических коммутирующих устройств "беспороговых" лазеров, сверхчувствительных фотоприемников. Большой интерес для медицины представляет прививка к нанотрубкам органических комплексов и ДНК.
Сверхчувствительные сенсоры без промежуточного преобразования энергии. Они могут быть созданы, поскольку частотный диапазон механических колебаний наноэлементов близок к вращательному и колебательному спектрам молекул.
Эффекты автоэмиссии наряду с квантовомеханическими эффектами, связанными с переносом зарядов, играют все большую роль в таких наноэлементах. Так, пороги автоэмиссии для нанотрубок на несколько порядков ниже, чем в традиционных элементах. Это открывает возможности создания наноламп, скомбинированных с нанотранзисторами, что важно для устройств обработки информации, эксплуатирующихся в экстремальных условиях и условиях спецвоздействий.
Наноэлектромеханические приборы и системы
Наноэлектромеханические ЗУ терабитной емкости. Матричные многозондовые сканирующие устройства в сочетании с регулярными средами из наноэлементов позволяют создать терабитные ЗУ с плотностью до 10 бит/см2, что необходимо для систем обработки информации новых поколений.
Микро- и нанооптоэлектромеханические системы. Управляемые микромеханические зеркальные отражатели и дифракционные решетки обеспечивают коммутацию и селекцию сигналов при беспроволочной передаче данных, в системах управления оружием, микророботами и т.д. со скоростью передачи 1012 бит/с.
Микроробототехника. Создание микроустройств, способных передвигаться, собирать, хранить и передавать информацию, осуществлять определенные воздействия по заложенной программе или команде. Разработка микродвигателей, микронасосов, микроприводов.
Нано- и микроэлектромеханические датчики различных физических величин (ускорения, давления, температуры, влажности, изменения размеров, скорости протекания химических и физических процессов).
Гибкие плоские дисплеи и устройства отображения информации.
Важнейшие области применения
Такими областями применения нано- и микроэлектромеханических устройств и систем могут быть:
• информационные и компьютерные технологии;
• машиностроение;
• биология и медицина;
• наносистемы для вредных производств, ядер ной энергетики;
• наносистемы для систем вооружения и космических систем.
Диагностика наноструктур
Современное развитие физики и технологии твердотельных наноструктур, проявляющееся в непрерывном переходе топологии элементов электронной техники от субмикронных размеров к нанометровой геометрии потребовало разработки новых и усовершенствования существующих диагностических методов, а также создания новых образцов оборудования для анализа свойств и процессов в низкоразмерных системах, в наноматериалах и в искусственно создаваемых наноструктурах. В этом плане особое внимание уделяется созданию и применению взаимодополняющих высокоразрешающих методов практической диагностики и характеризации наноструктур, обеспечивающих получение наиболее полной информации об основных физических, физико-химических и геометрических параметрах наноструктур и протекающих в них процессов.
В настоящее время существует огромное число методов диагностики, еще больше методик исследования физических и физико-химических параметров и характеристик твердотельных и молекулярных структур. Вместе с тем, получение наноструктур, низкоразмерных систем и новых наноструктурированных материалов с заданными свойствами, предназначенных для применения в современной электронике, ставит и новые диагностические задачи. Для решения современных задач диагностики наноструктур требуется адаптация к этим задачам традиционных методов (оборудования), а также развитие новых, прежде всего локальных (до масштабов 0,1 нм) методов исследования и анализа свойств и процессов, присущих объектам нанометровой геометрии и системам пониженной размерности.
Методы нанодиагностики должны быть по возможности неразрушающими и давать информацию не только о структурных свойствах нанообъектов, но и об их электронных свойствах с атомным разрешением. Для разработки нанотехнологий решающим оказывается также возможность контролировать атомные и электронные процессы in situ с высоким временным разрешением, в идеале до времени, которое равно или меньше периода атомных колебаний (до 10 13 с и менее). Необходима также диагностика электронных, оптических, магнитных, механических и иных свойств нанообъектов на "наноскопическом" уровне. Невозможность полного удовлетворения этих требований приводит к использованию комплекса методов диагностики нанообъектов, среди которых необходимо выделить следующие основные группы методов:
• электронная микроскопия высокого разрешения, которая исторически явилась первым методом, реально обеспечивающим визуализацию структуры объектов с атомным разрешением. К этому методу примыкают различные модификации электронной микроскопии, обеспечивающие проведение химического анализа нанообъектов, исследования in situ, поверхностно-чувствительные методы, такие как отражательная электронная микроскопия, микроскопия медленных электронов и другие. Во многих случаях электронная микроскопия высокого разрешения является единственным источником по лучения информации о внутренней структуре и структуре границ раздела таких нанообъектов, как квантовые ямы и квантовые точки;
• методы сканирующей электронной микроскопии, которые вплотную приближаются по разрешению к атомному разрешению, сохраняя возможность получения информации без существенного (разрушающего) воздействия на исследуемые объекты с получением разнообразной информации о химическом составе нанообъектов, их электрических (метод наведенного тока), оптических (катодолюминесценция) и других свойствах. Для получения информации об объеме нанообъектов развиты методы электронной томографии;
• сканирующая туннельная микроскопия, являющаяся поверхностно-чувствительным методом визуализации атомной структуры твердых тел; проведение спектроскопических исследований с атомным разрешением вместе с привлечением возможностей для in situ экспериментов при повышенных и пониженных температурах, использование других методов зондовой микроскопии и возможности манипулирования на уровне отдельных атомов делает эти методы важнейшим инструментом для нанотехнологий и нанодиагностики;
• рентгендифракционные методы, особенно с использованием высокой светимости синхротронных источников, они дают уникальную информацию об атомной структуре нанообъектов без их разрушения;
• методы электронной спектроскопии для химического анализа, ожеэлектронной спектроскопии, методы фотоэлектронной спектроскопии, романовской и ИК-спектроскопии, метод фотолюминесценции, которые активно развиваются с повышением разрешающей способности, что делает эти методы весьма полезными при диагностике нанообъектов.
Дальнейшее развитие всевозможных методов диагностики (в частности, диагностики, встроенной в технологию), учитывающих специфику нанообъектов и их характерные размеры, является неотъемлемой частью развития высоких технологий получения и анализа свойств наноструктур нового поколения. При этом формирование комплексных методов практической диагностики диктуется как технологическими задачами получения наноструктур и создания на их базе следующего поколения электронных и оптических устройств (транзисторов, лазеров и др.), так и их специфическими физическими, физико-химическими и топологическими свойствами, часто не укладывающимися в рамки стандартных представлений о свойствах вещества.
Заключение
В заключение необходимо еще раз подчеркнуть, что развитие науки о наноструктурах и, прежде всего, о квантовых наноструктурах (нанофизики) и нанотехнологий даст возможность получения наноматериалов с качественно новыми свойствами. Развитие наноэлектроники и наномеханики послужит основой качественно нового этапа в разработке новейших информационных технологий, средств связи, в решении проблем качественно нового уровня жизни и пр. Успех в развитии этих направлений определится, по сути, решением двух основных проблем: разработка надежных способов создания наноматериалов и нанообъектов с требуемыми свойствами, включая использование методов поатомной сборки и эффектов самоорганизации; разработка новых и развитие существующих методов нанодиагностики с атомным разрешением. Современный прогресс в области нанотехнологий позволяет надеяться, что уже в недалеком будущем многие проблемы будут решены.
1.2. О развитии работ в России в области
наноматериалов и нанотехнологий
А.В.Путилов
В "Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу", утвержденных Президентом Российской Федерации В.В.Путиным в марте 2002 года, было особо подчеркнуто, что в современных условиях достижения науки и технологий стали определять динамику экономического роста, уровень конкурентоспособности государств в мировом сообществе, степень обеспечения их национальной безопасности и равноправной интеграции в мировую экономику. В последнее время одной из наиболее динамично развивающихся областей знания стала сфера изучения наноразмерных объектов и систем (наноприставка от определения нанометра 10-9 м), которые при этом проявляют принципиально новые свойства и обладают огромным потенциалом в будущем раз витии реального сектора экономики. Разработанный проект концепции инновационного развития результатов в области исследований и разработок наноматериалов и нанотехнологий направлен на ускорение реализации отечественных достижений на практике.
В России в рамках федеральных целевых программ госзаказчиком, в которых выступает Минпромнауки России, успешно развивается целый ряд направлений разработки нанотехнологий, исследования наноструктур, создания наноматериалов. Особо важное место в исследованиях и разработках в области наноматериалов и нанотехнологий занимают институты РАН, работающие в рамках академических программ "Низкоразмерные квантовые структуры", "Наноматериалы и супрамолекулярные системы" и др. Оценкой глубины отечественного научного задела стало присуждение Нобелевской премии академику Ж.И.Алферову. Организации Минатома России также актив но проводят работы в области ультрадисперсных (нано-) материалов в соответствии с отраслевой целевой программой "Ультрадисперсные (нано-) материалы и нанотехнологий". Минобразования России поддерживает исследования наносистем в ряде ведущих ВУЗов; Минобороны России поддерживает исследования в области нанотехнологий оборонной направленности.
В рамках ФЦНТП "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 гг. проводятся работы, имеющие непосредственное отношение к совершенствованию элементной базы микро- и наноэлектроники, развиваются на базе представлений о наносистемах разделы: "Физика твердотельных наноструктур"; "Физика твердого тела"; "Современные проблемы науки о поверхности"; "Фуллерены и нанотрубки"; "Технологии живых систем"; "Новые материалы" и др. Ряд важных исследований осуществляется в рамках ФЦП "Национальная технологическая база".
Среди важнейших отечественных достижений в области наноматериалов и нанотехнологий, выполняемых научными, образовательными и научно-технологическими организациями России, можно выделить следующие.
ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН совместно с другими академическими институтами проводит интенсивные исследования по созданию новых приборов наноэлектроники в диапазоне минимальных размеров элементов 5-0,5 нм и методов их массового производства. Реальное применение структуры с квантовыми точками уже получили в полупроводниковых гетероструктурных лазерах. В этой области российскими учеными получены новые крупные результаты. Так, в ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН, ИФП СО РАН, Физическом институте им. Н.П.Лебедева РАН, ИРЭ РАН, МИРЭА, МИЭТ и др. развиты технологии получения гетероструктур на различных материалах, созданы гетероструктурные приборы с уникальными свойствами – полупроводниковые лазеры, гетероструктурные фотоприемники, гетероструктурные сверхскоростные транзисторы с двухмерным электронным газом в канале, созданы образцы одноэлектронных транзисторов, работающие при комнатной температуре (МГУ им. М.В.Ломоносова, ФТИ им. А.Ф.Иоффе, ИРЭ РАН, ИФП СО РАН).
Принципиальным результатом, достигнутым в отечественном научно-техническом комплексе, стало создание нанотехнологических при боров и установок: были развиты основы микро механики и разработаны сканирующие зондовые, туннельные и атомно-силовые микроскопы (фирма НТ-МДТ, ГНЦ ГНИЙ Физических проблем им. Ф.В.Лукина), что обеспечило сильный им пульс к развитию целого ряда направлений прорывного характера.
ИФМ РАН, МГУ им. М.В.Ломоносова развиты научные основы диагностики наноструктур, сделан крупный научный задел в области металлической наноэлектроники (ИПТМ РАН, Институт физики металлов УРО РАН). Все это было достигнуто во многом благодаря разработке и серийному производству отечественных конкурентоспособных многокамерных установок молекулярно-пучковой эпитаксии в ИФП СО РАН, НИТИ (г. Рязань). РосМЦ (г. Томск) совместно с ИФПМ СО РАН разработаны технологии нанокристаллических титановых имплантантов и особо стойких наноструктурных покрытий для изделий общемашиностроительного применения.
Отечественные ученые создали собственные теоретические и экспериментальные заделы в области твердотельных элементов квантовых компьютеров (ФТИ РАН, ИФТТ РАН), квантовой связи, квантовой криптографии. Технологии атомного масштаба (0,5-0,1 нм) открывают абсолютно новые перспективы в этой сфере.
В ГНЦ РНЦ "Курчатовский институт" про водятся исследования и разработки с целью получения устройств с размерами элементов нанометрового диапазона на основе альтернативной технологии по сравнению с оптической литографией, на основе открытого явления "селективного удаления атомов" разработаны основы оригинальной технологии изготовления наноустройств.
В Институте кристаллографии РАН созданы устройства для использования синхротронного излучения при исследовании свойств и структуры объектов нанотехнологии различными методами, разрабатываются компьютерные методы моделирования интерпретации экспериментальных данных, а также аппаратурные средства для получения кристаллов белков и двумерных кристаллических белковых структур, включая решение задач нанодиагностики характерных нанообъектов.
В Институте металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова РАН разрабатываются новые методы получения наноматериалов: синтез и компактирование ультрадисперсных порошков, получение наноматериалов методами интенсивной пластической деформации, кристаллизация из аморфного состояния, пленочная нанотехнология. Институт химии силикатов им. И.В.Гребенщикова РАН интенсивно проводит материаловедческие работы в области "интеллектуальных материалов", ультрадисперсного состояния и супрамолекулярной химии, коллоидных систем, а также разрабатывает теоретические принципы строения частиц с наноразмерами, учитывающие размер как физико-химический фактор.
В ряде государственных научных центрах Российской Федерации (ЦНИИчермет им. И.П.Бардина, "Гиредмет", ВНИИНМ им. А.А.Бочвара, НИФХИ им. Л.Я.Карпова и др.) ведутся работы по получению и исследованиям свойств в нанокристаллических гибридных композитах, выявлению количественных критериев последовательного превращения металлических сплавов в аморфное и нанокристаллическое состояние; разработан уникальный способ получения нанокристаллического бериллия и алюминия с размерами структурных элементов около 100 нм.
В области медицины, генетики и экологии также велись исследования и разработки наносистем (ИМБ РАН, ГНЦ ГНИЙ "Генетика" и др.). Созданы образцы так называемых "биочипов", разработаны технологии выделения мономолекулярных кристаллических упорядоченных белковых структур бактериального происхождения и их использования в нанотехнологиях в областях микро электроники, микро- и наномеханических устройств, биосенсоров, биотехнологии.
Результаты анализа свидетельствуют, что отечественные разработки находятся на уровне мировых достижений и нуждаются в особой поддержке, включая выделение отдельной бюджетной строки субвенций (на 2004 бюджетный год), так как программный принцип (ФЦНТП, ФЦП) государственной поддержки не в полной мере позволяет стимулировать быстроразвивающиеся области науки о наносистемах.
Россия в настоящее время располагает достаточным научно-технологическим заделом и кадровым потенциалом для целенаправленного инновационного использования результатов научных исследований в области наноматериалов и нанотехнологии, являющихся основой высоких технологий будущего. Этот вывод базируется также на известных интеллектуальных конкурентных преимуществах России и уже сделанных в прошлые годы крупных инвестиционных вложениях в создание специального исследовательского оборудования, приборостроения и инструментария. В ряде случаев это исследовательское оснащение позволяет решать и технологические задачи.
К таким инструментам, ориентированным на решение конкретных задач в области наноматериалов, микро- и наноэлектроники, нанотехнологии, можно отнести источники синхротронного излучения (в Москве и Новосибирске, завершается строительство в Зеленограде), развитую сканирующую туннельную спектроскопию, зондовые микроскопы высокой разрешающей способности, атомно-силовую микроскопию, микромеханику на основе кремниевых систем и другие методы, используемые в том числе, в качестве инструментария развития нанотехнологий.
Специализированный источник синхротронного излучения в РНЦ "Курчатовский институт" располагает экспериментальными станциями для проведения работ в области белковой кристаллографии, прецизионной рентгеновской оптики, рентгеновской кристаллографии и физического материаловедения, топографии, микрополиграфии и других применяемых рентгеновских методов исследований, на которых решается широкий спектр научно-технологических проблем.
Электронная литография пока еще – лабораторная технология, но развиваясь в направлении оптической литографии в области экстремального ультрафиолета или мягкого рентгена, может уже через несколько лет стать промышленной технологией. Прецизионный электронный литограф, вакуумный туннельный и атомно-силовой микро скопы, установка атомно-слоевой эпитаксии, одноионный имплантер будут использоваться для создания твердотельных элементов квантовых компьютеров, квантовой связи и квантовой криптографии. Молекулярно-пучковая эпитаксия может стать основой для выращивания полупроводниковых наногетероструктур. Метод магнито- и гетероядерной спектроскопии ЯМР может быть использован для изучения структуры и внутримолекулярного движения атомов и генной инженерии. Создана уникальная зондовая установка для проведения локальных химических процессов по лучения наноструктур из особо чистых элементоорганических соединений (на ней проводятся работы по изготовлению базовых наноизделий для наноэлектронных и нанооптических приборов).
Разработаны измерительные голографические дифракционные решетки в нанодиапазоне чувствительности измерительных систем, не имеющих аналогов за рубежом. В 2001 г. Госстандарт России ввел в государственный реестр голографические субмикрометры как новый тип "длинномеров" голографических ДГ-30, ДГ-100, ДГ-200 и выдал сертификат об утверждении типа средств измерений.
Все перечисленные и другие имеющиеся эффективные методы исследований и инструментарий для получения наноструктурных материалов, покрытий и нанотехнологий, включая серьезные заделы по приборостроению, метрологическому обеспечению и нанодиагностике, являются основной технологической базой проведения полномасштабных исследований и разработок.
Многое специальное оборудование и инструменты исследования наносистем находятся в ведении научных организаций различных министерств и ведомств, которые проводят исследования по своим ведомственным программам. Вместе с тем, особенностью наносистем является их междисциплинарный характер не только в сфере широкого промышленного использования научных результатов, но самое главное в том, что исследования проводятся на стыке таких разделов наук как физика, химия, квантовая механика, оптика, электроника, информатика, генетика, биология и медицина. Координация со стороны Минпромнауки России исследований и разработок в этой сфере может существенно ускорить получение практически значимых результатов.
Взаимное проникновение и обмен результатами различных методов исследований, инструментарием и технологическими приемами позволит интегрировать действия и усилия научных коллективов и располагаемого отечественного научно-технологического задела и потенциала для развития в России высокотехнологичных отраслей экономики и производства конкурентоспособной наукоемкой продукции и услуг.
Организационно такая задача может быть решена согласованием действий заинтересованных министерств и ведомств путем образования центров коллективного пользования (ЦКП) и оснащения их специализированным исследовательским и приборным оборудованием, в том числе и технологическим. Эти ЦКП целесообразно создавать на базе действующих в различных организациях подразделений, имеющих квалифицированный персонал и соответствующее оборудование. Они могли бы в дальнейшем разрабатывать и развивать отечественное специальное исследовательское и инструментальное оборудование под решение конкретных задач. Аналогичные подходы мог ли бы быть реализованы на базе действующих или создаваемых технопарков и инновационно-технологических центров соответствующей научно-технологической специализации. Одновременно ЦКП совместно с образовательными учреждениями Минобразования России могут решать за дачи по материальному обеспечению подготовки и переподготовки кадров специалистов высшей квалификации, практических занятий студентов и аспирантов.
Минпромнауки России осуществляет с Европейским союзом (ЕС) деятельность по совместной поддержке приоритетных разработок, среди приоритетов выделяется сфера нанотехнологий. В 2003 г. планировалось провести согласование с ЕС механизмов и порядка финансирования российских участников таких совместных проектов. Кроме того, представляется целесообразным в течение 2003 г. провести инвентаризацию полученных результатов научно-технологической деятельности в области наноматериалов и нанотехнологий, определить перечень наиболее готовых к практической реализации разработок и наметить первоочередные меры по формированию механизмов их продвижения в отечественную промышленность, что в условиях назревающей технологической революции позволит создать базис для реализации научно-технологических приоритетов России в XXI веке и сформировать рынки конкурентоспособной наукоемкой продукции новых поколений.
Для осуществления координации работ по наносистемам, выполняемых различными министерствами и ведомствами, крупными научными коллективами, необходимо сформировать Научно-координационный совет "Наноматериалы, нанотехнологии и основы наноиндустрии", который будет осуществлять межведомственную координацию работ в области развития наноматериалов и нанотехнологий как основы формирования новых технологических укладов в хозяйствующих субъектах реального сектора экономики по рассматриваемой проблеме.
1.3. Развитие в России работ в области нанотехнологий
С.М.Алфимов, B.А.Быков, Е.П.Гребенников,
C.И.Желудева, П.П.Мальцев, В.Ф.Петрунин
Введение
Стратегическими национальными приоритетами Российской Федерации, изложенными в утвержденных 30 марта 2002 г. Президентом Российской Федерации "Основах политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу" [1], являются: повышение качества жизни населения, достижение экономического роста, развитие фундаментальной науки, образования и культуры, обеспечение обороны и безопасности страны.
Одним из реальных направлений достижения этих целей может стать ускоренное развитие нанотехнологий на основе накопленного научно-технического задела в этой области и внедрение их в технологический комплекс России [2-4].
В основе такого подхода лежат:
• использование особенностей свойств вещества (материалов) при уменьшении его размеров до нанометрового масштаба;
• ряд выдающихся открытий последних лет в области физики низкоразмерных систем и структур
• (целочисленный и дробный квантовые эффекты Холла, квазичастицы с дробным зарядом и др.);
• разработка приборов и устройств на основе квантовых наноструктур (лазеры на квантовых точках, сверхбыстродействующие транзисторы, запоминающие устройства на основе эффекта гигантского магнитосопротивления);
• появление и развитие новых технологических приемов (приемы и методы, базирующиеся на
• принципах самосборки и самоорганизации; методы, основанные на зондовой микроскопии и технике сфокусированных ионных пучков; LIGA-технологии как последовательность процессов литографии, гальваники и формовки) и диагностических методов (сканирующая зондовая микроскопия/спектроскопия; рентгеновские методы с использованием синхротронного излучения; электронная микроскопия высокого разрешения; фемтосекундные методы);
• создание новых материалов с необычными свойствами (фуллерены, нанотрубки, нанокерамика) и конструкционных наноматериалов с рекордными эксплуатационными характеристиками.
Развитие перечисленных и близких к ним направлений науки, техники и технологий, связанных с созданием, исследованиями и использованием объектов с наноразмерными элементами, уже в ближайшие годы приведет к кардинальным изменениям во многих сферах человеческой деятельности в материаловедении, энергетике, электронике, информатике, машиностроении, медицине, сельском хозяйстве, экологии.
Новейшие нанотехнологий наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями являются фундаментом научно-технической революции в XXI веке, сравнимым и даже превосходящим по своим масштабам с преобразованиями в технике и обществе, вызванными крупнейшими научными открытиями XX века.
В развитых странах осознание ключевой роли, которую уже в недалеком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к разработке широкомасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки.
Так, в 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой и рассматриваемая как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия. К настоящему времени бюджетное финансирование этой программы увеличилось по сравнению с 2000 г. в 2,5 раза и достигло в 2003 г. 710,9 млн долл., а на четыре года, начиная с 2005 г., планируется выделить еще 3,7 млрд долл. Аналогичные программы приняты Европейским союзом, Японией, Китаем, Бразилией и рядом других стран.
В России работы по разработке нанотехнологий начаты еще 50 лет назад, но слабо финансируются и ведутся только в рамках отраслевых программ. К настоящему времени назрела необходимость формирования программы общефедерального масштаба с учетом признания важной роли нанотехнологий на самом высоком государственном уровне.
Широкомасштабное и скоординированное развертывание на базе существующего задела работ в области нанотехнологий позволит России восстановить и поддерживать паритет с ведущими государствами в науке и технике, ресурсо- и энергосбережении, в создании экологически адаптированных производств, в здравоохранении и производстве продуктов питания, уровне жизни населения, а также обеспечит необходимый уровень обороноспособности и безопасности государства.
Нанотехнологий могут стать мощным инструментом интеграции технологического комплекса России в международный рынок высоких технологий, надежного обеспечения конкурентоспособности отечественной продукции.
Разработка и успешное освоение новых технологических возможностей потребует координации деятельности на государственном уровне всех участников нанотехнологических проектов, их всестороннего обеспечения (правового, ресурсного, финансово-экономического, кадрового), активной государственной поддержки отечественной продукции на внутреннем и внешнем рынках.
Формирование и реализация активной государственной политики в области нанотехнологий позволит с высокой эффективностью использовать интеллектуальный и научно-технический потенциал страны в интересах развития науки, производства, здравоохранения, экологии, образования и обеспечения национальной безопасности России.
В статье используются следующие термины:
• нанотехнология совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба;
• наноматериалы материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками;
• наносистемная техника полностью или частично созданные на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям.
Актуальность и важность указанных работ определили необходимость включения научных направлений, связанных с нанотехнологиями, в Перечень критических технологий Российской Федерации, утвержденный Президентом Российской Федерации.
Разработка и применение нанотехнологий и связанных с ними направлений науки, техники и производства позволят достичь следующих основных целей:
♦ в сфере политики:
• укрепление позиций России в группе государств-лидеров мирового развития;
• повышение рейтинга России в международном разделении труда;
♦ в сфере экономики:
• изменение структуры валового внутреннего продукта в сторону увеличения доли наукоемкой продукции;
• повышение эффективности производства;
• переориентация российского экспорта, сырьевых ресурсов на конечную высокотехнологичную продукцию и услуги путем внедрения наноматериалов и нанотехнологий в технологические процессы российских предприятий;
♦ в сфере национальной безопасности:
• обеспечение экономической и технологической безопасности на базе широкого внедрения нанотехнологий в модернизацию используемого и создание нового, более эффективного оборудования;
• повышение степени безопасности государства путем широкого внедрения наносенсорики для эффективного контроля присутствия следов взрывчатых веществ, наркотиков, отравляющих веществ в условиях угроз террористических актов, техногенных катастроф и других факторов внешнего воздействия;
• совершенствование имеющегося вооружения и создание новое военной и специальной техники;
♦ в социальной сфере:
• повышение качественных показателей жизни и экологической безопасности населения путем внедрения в практическое здравоохранение систем диагностики, базирующихся на нанотехнологиях и предназначенных для раннего обнаружения тяжелых и хронических заболеваний (ранняя диагностика рака, гепатита, сердечно-сосудистых заболеваний, аллергии), профилактики и лечения, а также развитие производства новых препаративных форм лекарств и витаминов;
• создание новых рабочих мест для высококвалифицированного персонала инновационных предприятии, создающих продукцию с использованием нанотехнологий;
• в сфере образования и науки:
• развитие фундаментальных представлений о новых явлениях, структуре и свойствах наноматериалов;
• формирование научного сообщества, подготовка и переподготовка кадров, нацеленных на решение научных, технологических и производственных проблем нанотехнологий, создание наноматериалов и наносистемной техники, с достижением на этой основе мирового уровня в фундаментальной и прикладной науках;
• распространение знаний в области нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.
Эффективное достижение намеченных целей потребует системного подхода к решению целого ряда взаимоувязанных задач, основными из которых являются:
• координация работ в области создания и применения нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники;
• создание научно-технической и организационно-финансовой базы, позволяющей сохранить и развивать имеющийся в России приоритетный задел в исследованиях и применении нанотехнологий; развитие бюджетных и внебюджетных фондов, поощряющих и развивающих исследования в области наноматериалов и нанотехнологий и стимулирующих вклады инвесторов;
• формирование инфраструктуры для организации эффективных фундаментальных исследований, поиска возможных применений их результатов, развития новых нанотехнологий и их быстрой коммерциализации;
• поддержка межотраслевого сотрудничества в области создания наноматериалов и развития нанотехнологий;
• обеспечение заинтересованности в решении научных, технологических и производственных проблем развития нанотехнологий и наноматериалов путем либерализации налоговой политики, оптимизации финансовой политики; создание системы защиты интеллектуальной собственности;
• разработка и внедрение новых подходов к обучению специалистов в области нанотехнологий.
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;
♦ 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;
♦ 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);
♦ 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);
♦ 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 симетрии 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;
♦ 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 источнков 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 биомембранклеток 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).
Перспективы использования нанотехнологий
Использование возможностей нанотехнологий может уже в недалекой перспективе принести резкое увеличение стоимости валового внутреннего продукта и значительный экономический эффект в следующих базовых отраслях экономики.
В машиностроении увеличение ресурса режущих и обрабатывающих инструментов с помощью специальных покрытий и эмульсий, широкое внедрение нанотехнологических разработок в модернизацию парка высокоточных и прецизионных станков. Созданные с использованием нанотехнологий методы измерений и позиционирования обеспечат адаптивное управление режущим инструментом на основе оптических измерений обрабатываемой поверхности детали и обрабатывающей поверхности инструмента непосредственно в ходе технологического процесса. Например, эти решения позволят снизить погрешность обработки с 40 мкм до сотен нанометров при стоимости такого отечественного станка около 12 тыс. долл. И затратах на модернизацию не более 3 тыс. долл. Равные по точности серийные зарубежные станки стоят не менее 300-500 тыс. долл. При этом в модернизации нуждаются не менее 1 млн активно используемых металлорежущих станков из примерно 2,5 млн станков, находящихся на балансе российских предприятий.
В двигателестроении и автомобильной промышленности за счет применения наноматериалов, более точной обработки и восстановления поверхностей можно добиться значительного (до 1,5-4 раз) увеличения ресурса работы автотранспорта, а так же снижения втрое эксплуатационных затрат (в том числе расхода топлива), улучшения совокупности технических показателей (снижение шума, вредных выбросов), что позволяет успешнее конкурировать как на внутреннем, так и на внешнем рынках.
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.
В энергетике (в том числе атомной) наноматериалы используются для совершенствования технологии создания топливных и конструкционных элементов, повышения эффективности существующего оборудования и развития альтернативной энергетики (адсорбция и хранение водорода на основе углеродных наноструктур, увеличение в несколько раз эффективности солнечных батарей на основе процессов накопления и энергопереноса в неорганических и органических материалах с нанослоевой и кластерно-фрактальной структурой, разработка электродов с развитой поверхностью для водородной энергетики на основе трековых мембран). Кроме того, наноматериалы применяются в тепловыделяющих и нейтронопоглощающих элементах ядерных реакторов; с помощью нанодатчиков обеспечивается охрана окружающей среды при хранении и переработке отработавшего ядерного топлива и мониторинга всех технологических процедур для управления качеством сборки и эксплуатации ядерных систем; нанофильтры используются для разделения сред в производстве и переработке ядерного топлива.
В сельском хозяйстве применение нанопрепаратов стероидного ряда, совмещенных с бактериородопсином, показало существенное (в среднем 1,5-2 раза) увеличение урожайности практически всех продовольственных (картофель, зерновые, овощные, плодово-ягодные) и технических (хлопок, лен) культур, повышение их устойчивости к неблагоприятным погодным условиям. Например, в опытах на различных видах животных показано резкое повышение их сопротивляемости стрессам и инфекциям (падеж снижается в 2 раза относительно контрольных групп животных) и повышение продуктивности по всем показателям в 1,5-3 раза.
В здравоохранении нанотехнологий обеспечивают ускорение разработки новых лекарств, создание высокоэффективных нанопрепаративных форм и способов доставки лекарственных средств к очагу заболевания. Широкая перспектива открывается и в области медицинской техники (разработка средств диагностики, проведение нетравматических операций, создание искусственных органов). Общепризнано, что рынок здравоохранения является одним из самых значительных в мире, в то же время он слабо структурирован и в принципе "не насыщаем", а решаемые задачи носят гуманитарный характер.
В экологии перспективными направлениями являются использование фильтров и мембран на основе наноматериалов для очистки воды и воздуха, опреснения морской воды, а также использование различных сенсоров для быстрого биохимического определения химического и биологического воздействий, синтез новых экологически чистых материалов, биосовместимых и биодеградируемых полимеров, создание новых методов утилизации и переработки отходов. Кроме того, существенное значение имеет перспектива применения нанопрепаративных форм на основе бактериородопсина.
Исследования, проведенные с натуральными образцами почв, пораженных радиационно и химически (в том числе и чернобыльскими), показали возможность восстановления их с помощью разработанных препаратов до естественного состояния микрофлоры и плодоносности за 2,5-3 месяца при радиационных поражениях и за 5-6 месяцев при химических.
Ключевые проблемы развития нанотехнологий в России
Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям свидетельствует о необходимости вьщеления некоторых ключевых проблем в области разработки наноматериалов и нанотехнологий.
Первая проблема формирование круга наиболее перспективных их потребителей, которые могут обеспечить максимальную эффективность применения современных достижений. Необходимо выявить, а затем и сформировать потребности общества в развитии нанотехнологий и наноматериалов, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и безопасность государства.
Вторая проблема — повышение эффективности применения наноматериалов и нанотехнологий. На начальном этапе стоимость наноматериалов будет выше, чем обычных материалов, но более высокая эффективность их применения будет давать прибыль. Поэтому необходимо среднесрочное и долгосрочное финансирование НИОКР по наноматериалам и нанотехнологиям с выбором способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования. Государство заинтересовано в быстрейшем развитии перспективного направления, поэтому оно должно взять на себя основные расходы на проведение фундаментальных и прикладных исследований, формирование инноваций.
Третья проблема собственно разработка новых промышленных технологий получения наноматериалов, которые позволят России сохранить некоторые приоритеты в науке и производстве.
Четвертая проблема обеспечение перехода от микротехнологий к нанотехнологиям и доведение разработок нанотехнологий до промышленного производства, особенно в области электроники и информатики.
Пятая проблема широкомасштабное развитие фундаментальных исследований во всех областях науки и техники, связанных с развитием нанотехнологий.
Шестая проблема создание исследовательской инфраструктуры, включая:
• организацию центров коллективного пользования уникальным технологическим и диагностическим оборудованием;
• современное приборное оснащение научных и производственных организаций инструментами и приборами для проведения работ в области нанотехнологий;
• обеспечение доступа научно-технического персонала к синхротронным и нейтронным источникам (как российским, так и зарубежным), к сверхпроизводительным вычислительным комплексам;
• разработку специальной метрологии и государственных стандартов в области нанотехнологий;
• развитие физических и аппаратурно-методических основ адекватной диагностики наноматериалов на базе электронной микроскопии высокого разрешения, сканирующей электронной и туннельной микроскопии, поверхностно-чувствительных рентгеновских методик с использованием синхротронного излучения, электронной микроскопии для химического анализа, электронной спектроскопии, фотоэлектронной спектроскопии.
Седьмая проблема создание финансово-экономического механизма формирования оборотных средств у институтов и предприятий-разработчиков наноматериалов и нанотехнологий, а также развитие инфраструктуры, обеспечивающей поддержку инновационной деятельности в этой сфере на всех ее стадиях от выполнения научно-технических разработок до реализации высокотехнологической продукции.
Восьмая проблема привлечение, подготовка и закрепление квалифицированных научных, инженерных и рабочих кадров для обновленного технологического комплекса Российской Федерации.
Для выработки и практической реализации необходимых и достаточных мер в области создания и развития нанотехнологий должна быть сформирована государственная политика, которая, в свою очередь, должна рассматриваться как часть государственной научно-технической политики, определяющей цели, задачи, направления, механизмы и формы деятельности органов государственной власти Российской Федерации по поддержке научно-технических разработок и использованию их результатов.
К таким мерам прежде всего необходимо отнести:
• разработку и реализацию материально-технического обеспечения работ в области нанотехнологий с максимальным учетом возможностей кооперации в использовании уникального сверхдорогостоящего научного и экспериментально-исследовательского оборудования;
• подготовку, повышение квалификации, привлечение и закрепление кадров (прежде всего молодых специалистов) в области нанотехнологий для их использования в научной и промышленной сферах;
• изучение рынка наукоемкой продукции в части нанотехнологий с использованием методов прогнозирования и технико-экономической оценки;
• анализ современного состояния научно-исследовательских работ фундаментального и прикладного профиля в соответствии с общими отечественными и мировыми тенденциями в развитии данного направления, а также результативности законченных исследовании и их дальнейшей перспективности;
• определение приоритетных ориентированных направлений в области нанотехнологий, результаты которых могут быть использованы в ближайшее время, среднесрочной и дальней перспективе, а также в фундаментальных и поисковых исследованиях;
• разработку и использование системы координации и кооперации проводимых исследований в области нанотехнологий;
• создание и использование экспертных систем и баз данных как информационного возобновляемого ресурса в области последних достижений, связанных с разработкой и применением нанотехнологий в стране и за рубежом;
• отработку систем взаимодействия государства с предпринимательским сектором экономики в целях формирования рынка нанотехнологий, привлечения внебюджетных средств для проведения исследований и организации соответствующих производств; разработку мер по активизации участия бюджетных и внебюджетныхфондов и частных инвесторов на всех стадиях разработки и освоения нанотехнологий;
• разработку системы мер по организации эффективного взаимовыгодного международного сотрудничества в области исследований и практического использования нанотехнологий.
Работы в области развития нанотехнологий могут быть организованы по следующей схеме:
• на первом этапе (начиная с 2005 г.) включить в состав федеральной целевой научно-технической программы "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития науки и техники" на 2002-2006 годы специальный раздел по развитию работ, связанных с созданием и использованием нанотехнологий, сконцентрировав в нем интеллектуальные, финансовые и материально-технические ресурсы в данной области;
• на втором этапе, учитывая масштабность задач по развитию фундаментальных исследований, прикладных технологических работ и созданию инновационной инфрастрактуры, разработать самостоятельную программу федерального уровня (на 2006-2010 гг.), учитывающей программы, реализуемые федеральными органами исполнительной власти, субъектами РФ и отдельными организациями различных форм собственности с условным названием "Нанотехнологий".
Программа должна включать фундаментальные исследования, прикладные исследования и разработки, внедрение и организацию производства, а также вопросы, связанные с подготовкой и привлечением высококвалифицированных кадров. Подготовка и согласование элементов данной программы могла бы быть начата уже в 2004 г. со сроком представления окончательного варианта в 2005 г.
Предлагаемый порядок организации и исполнения работ обусловлен тем, что на сегодняшний день развитие нанотехнологий как научно-технического направления во многом еще находится на стадии поиска и даже осознания возможных путей его реализации как в чисто научном плане, так и в достижении потенциально значимых практических результатов и поэтому требует активного участия государства с использованием всех возможных форм и методов государственного управления и поддержки.
Итогом реализации национальной программы должно стать перевооружение ведущих отраслей промышленности на основе широкого внедрения нанотехнологий.
Для разработки и практической реализации перечисленных и иных мер, обеспечения координации органов государственной власти в решении проблем, связанных с развитием отечественной науки и экономики, необходимо создание Межведомственного Совета по нанотехнологиям. В состав Совета и его секций должны входить ученые и специалисты Российской академии наук, высшей школы и промышленности, федеральных органов исполнительной власти, субъектов Российской Федерации и представителей деловых кругов.
Перечисленные выше проблемы обсуждались на Круглом столе "Нанотехнологий" 20 мая 2004 г. в рамках выставки "Перспективные технологии XXI века" (ВВЦ, г. Москва), организованной Министерством образования и науки Российской Федерации.
Список литературы
1. Основы политики Российской Федерации в области науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую песпективу // Поиск. 2002. №16 (19 апреля).
2. Алферов Ж.И., Асеев А.Л., Гапонов С.В., Копьев П.С, Панов В.И., Полторацкий Э.А., Сибельдин Н.Н., Сурис Р.А. Наноматериалы и нанотехнологий // Микросистемная техника. 2003. №8. С. 3-13.
3. Нанотехнология в ближайшем десятилетии. Прогноз направления развития / Под ред. М.К.Роко, Р.С.Уильямса и П.Аливисатоса: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 292.
4. Глинк Б., Пастернак Дж. Молекулярная биотехнология. Принципы и применение: Пер. с англ. М.: Мир, 2002. С. 589.
1.4. О терминологии: наночастичы, наносистемы,
нанокомпозиты, нанотехнологии
В.Я.Шевченко
Прежде всего о терминологии. Названия наноструктуры, наносистемы (под наносистемами мы подразумеваем ансамбли наночастиц, агрегаты наночастиц, структурные образования из атомных и молекулярных образований, кластеров и т.п.), нанокомпозиты, наноматериалы или нанотехнологии все-таки производные. Ученые оперируют понятием "вещество", которое является универсальным, а уже потом из этого вещества можно с помощью определенной технологии приготовить материал, а из него изделие (структуру).
Проблема наносостояния не новая для материаловедения. Наверное, R.Zsigmondy в 1925 г. и Т.Svedberg в 1926 г. были первыми, кто получил Нобелевские премии за важные наблюдения в химии дисперсных (нано) систем. До нынешних дней более десяти химиков получили премии за исследование тех или иных аспектов наносостояния. Химики внесли больший вклад в исследованную проблему, чем физики. К химикам-неорганикам и химикам-органикам следует подключить также и химиков-биологов. За 70-80 лет химики синтезировали несколько сот различных нанообъектов частиц, материалов, структур. Это кентавры, коацерваты, тактоиды, фазоиды, аллофены, гигантские кластеры, фуллерены, фумароиды, нанотрубки и т.п. Важно, что все это многообразие форм существует в узком интервале размеров (наноразмеров) либо состоит из наноэлементов структуры.
Для неорганической химии переход в масштаб наноразмеров позволил обнаружить многие новые структурные типы, строение которых не соответствует незыблемым в макромире законам классической (обобщенной) кристаллографии.
Наночастицы демонстрируют самые разнообразные структурные элементы одномерные, двумерные, трехмерные, фрактальные и всевозможные их комбинации. Что же предопределяет такое многообразие структур в наномире? Ответ на этот вопрос кроется в квантовом характере наносостояния и особых статистических законах, доминирующих в наномире. Наносистемы далеки от равновесия вследствие наличия развитой поверхности. Положения атомов вблизи поверхности отличны геометрически и физически от положений в объеме кристалла. Состав приповерхностного слоя не соответствует стехиометрическому составу химического соединения. Глубина модуляции структуры может простираться на несколько моноатомных слоев. Такие эффекты позволяют говорить о существовании неавтономных поверхностных фаз и о псевдоморфном сопряжении их с внутренней частью частицы.
Ограничение требований регулярности трансляционной симметрии приводит к появлению икосаэдрических форм упаковки с пентагональной симметрией для неорганических частиц. Реализуются также наночастицы кентавры с когерентными границами раздела между структурными фрагментами различной симметрии. Для того чтобы представить, как это происходит, используют художественные образы, обращаясь к фантастическому (а теперь реальному) миру метаморфоз, развитых выдающимся голландским художником Морисом Эшером, в рисунках которого показано постепенное изменение симметрии при трансляции (метаморфозе).
Дуализм состояний наноструктуры, наночастиц определяет случайный характер их образования, что означает временную зависимость параметров системы. Для теоретического анализа наносостояния необходимо преодолеть трудности концептуального характера. Главное, что они известны.
В 1959 г. Нобелевский лауреат Р. Фейнман сказал, что "полно игрушек на полу в комнате", объясняя тем самым, что в области малых размеров много интересного. Многие считают это началом наноэпохи. Это все же не так.
В 1977 г. другой Нобелевский лауреат Илья Пригожий сказал, что "мы знаем, где дверь в эту комнату".
За последние 20 лет были развиты методы микроскопии высокого разрешения и методы изучения фемтосекундных физических и химических процессов. Это позволяет изучать наносостояние с открытыми глазами и определить многие свойства, необходимые для следующего шага – перехода к нанотехнологиям. Так что можно утверждать теперь дверь в комнату Р.Фейнмана открыта.
Итак, что же сейчас понимают под нанотехнологиями? Чисто формально в сферу этой деятельности попадают объекты с характерными размерами R (хотя бы вдоль одной координаты), измеряемыми нанометрами (1 нм = 10 9 м = 10 Å). Реально диапазон рассматриваемых объектов и явлений гораздо шире от отдельных атомов (R < 0,1 нм) до их конгломератов и органических молекул, содержащих более 109 атомов и имеющих размеры гораздо более 1 мкм в одном или двух измерениях. В силу действия различных причин (как чисто геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров падает и характерное время протекания разнообразных процессов в системе, т.е. возрастает ее потенциальное быстродействие, что очень важно для электроники и вычислительной техники. Реально уже сейчас достигнутое быстродействие время, затрачиваемое на одну элементарную операцию в серийно производимых компьютерах, составляет около 1 нс (10 с), но может быть еще уменьшено на несколько порядков в ряде наноструктур.
Наивно было бы думать, что до наступления эры нанотехнологии человек не сталкивался и не использовал объекты и процессы на наноуровне. Так, биохимические реакции между макромолекулами, из которых состоит все живое, получение фотографических изображений, катализ в химическом производстве, бродильные процессы при изготовлении вина, сыра, хлеба и другие происходят на наноуровне. Однако "интуитивная нанотехнология", первоначально развившаяся стихийно, без должного понимания природы используемых объектов и процессов, не может быть надежной основой в будущем. Поэтому первостепенное значение имеют фундаментальные исследования, направленные на создание принципиально новых технологических процессов и продуктов. Возможно, нанотехнологии смогут заменить некоторую часть морально устаревших и неэффективных технологий, но все-таки ее главное место в новых областях, в которых традиционными методами в принципе невозможно достигнуть требуемых результатов.
Таким образом, в громадном и пока еще слабо освоенном зазоре между макроуровнем, где действуют хорошо разработанные континуальные теории сплошных сред и инженерные методы расчета и конструирования, и атомарным, подчиненным законам квантовой механики, находится обширный мезоиерархический уровень структуры материи (греч. mesos средний, промежуточный). На этом уровне протекают жизненно важные биохимические процессы между макромолекулами
ДНК, РНК, белков, ферментов, субклеточных структур, требующие более глубокого понимания. Вместе с тем, здесь могут быть искусственно созданы невиданные ранее продукты и технологии, способные радикально изменить жизнь всего человеческого сообщества. При этом не потребуется больших затрат сырья и энергии, как и средств для их транспортировки, уменьшится количество отходов и загрязнение окружающей среды, труд станет более интеллектуальным и здоровым и т.п.
Иными словами, нанотехнология это новая стратегия в технологии: вместо обработки "сверху-вниз" (т.е. получения деталей или готовых изделий из заготовки путем отделения ненужных частей) сборка или самосборка (self-assembly) "снизу-вверх" (т.е. безотходный молекулярный дизайн изделия из элементарных "кирпичиков" природы атомов и молекул).
Физическими основаниями для новой парадигмы в технологии являются глубокие знания свойств каждого атома вещества из таблицы Менделеева и наличие сил притяжения между ними при расстояниях 0,1 < r < 1 нм. Разумеется, для разных атомов количественные характеристики потенциалов взаимодействия будут отличаться, но общий вид и наличие минимума энергии W0 на некотором расстоянии r0 их универсальное свойство. В результате действия этих сил могут образовываться атомные конфигурации с прочными связями (ковалентными, ионными, металлическими) или слабыми (ван-дер-ваальсовыми, водородными и др.).
Атомные ассоциаты, содержащие счетное число атомов, называют молекулами или атомами. Чем меньше частица и ниже температура, тем сильнее проявляются ее квантовые свойства. Однако сильные изменения свойств наночастиц по сравнению с макрочастицами того же вещества наступают, как правило, задолго до проявления квантовых пределов (при размерах Rc ≤ 10...100 нм). Для разных свойств (механических, электрических, магнитных, химических и др.) этот критический размер может быть разным даже для одного и того же вещества, как и характер их изменений при R < Rc.
Миграция атомов вдоль поверхности частиц или структур происходит намного быстрее, чем в объеме (особенно при повышенных температурах). Наличие сил притяжения между ними приводит к самоорганизации и самосборке островковых, столбчатых и других структур на подложке, что часто используют для создания упорядоченных гетероструктур. При достаточно малых размерах и низких температурах могут возникнуть специфические квантовые размерные эффекты, которые могут быть использованы в электронике, оптике, вычислительной технике. Ярким проявлением подобного поведения являются так называемые квантовые точки, проволоки, кольца и т.п. Ввиду резкой зависимости свойств вещества от числа одинаковых атомов в кластере его иногда аллегорически называют даже третьей координатой таблицы Менделеева.
Будущее наномира не только в том, что будут названия наноэлектроника, или нанохимия, или нанобиология, указывающие на интервал наноразмеров частиц для исследуемого вещества. Важнейшим прикладным значением наносостояния является возможность конвергенции неорганического, органического и биологического миров и создание невиданных ранее в природе новых веществ.
Список литературы
1. Шевченко В.Я. Исследования, разработки и инновации в области керамических и стекломатериалов // Стекло и керамика XXI. СПб.: Янус, 2001.
2. Feynmann R. There's plenty of Room at the Bottom // Engineering & Science. Caltech. 1960.
3. Пригожий И. Время, структура и флуктуации // Введение в термодинамику необратимых процессов. Москва-Ижевск. 2001.
4. Головин Ю.И. Введение в нанотехнологию. М.: Машиностроение. 2003.
1.5. Нанотехнологии и наноматериалы
A.Л.Асеев
Проблемы, относящиеся к созданию наноматериалов и развитию нанотехнологий, занимают в настоящее время доминирующее положение практически во всех областях современной науки и техники. Научная, научно-популярная литература и материалы интернетовских сайтов переполнены разнообразными прогнозами, зачастую фантастическими, о перспективах, открывающихся с развитием этих областей человеческой деятельности.
Нанотехнология определяется как наука и техника создания, изготовления, характеризации и реализации материалов и функциональных структур и устройств на атомном, молекулярном и нанометровом уровнях. Наиболее образно направление работ в этой области задано высказыванием Нобелевского лауреата Р.Фейнмана: "Там, внизу, еще много места". Ключевыми в развитии нанотехнологий явились открытия последней половины XX века, связанные с квантовыми свойствами нанообъектов, разработкой полупроводниковых транзисторов и лазеров, созданием методов диагностики с атомным разрешением (электронная и сканирующая туннельная микроскопия), открытием фуллеренов, развитием геномики и биотехнологий. Многие из этих достижений отмечены Нобелевскими премиями и, что очень важно для России, среди Нобелевских лауреатов достойно представлены российские ученые академики РАН Н.Г.Басов, А.М.Прохоров, Ж.И.Алферов, B.Л.Гинзбург, А.А.Абрикосов.
Объем финансирования работ в области нанотехнологий в мире в 2004 г. оценивается в размере 8,6 млрд долл. США (в 2003 г. 7,5 млрд долл США):
• в США правительственная поддержка составила 1,6 млрд долл. США, финансирование компаниями 1,7 млрд долл США;
• в странах Европы правительственная поддержка 1,3 млрд долл. США, финансирование компаниями 0,7 млрд долл. США;
• в странах Азии правительственная поддержка 1,6 млрд долл. США, финансирование компаниями 1,4 млрд долл. США.
Число зарегистрированных патентов в области нанотехнологий с 1976 г. составило 88546, из них 64% принадлежат США. Ожидается, что к 2015 г. мировой рынок наноматериалов и нанотехнологий превысит 1 триллион долл. США. Расходы России на поддержку и развитие работ в области наноматериалов и нанотехнологий по различным каналам (Минпромэнерго, Минобрнауки, РАН, РФФИ и др.) можно оценить в размере нескольких десятков миллионов долларов США, что значительно уступает расходам развитых стран и делает невозможным полноценное участие России в патентовании получаемых результатов. Тем самым значительно ограничиваются возможности России в предстоящей масштабной коммерциализации результатов научных исследований.
Принципиально новые свойства наноматериалов связаны, в первую очередь, с квантованием энергетического спектра квазичастиц в нанообъектах и структурах пониженной размерности, что наиболее ярко проявляется в фундаментальном изменении свойств полупроводников, магнетиков, органических и углеродных материалов, молекулярных ансамблей. Многие из кардинально отличных свойств наноматериалов по отношению к объемным материалам того же химического состава обусловлены эффектами многократного увеличения доли поверхности нанозерен и нанокластеров (до сотен квадратных метров на грамм). С этим связаны новые свойства многих конструкционных и неорганических наноматериалов.
Анализ последних достижений в области наноматериалов, нанотехнологий и наноэлектроники дан в обзоре Ж.И.Алферова и др. (Микросистемная техника, 2003, №8, с. 3-13), большое количество информации содержится в только что вышедшей в свет Энциклопедии нанонаук и нанотехнологий (Encyclopedia of Nanoscience and Nanotechnology, Ed. N. S. Nalwa, American Scientific Publ, 2004), на интернетовских сайтах http://nanotechweb.org, www.nanoforum.org и др.
Современные приложения нанотехнологий включают:
• элементы наноэлектроники и нанофотоники полупроводниковые, транзисторы и лазеры, фотодетекторы, солнечные элементы, сенсоры и др. (рис. 1.5.1, 1.5.2) [1,2];
Рис. 1.5.1. Лазеры с вертикальным резонатором на основе In0,.2Ga0,8As
• устройства сверхплотной записи информации;
• телекоммуникационные, информационные и вычислительные технологии, суперкомпьютеры; плоские экраны, видеопроекторы и мониторы компьютеров;
• молекулярные электронные устройства, в том числе переключатели и электронные схемы на молекулярном уровне; нанолитографию и наноимпринтинг; топливные элементы и устройства для хранения энергии;
• устройства микро- и наномеханики, в том числе актюаторы и трансдукторы, молекулярные моторы и наномоторы, нанороботы;
• нанохимию и катализ, в том числе управление горением, нанесение покрытий, электрохимию и фармацевтику;
• средства обеспечения безопасности и борьбы с терроризмом;
• авиационные, космические и оборонные приложения;
• устройства контроля окружающей среды;
• целевую доставку лекарств и протеинов, биополимеры и заживление биологических тканей, клиническую и медицинскую диагностику, создание искусственных мускулов, костей, имплантацию живых органов;
• биомеханику, геномику, биоинформатику и биинструментарий;
• регистрацию и идентификацию канцерогенных тканей, патогенов и биологически вредных агентов, безопасность в сельском хозяйстве и при производстве пищи.
Рис. 1.5.2. Нанотранзистор на ультратонких слоях “кремний-на-изоляторе”
Среди наиболее впечатляющих результатов в области наноматериалов и нанотехнологий отметим возрастание прочности и твердости наноструктурированных металлов, что используется, например, при обработке внутренней поверхности труб парогенераторов на атомных станциях.
Добавка нанопорошков алюминия в ракетное топливо увеличивает скорость горения топлива, а на основе интеркалированного графита создаются новые взрывчатые вещества с объемным горением.
Фильтры на основе микро- и наномембран резко повышают скорость фильтрации дрожжей при производстве пива, а фильтры из нановолокон и нанотрубок (рис. 1.5.3) [3] высокоэффективны при очистке воды от бактериофагов (вирусов).
Рис. 1.5.3. Изготовление полупроводниковых микро- и нанотрубок
Жидкости, содержащие наночастицы металлов, обладают многократно более высокой теплопроводностью, что позволяет их эффективно использовать в качестве теплоносителей в системах охлаждения.
Покрытия из наноструктурированных материалов характеризуются способностью к самоочищению под действием солнечного излучения, что открывает перспективы производства самоочищающихся строительных материалов и текстиля.
Нанокомпозиты твердых веществ обладают повышенной способностью для аккумулирования водорода и высокой проводимостью ионов, что важно для миниатюризации батарей, источников электропитания и для прогнозируемого развития водородной энергетики.
Новые возможности открываются при использовании наноматериалов и нанотехнологии в фармацевтике, косметике, медицине и биологии. Так, фармакокинетика такого массового лекарства, как аспирин, значительно улучшается в результате его наноструктурирования при механохимической обработке. Для разработки новых эффективных лекарственных средств с бактерицидными и противовирусными средствами успешно используются наночастицы серебра на поверхности цеолитов. Положительные результаты получены при применении магнитных наночастиц при очистке крови от токсикантов.
Из многочисленных применений нанотехнологии и наноматериалов в биологии отметим использование квантовых точек (рис. 1.5.4) [4] в качестве люминесцирующих наномаркеров биологических объектов, что позволяет исследовать процессы метаболизма и идентифицировать на ранних стадиях образование раковых клеток.
Интенсивно ведутся разработки производства наноструктурированных материалов, наночастиц и нанопорошков в промышленных масштабах. Основные методы их получения в больших количествах включают процессы газофазного синтеза с использованием химических, пламенных, плазменных и лазерных реакторов. В России работы по получению нанопорошков оксидов металлов лазерным испарением ведутся, например, в Институте электрофизики УрО РАН (г. Екатеринбург); технологии плазменного нанесения наноструктурированных покрытий развиваются в Институте физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск); методы механохимического синтеза наноматериалов разработаны в Институте химии твердого тела и механохимии СО РАН (г. Новосибирск). Наиболее серьезные прорывы в нанотехнологии ожидаются в связи с переходом от традиционных технологий получения нанообъектов при уменьшении размеров макроскопических объектов ("сверху-вниз") к технологиям молекулярной и поатомной сборки нанообъектов и наноматериалов ("снизу-вверх").
Рис. 1.5.4. Фоточувствительные структуры с квантовыми точками Ge в Si
Впечатляющие перспективы связаны с применением наноматериалов и систем пониженной размерности в информационных, телекоммуникационных и вычислительных технологиях. Уровень работ в этой области в России и в мире задается ежегодно проводимыми в Санкт-Петербурге на базе Физико-технического института им. А.Ф.Иоффе РАН Международными симпозиумами "Наноструктуры: физика и технология". Наиболее интенсивно работы по этому направлению ведутся в институтах РАН: Физико-техническом им. А.Ф.Иоффе (г. Санкт-Петербург), Физическом (г. Москва), Радиотехники и электроники (г. Москва), Физико-технологическом (г. Москва), Общей физики (г. Москва), СВЧ полупроводниковой электроники (г. Москва), Физики микроструктур (г. Нижний Новгород), Физики твердого тела (пос. Черноголовка). Проблем технологии микроэлектроники (пос. Черноголовка), Физики полупроводников (г. Новосибирск), в Московском государственном университете, Санкт-Петербургском государственном техническом университете и других научных организациях России.
Среди наиболее серьезных достижений российских ученых следует отметить разработку полупроводниковых инжекционных лазеров, высокоэффективных солнечных элементов, сверхъярких светодиодов, элементов наногетероструктурных интегральных схем (ФТИ им. А.Ф.Иоффе и др.). Работы опережающего характера по созданию уникального оборудования для нанолитографии с использованием экстремального ультрафиолетового излучения (длина волны 13,5 нм) ведутся в ИФМ РАН. В ИФП СО РАН создано технологическое оборудование (рис. 1.5.5) для выращивания слоев стратегически важного материала эпитаксиальных слоев кадмий-ртуть-теллур методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Наноструктурирование слоев по толщине позволяет улучшить их основные электрофизические параметры и получить большеформатные фотоприемные матрицы ИК-диапазона различного назначения.
Рис. 1.5.5. Внешний вид установки МЛЭ “Обь-М” для выращивания эпитаксиальных
слоев кадмий-ртуть-теллур методом молекулярно-лучевой эпитаксии
С помощью технологии молекулярно-лучевой эпитаксии в ИФП СО РАН изготовлены экспериментальные образцы матричных фотоприемных модулей форматом 320´256 элементов на основе многослойных эпитаксиальных структур AlGaAs/GaAs (рис. 1.5.6) [5,6] с квантовыми ямами с максимумом спектральной чувствительности в диапазоне 7-9 мкм и температурным разрешением 40-70 мК.
Рис. 1.5.6. Изготовление матричных фотоприемных модулей на основе многослойных эпитаксиальных структур AlGaAs/GaAs
На основе эпитаксиальных гетероструктур Ge/Si (рис. 1.5.7) на подложке "кремний-на-изоляторе" созданы фотодетекторы на диапазон длин волн 1,3-1,55 мкм с активной областью, включающей 36 слоев нанокластеров германия (квантовых точек). За счет эффекта многократного внутреннего отражения достигнуты значения квантовой эффективности 21 и 16% для длин волн 1,3 и 1,55 мкм соответственно. Фотодетекторы на квантовых точках представляют несомненный интерес для применения в качестве фотонных компонентов волоконно-оптических линий связи с повышенной пропускной способностью.
Рис. 1.5.7. Изображения фрагментов эпитаксиальных гетероструктур Ge/Si
Применение нанотехнологии для интеграции на одном кристалле функций восприятия и обработки изображения вместе с использованием квантоворазмерных фоточувствительных наноструктур в ближайшее время приведет к созданию систем "искусственного" (технического) зрения с расширенным по сравнению с биологическим зрением спектральным диапазоном в ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра (отметим, что биологическое зрение человека формировалось в течение миллионов лет). Системы технического зрения и фотонные компоненты на наноструктурах, способные получать и обрабатывать огромные массивы информации, станут основой принципиально новых телекоммуникационных устройств, систем экологического и космического мониторинга, тепловидения, нанодиагностики, робототехники, высокоточного оружия, средств борьбы с терроризмом и т.д. Применение полупроводникевых наноструктур значительно уменьшит габаритные размеры устройств наблюдения и регистрации, уменьшит энергопотребление, улучшит стоимостные характеристики и позволит использовать преимущества массового производства в микро- и наноэлектронике ближайшего будущего.
Исключительно важным для развития нанотехнологии является создание новых и усовершенствование имеющихся методов диагностики наноструктур и наноматериалов с атомным и нанометровым разрешением.
В последние годы достигнуты заметные успехи в коррекции сферической абберации и применении энергетических фильтров для химического анализа в высокоразрешающей просвечивающей электронной микроскопии (рис. 1.5.8); в развитии методов электронной голографии, сверхвысоковакуумной отражательной электронной микроскопии и микроскопии медленных электронов.
Рис. 1.5.8. Внешний вид и основные характеристики
электронного микроскопа JEM-4000EX
Революционным явилось широкое применение методов сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии с проведением спектроскопического анализа, измерением молекулярных сил, проведением экспериментов in situ при пониженных и повышенных температурах, включая манипулирование отдельными атомами. Следует отметить успехи российских специалистов в разработке современных конкурентоспособных атомно-силовьгх микроскопов (фирма НТ-МДТ, г. Зеленоград) (рис. 1.5.9) и в создании сканирующего туннельного микроскопа (Институт общей физики РАН), что явилось существенным вкладом в развитие нанотехнологии в России. На базе Курчатовского научного центра (г. Москва) и Института ядерной физики (г. Новосибирск) успешно ведутся работы в области нанотехнологии и нанодиагностики с использованием синхротронного излучения. Однако в целом уровень оснащения организаций научно-технической сферы России современными диагностическими методами далек от необходимого уровня, что связано со сложностью и дороговизной современного аналитического и диагностического оборудования.
Рис. 1.5.9. Внешний вид и характеристики атомно-силового микроскопа
SOLVER P-47H, разработанного фирмой НТ-МДТ (г. Зеленоград)
Подготовка высококвалифицированных кадров в области наноматериалов и нанотехнологии является неотъемлемой частью работ в этой области. В целом уровень подготовки специалистов данного профиля в России соответствует или превышает мировой уровень в данной области. Это выражается, в частности, в востребованности и успешной работе многих российских специалистов в зарубежных центрах нанотехнологии и наноматериалов. В то же время угрожающим является падение уровня преподавания естественно-научных дисциплин (математики, физики, химии, биологии) в средней школе, что связано с общим кризисом в Российской системе среднего образования. Необходимы незамедлительные шаги по исправлению сложившегося положения. Положительным в этой области является опыт деятельности Научно-образовательного центра при ФТИ им. А.Ф.Иоффе РАН и Специализированного учебно-научного центра при Новосибирском госуниверситете. Первым шагом в подготовке дипломированных специалистов по нанотехнологиям (специальности "Нанотехнология в электронике" и "Наноматериалы") явилось поручение Минобрнауки РФ (приказ №71 от 29.01.2004) по подготовке кадров в ряде ведущих вузов России (Московский институт электронной техники, МГТУ им. Н.Э.Баумана, Новосибирский государственный технический университет, Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, Таганрогский государственный радиотехнический университет, Нижегородский государственный университет им. Н.И.Лобачевского).
Основные выводы
Благодаря высокому интеллектуальному потенциалу научных и образовательных учреждений России (в первую очередь, институтов Российской академии наук) уровень научно-технологических разработок в области наноматериалов и нанотехнологии в России в целом соответствует мировому уровню работ, а иногда и превышает мировой уровень. Развитие работ в этой области даст возможность для более активной работы российских компаний на внутреннем рынке России (информационные и телекоммуникационные технологии для финансовой и банковской сферы, образования, создание современной материальной базы медицины, решение проблем энергосбережения, обеспечение безопасности, решение стратегически важных проблем силовых ведомств и многое другое), а также восстановить научно-технический паритет с развитыми странами.
Основная проблема на настоящем этапе связана со слабой материальной базой при получении и диагностике наноматериалов, что препятствует развитию нанотехнологий. Исправление этого положения требует капитальных вложений со стороны государства. Для эффективного использования необходимых средств разумным является организация мощных распределенных региональных центров коллективного пользования дорогостоящим уникальным аналитическим, диагностическим и технологическим оборудованием и их дооснащение в соответствии с профилем работы центров. Необходимы налоговые и таможенные льготы при закупке специализированного и уникального оборудования. В Минобрнауки РФ накоплен достаточный положительный опыт для организации таких центров коллективного пользования. На первом этапе целесообразна организация таких межведомственных центров в области наноматериалов и нанотехнологий в Центральном (г. Москва), Северо-Западном (г. Санкт-Петербург), Приволжском (г. Нижний Новгород), Уральском (г. Екатеринбург) и Сибирском (г. Новосибирск) федеральных округах.
Для экономического стимулирования разработки нанотехнологий и производства наноматериалов, изделий и устройств на их основе следует обеспечить создание специализированных технопарков, как хорошо работающего в мировой практике механизма прогресса в области высоких технологий, и оказать поддержку малым высокотехнологическим компаниям в составе технопарков.
Следует предусмотреть систему мер по повышению качества и доступности преподавания в средней школе естественно-научных дисциплин, лежащих в основе современного прогресса в области наноматериалов и нанотехнологий (математика, физика, химия, биология). Ключевым моментом является повышение статуса преподавателей и оснащение школ современными средствами образования. Для подготовки кадров высшей квалификации в области нанотехнологий и наноматериалов необходима целевая материальная поддержка тех вузов, которые уже ведут эту работу.
Список литературы
1. Гайслер В.А., Торопов А.И. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 272-298.
2. Попов В.П., Асеев А.Л., Французов А.А. и др. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 337-362.
3. Принц В.Я. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 85-120.
4. Двуреченский А.В., Якимов А.И. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 308-337.
5. Овсюк В.Н., Торопов А.И., Шашкин В.В. Матричные фотоприемные устройства инфракрасного диапазона. Новосибирск: Наука, 2001.
6. Торопов А.И., Шашкин В.В. Нанотехнологий в полупроводниковой электронике. Новосибирск: Изд. СО РАН, 2004. С. 252-272.
1.6. Перспективы молекулярной нанотехнологии
Ю.Г. Кригер, И.К. Игуменов
Общий анализ тенденций развития микроэлектроники свидетельствует, что полупроводниковая технология с характерными размерами элементов порядка микрометра фактически "выработала свои ресурсы" и необходим переход к меньшим масштабам. В настоящее время основной интерес ученых сконцентрирован на проблемах физики наноструктур и технологии создания квантовых приборов на их основе.
Разрабатываются технологии создания квантовых ям, проволок и точек с характерным размером – десятки нанометров. Основная тенденция, которая отчетливо проявилась в последние годы, – это использование явления самосборки для создания наноразмерных квантовых структур (термин "самосборка" ранее использовался только для молекулярных систем). Препятствием на пути широкого применения приборов, основанных на одноэлектронных явлениях, остается сверхнизкая рабочая температура ~ 100 мК даже при рекордно малых размерах приборов. В то же время теоретически рабочая температура может быть нормальной при размерах приборов ~ 1 нм, т.е. при размерах средней молекулы.
В некоторых группах за рубежом в течение последних лет неоднократно наблюдался эффект одноэлектронного коррелированного туннелирования при нормальной температуре. Туннельные системы формировались либо из неупорядоченных наногранул металла, либо из хаотически разбросанных слабо закрепленных молекул, что приводило к невоспроизводимости характеристик и к неустранимой неопределенности в трактовке результатов.
Проблема закрепления молекул на подложке для получения воспроизводимых результатов оказалась чрезвычайно актуальной. Результаты исследований снимают последние сомнения в том, что построение молекулярных электронных систем, устройств на основе одноэлектроники – это вполне достижимая реальность. Авторы получили патентный приоритет на разработанные молекулярные туннельные одноэлектронные приборы и способы их создания. Проведен цикл экспериментальных исследований, в результате которых впервые реализован молекулярный одноэлектронный транзистор, работающий при нормальной температуре.
Резюмируя приведенную выше информацию, можно сделать следующие основные выводы:
• в настоящее время имевшиеся в научной литературе рассуждения об использовании одиночных молекул в качестве ключевых элементов получили свое экспериментальное подтверждение;
• однако и сейчас, и в ближайшее время трудно представить использование одиночных молекул в качестве элемента электронного устройства, но можно говорить об использовании специфических внутримолекулярных (квантовых) эффектов, имеющих макроскопическое проявление;
• по мнению многих экспертов, в том числе и зарубежных, наноэлектроника в ближайшее десятилетие не выйдет на создание чипов с многомиллионным числом элементов, а в лучшем случае ограничится выпуском одиночных устройств с уникальными параметрами. Подобная ситуация уже сложилась с производством диодов Гана и СКВИД-элементов (криогенная электроника), на которые возлагались очень большие надежды при создании компьютеров нового поколения.
По нашему мнению, в настоящее время может идти речь о развитии функциональной молекулярной электроники. Стратегическим моментом предлагаемого подхода является концентрация усилий не на уменьшение топологического размера элемента, а на увеличение его функциональных возможностей.
Таким образом, альтернативным направлением развития микроэлектроники является функциональная молекулярная электроника. Термин "молекулярная электроника" некоторыми физиками и технологами рассматривается как часть наноэлектроники. Данный подход основывается только на учете размеров молекул, имеющих характерный размер, и не учитывает специфических особенностей проявления квантовых эффектов в молекулярных системах.
В настоящее время ведется интенсивный поиск концепций ее развития, разрабатываются основы построения базовых элементов микроэлектроники. Однако строгого определения самого понятия пока нет. Все сходятся лишь на том, что молекулярная электроника является новой междисциплинарной областью науки, объединяющей физику твердого тела, молекулярную физику, органическую и неорганическую химии и ставящей своей целью перевод информационно-вычислительных устройств на новую элементную базу. Такая элементная база, созданная на новых принципах, даст и новую схемотехнику, и новую идеологию построения информационно-вычислительных систем подобно тому, как это в свое время произошло при переходе от радиоламп к полупроводниковым транзисторам.
Анализ научно-технической литературы свидетельствует, что, начиная с 1994 г. заметно активизировались исследования в области молекулярной электроники. Подтверждением данных тенденций является все возрастающий интерес к молекулярной электронике различных фирм и зарубежных электронных исследовательских центров, выражающийся в большом числе ежегодных (3-5) конференций по этой тематике. К ним относятся в первую очередь: ежегодная Европейская конференция по молекулярной электронике, конференция по ориентированным молекулярным слоям (LB), по супрамолекулярной химии, молекулярной нанотехнологии и т.д. Проводятся также специализированные конференции, посвященные электроактивным и фотоактивным молекулярным материалам. К этой области примыкает такая обширная область практического использования молекулярных систем, какой являются газовые и жидкостные сенсоры.
По материалам этих конференций и анализу текущей литературы можно сделать вывод, что наиболее продвинутыми в практическом плане разработками в этой области является создание электролюминесцентных экранов для дисплеев различного назначения. На данный момент времени получены молекулярные материалы и соответствующие пленки с высоким коэффициентом люминесценции, удовлетворяющим современным требованиям. Оставшиеся проблемы связаны с увеличением времени службы. По мнению авторов разработок, широкомасштабное использование подобных экранов можно ожидать в ближайшее время. Созданы специализированные фирмы, ориентированные на производство таких экранов.
Поскольку для науки западных стран типичным является финансирование научных разработок через фирмы, то представленный выше список научных центров явно свидетельствует о прямой заинтересованности электронных фирм в этих исследованиях. Мы не имеем подтвержденных сведений о практических достижениях в области молекулярной электроники, однако косвенные признаки свидетельствуют об интенсивных исследованиях, проводимых непосредственно на электронных фирмах. Так, в частности, имеются сообщения о создании "пластмассового" транзистора во Франции, дисплеев в Великобритании и элемента памяти в США.
Особое внимание следует обратить на ярко выраженный характер исследований, посвященных синтезу специализированных молекулярных ансамблей и методов их анализа на уровне отдельных молекулярных фрагментов. Значительный акцент делается на исследовании механизмов самоорганизации отдельных молекул в организованные структуры, что является предпосылкой для разработки технологии самосборки соответствующих молекулярных электронных устройств.
Существенное сокращение технологического цикла производства молекулярных устройств с одновременным отказом от использования дорогостоящих материалов (особо чистые кремний и арсенид галлия) существенно удешевит стоимость элемента и соответственно расширит область применения в информационных устройствах. При этом современное производство полупроводников может быть легко адаптировано к реализации молекулярной технологии.
Следует ожидать, что развитие молекулярной электроники наиболее эффективные результаты даст в областях, связанных с использованием функциональных специфических свойств молекулярных систем. Быстрая реализация этих результатов, полученных при выполнении необходимого объема НИР и НИОКР, возможна в следующих направлениях:
• элементы памяти различного назначения (оперативной, статической, архивной и др.), в частности радиационно-устойчивые элементы памяти для систем наведения;
• молекулярные транзисторы, диоды и т.д.;
• средства отображения информации (дисплеи, телевизионные экраны и т.д.);
• химические и биологические сенсоры;
• фотоприемники различного назначения и преобразователи солнечной энергии.
Создание чувствительных химических сенсоров является одной из важных проблем, стоящей перед экологией, медициной, криминалистикой и т.д. Наиболее перспективным и естественным подходом в решении этой проблемы является построение датчиков, основанных на химическом распознавании определяемых молекул. Структура такого сенсора по форме представляет молекулярный транзистор, изменяющий свою проводимость под действием распознаваемых молекул. Система химических сенсоров, объединенных в единую нейронную сеть, позволит обнаруживать источники химических и биологических объектов, в том числе человека, и судить о его состоянии. Дополнительная информация может быть получена при анализе изображений, полученных в различных спектральных областях. Все эти проблемы могут быть решены методами молекулярной нанотехнологии.
Важным элементом в системе обнаружения и регистрации объектов по различным признакам являются элементы хранения информации. Одним из важных требований, предъявляемых к подобным системам, является их радиационная устойчивость. Молекулярная технология может предложить решения и этой проблемы наряду с высокими техническими параметрами и простотой технологии их изготовления.
Полученные по различным каналам данные свидетельствуют, что прорыв в практическую плоскость может произойти в любой момент. В исследовательских центрах ведущих электронных фирм уже создаются реальные образцы молекулярных электронных устройств. Так, например, американская фирма Actel Corp. сообщила о создании постоянно программируемых элементов памяти. В этих устройствах используется программируемый слой оригинального состава, выполненный на органической основе.
В настоящее время практически во всех высокоразвитых странах, включая Китай, имеются национальные программы по молекулярной электронике. Наиболее широкомасштабной поддержкой государства пользуются эти программы в США, Великобритании, Японии, Германии. Так, по имеющимся у нас данным, в Японии и Германии ежегодно финансируется из бюджета государством 15-30 научно-исследовательских проектов на сумму 2-3 млн долл. на проект.
По нашему мнению, реальное соперничество российской электронной промышленности с западными технологиями может быть реализовано только при использовании альтернативных путей развития микроэлектроники и, в частности, молекулярной.
1.7. Перспективы развития микросистемной техники в XXI веке
Д.М.Климов, А.А.Васильев,
В.В.Лучинин, П.П.Мальцев
Микросистемная техника является в настоящее время одним из наиболее динамично развивающихся междисциплинарных научно-технических направлений, определяющим новую революцию в области систем, реализуемых на микроуровне. Строго говоря, микросистемная техника (МСТ) – это научно-техническое направление, целью которого является создание в ограниченном объеме твердого тела или на его поверхности микросистем, представляющих собой упорядоченные композиции областей с заданным составом, структурой и геометрией, статическая или динамическая совокупность которых обеспечивает реализацию процессов генерации, преобразования, передачи энергии и движения в интеграции с процессами восприятия, обработки, трансляции и хранения информации при выполнении запрограммированных операций и действий в требуемых условиях эксплуатации с заданными функциональными, энергетическими, временными и надежностными показателями. Микросистемы могут обеспечивать выполнение всех вышеперечисленных функций или части из них.
Примеры изделий МСТ, как ставших уже традиционными, так и перспективных приведены в табл. 1.7.1 и 1.7.2.
При этом отличительной особенностью микросистем нового поколения является необходимость обеспечения длительной их эксплуатации при переносе энергии заряда, информации не только в условиях стационарного твердого тела, но и когда объект (часть объекта) микросистемной техники или контактирующая с ним среда находятся во взаимной пространственно-временной динамике.
Наряду с этим переход на микроуровень требует при создании микросистем различного функционального назначения нового поколения учета факторов масштабирования, отражающих влияние геометрических размеров на свойства материалов, а также особенностей их интеграции в едином объеме с позиций кристаллохимической, термомеханической, электромагнитной, химической совместимостей, тепловой, электрической, механической стойкости, устойчивости к воздействию агрессивных сред и радиации, а также временной стабильности.
Таблица 1.7.1. Структура и динамика рынка "традиционных" изделий
микросистемной техники [2]
Изделия Объем рынка в 1996 г. Объем рынка в 2002г.
млн штук млн долл. млн штук млн долл.
Головки для накопителей на жестких дисках 530 4500 1500 12000
Головки для струйных принтеров 100 4400 500 10000
Кардио-пейсмейкеры 0,2 1000 0,8 3700
“Ин-витро” диагн. приборы 700 450 4000 2800
Слуховые аппараты 4 1150 7 2000
Датчики давления 115 600 309 1300
Химические сенсоры 100 300 400 800
Формирователи ИК-видеосигналов 0,01 220 0,4 800
Акселерометры 24 240 90 430
Гироскопы 6 150 30 360
Магниторезистивные сенсоры 15 20 60 60
Микроспектрометры 0,006 3 0,150 40
Всего: 13033 34290
Таблица 1.7.2. Структура и динамика рынка "перспективных" изделий
микросистемной техники
Изделия Объем рынка
в 1996 г. Объем рынка
в 2002 г.
млн штук млн долл. млн штук млн долл.
Системы подачи лекарственных сред 1 10 100 1000
Оптические переключатели 1 50 40 1000
Лаборатория на чипе: ДНК, жидкостная хроматография высокого разрешения 0 0 100 1000
Магнитооптические головки 0,01 1 100 500
Проекционные световые затворы 01 10 1 ЭСО
Катушки индуктивности на чипе 20 10 600 100
Микрореле - 0,1 50 100
Микроэлектродвигатели 0,1 5 2 80
Инклинометры (угломеры) 1 10 20 70
Впрыскивающие сопла 10 10 30 30
Сенсоры для предупреждения столкновения 0,01 05 2 20
Электронные насосы 0,001 0,1 0,05 5
Всего: 107 4200
По аналогии с микроэлектроникой, воплотившей свой теоретический задел в первых интегральных микросхемах, созданных в 1958-1961 гг., в рамках реализации целевой функции – улучшения массогабаритных показателей, надежности, быстродействия, отношения функциональной сложности к стоимости – основным заказчиком и финансистом "ранних" объектов микросистемной техники (1975-1987 гг.) в виде микроэлектромеханических приборов (датчиков давления, акселерометров) являлся авиационно-космический комплекс. Появление на рынке потребления автомобилестроителей окончательно сформировало требования к характеристикам "классических" изделий микросистемной техники массогабаритным показателям, стоимости, надежности, воспроизводимости, массовости, номенклатуре. Инициирующим фактором в развитии микросистемной техники стало появление так называемых микроэлектромеханических систем (английская аббревиатура MEMS – microelectromechanical systems), в которых гальванические связи находятся в тесном взаимодействии с механическими.
Можно выделить следующие стимулирующие факторы развития микросистемной техники как научно-технического направления:
1. появление в 1982 г. статьи сотрудника фирмы IBM К.Петерсона [1], рассматривающей кремний не только как полупроводниковый, но и как конструкционный механический материал;
2. разработка в конце 70-х годов на ряде фирм (Хоневелл, Кулите) промышленной технологии объемного жидкостного травления кремния для формирования мембран, струн, балок в датчиках давления, вибрации и ускорения;
3. разработка в конце 70-х – начале 80-х годов в Центре ядерных исследований в Карлсруэ (Германия) технологии формирования объемных структур с использованием синхронного излучения, гальванического осаждения и прецизионного литья полимерами, получившей название LIGA- технология (LIGA – аббревиатура немецких слов litographie – литография, galvanoformung — гальванообработка, abformung — прессование).
Наиболее яркими конструктивно-технологическими отличительными особенностями МСТ нового поколения являются:
• активное использование третьего измерения (3D-системы);
• интеграция электрических и оптических связей с механическими;
• интеграция физико-химических и технологических базисов микро- и биотехнологии;
• интеграция исполнительно-технологических и контрольно-диагностических процедур в микрообъемах и на поверхности твердого тела.
С середины 90-х годов в качестве наиболее часто используемого собирательного понятия для расширенного толкования направления, связанного с созданием микросистем, в англоязычной литературе применяют сокращение MST (microsystem technology), что дословно означает "технология микросистем". В России наибольшее распространение получил термин "микросистемная техника", который был в документе "Новые приоритеты науки и техники", утвержденном правительственной комиссией по научно-технической политике ("Российская газета", 8 августа 1996 г.).
Анализ мировой динамики развития MST (рис. 1.7.1), выполненный организацией NEXUS, являющейся органом Европейской Комиссии, представлен в работе [2] Показано, что в 1996-2002 годах рынок изделий микросистемной техники будет расти в среднем на 18% в год и достигнет в 2002 г. 38 млрд долл.
Рис. 1.7.1. Анализ динамики рынка объектов микросистемной техники NEXUS [2]
При этом рынок новейших разработок в области микросистем, включая системы микроподачи жидкости и газа, аналитические ДНК-чипы, оптические микропереключатели и сетевые затворы, микродвигатели и реле, вырастет со 107 млн долларов в 1996 г. до 4 млрд 200 млн долл. США (табл. 1.7.1 и 1.7.2). Причем в отличие от начала 90-х годов лидирующие позиции на рынке займут периферийные устройства для объектов информационной техники и микросистемы биомедицинского назначения.
В табл. 1.7.3 приведена общая структура направления МСТ, а в табл. 1.7.4 – направления разработок и области применения СМТ нового поколения.
Таблица 1.7.3. Структура направления "Микросистемная техника"
Класс объектов МСТ Направление разработок
Микроэлектромеханические системы и машины Микромеханизмы, микропривод, микродвигатели
Оптомеханические микросистемы Микрооптика, оптомеханические интегральные схемы
Биотехнические микросистемы Миниатюрные автономные системы дм диагностики организма и замещения органов
Микросистемы энергообеспечения Автономные миниатюрные источники энергии, микротурбины, микросистемы рекуперации энергии
Сенсорные микросистемы Мультисенсоры, интеллектуальные сенсоры, сенсоры с обратной связью
Микроаналитические системы Миниатюрные аналитические приборы
Технологические микросистемы Микрореакторы, микроинструмент, микрорегуляторы, мнкронасосы
Мини- и микро-робототехнические системы Автономные многофункциональные диагностические и технологические мини-системы для специальных условийэксплуатации
Таблица 1.7.4. Микросистемы для техники нового поколения
Направления
разработок Назначение
общегражданское специальное
Сенсоры и трансдьюсеры Миниатюрные системы ориентации, навигации и управления
Автомобильный и ж/д транспорт Аэрокосмические и ракетно-артиллерийские системы
Акселерометры, миниатюрные автономные системы навигации, совмещенные с космическими GPS системами, модули контроля положения антенных фазированных решеток, системы катапультирования и индивидуального наведения.
Миниатюрные управляемые радио- и опто-электронные компоненты, микропривод и микромашины Миниатюрная управляемая элементная база
Гражданское приборостроение Специальное приборостроение
Миниатюрные управляемые конденсаторы, резисторы, зеркала, модуляторы, элементы микропривода, минитурбины, микродвигатели, микрогенераторы.
Аналитико-технологические микросистемы Миниатюрные аналитико-диагностические чипы и микрохимические реакторы
Биотехнология, медицина, нефтехимия, пищевая промышленность Химическая защита, обнаружение, исследование и утилизация особо опасных веществ
Микро-и наноинструмент Микро- и наноманипуляторы, микротехнологические устройства
Медицина, микробиология, наноэлектроника Медицина, нано-электронные системы специального назначения
Миниатюрные робототехнические системы Миниатюрные автономные управляемые самодвижущиеся системы
Минироботы для диагностики в медицине, ядерной энергетике, химической промышленности Минироботы для разведки и боевых действий
Обобщая современное состояние в области стимулов и факторов, способствующих развитию микросистемной техники, выделим:
• наличие научной и технологической культуры, сформировавшейся в период становления и развития микро- и оптоэлектроники;
• наличие базового оборудования, производственных мощностей и организационной инфраструктуры микроэлектронного производства, пригодных для реализации на них объектов микросистемной техники;
• активный рынок сенсорных систем различного функционального назначения и конструктивного исполнения;
• тенденции к интеграции процессов микро- и биотехнологии в рамках бионического "ренессанса" в области архитектуры, принципов функционирования и материалов;
• появление на рынке систем обработки информации и управления перспективного поколения интегральных схем с нейроподобной структурой, обеспечивающих новый уровень "интеллектуальных" возможностей и 'быстродействия микросистем при сохранении или улучшении прежних массогабаритных и энергетических показателей;
• перспективы нового активного рынка в области миниатюрных недорогих диагностических систем контроля за жизнедеятельностью человека на основе концепции экономической целесообразности массовой профилактики заболевания по отношению к их лечению;
• формирование рынка оборудования для технологий на микроуровне (помимо микроэлектронных) за счет широкого развития биотехнологии и ужесточения требований к работе с радиоактивными, токсичными, взрывоопасными веществами, что определяет переход на использование сверхмалых количеств веществ в ограниченных объемах.
Страны, которые в современных условиях фактически определяют научно-технический прогресс, используют по отношению к направлению "микросистемная техника" термины "критические технологии", тем самым придавая программам исследования и разработок статус "национальных", "приоритетных". К сожалению, из-за отсутствия целенаправленного финансирования разрыв между отечественной и мировой технологической культурой в области микросистемной техники стремительно нарастает. Отставание России сказывается уже на стратегических направлениях.
В настоящее время общепризнанно, что микросистемная техника имеет приоритетное значение для оборонной промышленности, обеспечения ядерной и экологической безопасности государства, развития биотехнологии и медицинского обслуживания населения.
Создаваемая в рамках направления "микросистемная техника" продукция характеризуется:
• новизной;
• наукоемкостью,
• конкурентоспособностью;
• потенциальной инвестируемостью на этапе разработки;
• тиражируемостью, вплоть до массового производства;
• низкой материалоемкостыо;
• низкой энергоемкостью,
• широким рынком потребления.
• Эффект от реализации работ в области микросистемной техники определяется:
• созданием приборов и машин нового поколения с низкой материало- и энергоемкостью, обеспечивающих решение традиционных и ранее недоступных задач в условиях сокращения требуемых рабочих площадей, снижения экологической нагрузки на окружающую среду, повышения безопасности работы человека;
• использованием интегрально-групповых принципов производства, создающих предпосылку к снижению себестоимости продукции, которая становится доступной широкому кругу потребителей, включая сферы науки, образования, медицины, малого и среднего бизнеса;
• широким применением при создании технологических микросистем стандартного оборудования микроэлектронного производства, которое в настоящее время, в России, как правило, не востребовано по прямому назначению;
• возможностью реализации ранее недоступных процессов в условиях микрообъектов и при использовании сверхмалых количеств веществ, что уменьшает затрат! на стадии проведения исследований и снижает потребность в дорогостоящих материалах;
• высокой эффективностью аналитико-диагностических микросистем в условиях решения задач по профилактике заболеваний, т.е. сохранению "человеческого капитала".
Имеющиеся в России научно-технический и кадровый потенциалы, а также технологическая и аналитическая базы позволяют приступить к скоординированным действиям как в области научных исследований образовательного процесса, так и в сфере промышленного производства и использования (рис. 1.7.2) объектов микросистемной техники Примеры практической реализации объектов микросистемной техники на базе конкурентоспособной отечественной технологии, разработанной в Центре микротехнологии и диагностики Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета, приведены в статье [3].
Рис. 1.7.2. Матрица ''Разработка-применение" объектов микросистемной техники
Развитие микросистемной техники для научно-технического прогресса может иметь такие же последствия, какие оказало появление микроэлектроники на становление и современное состояние ведущих областей науки и техники.
Список литературы
1. Peterson K.E. //Proc/ IEEE. 1982. №70. Р. 420-457.
2. NEXUS Market analysis for microsystems, 1996-2002 //MST News, 1998, № 3. P. 38-41.
3. Корляков А.В., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Микроэлектромеханические структуры на основе композиции "карбид кремния-нитрид алюминия" // Микроэлектроника, 1999. №3.С. 201-212.
1.8. Организация формирования и реализации национальных и региональных программ по микросистемам и нанотехнологии
В.Д.Вернер, П.П.Мальцев,
И.А.Пурцхванидзе
Анализ мирового опыта формирования национальных и региональных программ по новым научно-техническим направлениям (микросистемная техника и нанотехнология) свидетельствует о наличии некоторых обязательных организационных элементов. К ним прежде всего относятся:
• выявление и формирование потребностей общества в развитии новых научно-технических направлений, способных существенно повлиять на экономику, технику, производство, здравоохранение, экологию, образование, оборону и национальную безопасность;
• обобщение этих потребностей и их оценка в форме национальной программы или совокупности программ другого уровня;
• выбор способов реализации программы, включая масштабы и источники финансирования;
• создание системы управления и поддержки выполнения и эволюции программы. Система должна быть гибкой и открытой;
• последнее обеспечивается созданием информационной сети поддержки.
Наиболее ответственный первый этап начинается с накопления результатов фундаментальных или демонстрационно-прикладных исследований, чаще всего в академических (университетских) исследовательских центрах.
Умение своевременно увидеть в первых ростках перспективу для развития экономики или роста безопасности страны служит мощным стимулом расширения исследований по новому направлению. Например, интерес правительства США к работам в области микронных механизмов способствовал становлению тематики развития МЭМС [1]. Важно наличие в госструктурах организаций, способных на определенный риск для “вылавливания” эффективных идей. К числу таких организаций относится, например, Агентство перспективных исследований Министерства обороны США (DARPA), одним из пунктов стратегии которого являются инвестиции в высокорисковые, высокоэффективные (High-focus) проекты.
Расширение числа участников и тем исследований позволяет на определенном этапе сформировать и официлизировать государственную (национальную) программу.
Почему нужна государственная финансовая поддержка на первом этапе? Дело в том, что выход разработки на рынок требует 5-10 лет (табл. 1.8.1). Если государство заинтересовано в быстрейшем развитии направления, оно должно взять на себя бремя первоначальных расходов на исследования и формирование инноваций. Чем шире фронт работ, тем более вероятен возврат средств за счет налогообложения производства и/или продаж нового продукта.
Таблица 1.8.1. Эволюция продукции микросистемной техники
№ п/п Продукт Исследования Развитие продукта Снижение цены Полная коммерциализация
1. Датчики давления 1954-1960 гг. 1960-1975 гг. 1975-1990 гг. 1990 г.
2. Акселерометры 1974-1985 гг. 1985-1990 гг. 1990-1998 гг. 1998 г.
3. Газовые сенсоры 1986-1994 гг. 1994-1998 гг. 1998-2005 гг. 2005 г.
4. Клапаны 1980-1988 гг. 1988-1996 гг. 1996-2002 гг. 2002 г.
5. Сопла 1972-1984 гг. 1984-1990 гг. 1990-2002 гг. 2002 г.
6. Фотоника/дисплеи 1980-1986 гг. 1986-1998 гг. 1998–2004 гг. 2004 г.
7. Биохимические сенсоры 1980-1994 гг. 1994-2000 гг. 2000-2004 гг. 2004 г.
8. Радиочастотные компоненты 1994-1998 гг. 1998-2001 гг. 2001-2005 гг. 2005 г.
9. Датчики уровня 1982-1990 гг. 1990-1996 гг. 1996-2002 гг. 2002 г.
10. Микрореле 1977-1982 гг. 1993-1998 гг. 1998-2002 гг. 2002 г.
В зависимости от традиций развития национальной экономики, ее финансовой мощи и целей формируется содержание программы, методы ее финансирования и формы реализации. Не последнюю роль играют государственные амбиции. Южная Корея, например, увидела в микросистемной технологии способ войти в семерку стран высоких технологий (G7-проект) [2]. Еще в большей мере это проявилось в “Национальной наноинициативе” (NNI) США. Считая нанотехнологию основой новой индустриальной революции, правительство США в 2 раза увеличило финансирование нано-исследований и нанотехнологии с целью занять и закрепить лидирующее (первое) место в мире в ближайшие пять лет [3].
Однако никакие амбиции не приведут к результату без организационной основы их реализации в форме создания национальной системы управления и поддержки выполнения программы. Отдельные элементы этой системы направлены на реализацию различных этапов программы. Весьма схематично элементы системы отражены на рис. 1.8.1. Мы не ставим задачу детального анализа выбора и обоснования каждого элемента системы, отметим только, что в зависимости от уровня развития национальной программы меняются доля и число указанных элементов. В качестве иллюстрации на рис. 1.8.2 приведена схема европейской сети поддержки Minanet. Важно еще раз отметить, что без организации национальной программы и сопровождающей ее четкой системы управления и поддержки невозможно освоение новой научно-технологической области. Важность развития инфраструктуры поддержки подчеркнута в NNI [3]. Авторы [4] считают, что с 2001 г. наблюдается четкая тенденция роста инвестиций в сфере микросистемной техники именно в инфраструктуру. В частности, увеличивается, например, не только число центров заказного производства (foudry) на базе кремниевой технологии (рис. 1.8.3) [4]), но и обновляется их производственная база. Если три года назад большинство заводов использовали подложки диаметром 100 мм, то в 2002 г. основная часть заводов использует пластины диаметром 150 мм.
Рис. 1.8.1. Элементы национальной системы управления
и поддержки выполнения программы
Рис. 1.8.2. Замкнутая система программ по микросистемам в Европе
Таким образом, развитие нового научно-технического направления микросистемной техники требует системного подхода со стороны всех участников процесса развития. Этими участниками являются органы государственного управления, организации (НИИ, университеты, большие и малые предприятия, ассоциации и т.д.), исследовательские группы и группы разработчиков, специалисты.
Рис. 1.8.3. Рост инвестиций в сфере микросистемной технике
Иерархия взаимодействия между участниками в области МСТ реализуется с помощью соответствующих организационных структур (уровней).
Первый уровень - национальные программы. Задача программы – определить вектор развития МСТ в стране. Как правило, программа становится частью научно-технической и экономической политики страны. В связи с этим она отражает основные черты этой политики в своих задачах, темпах развития МСТ, наборе участников программы. Естественно, что задачи должны быть сбалансированы по уровню финансовых возможностей поддержки программы со стороны правительства и других источников финансирования.
По материалам NEXUS за 1998-2000 гг. можно сделать заключение [5], что у трех региональных лидеров (Северная Америка – США и Канада, Япония и Западная Европа) ежегодный объем финансирования развития МСТ составляет несколько сотен миллионов долларов. Китай, Тайвань и Южная Корея, не имея детально разработанных национальных программ, четко определили место МСТ в развитии национальной экономики. Страны Центральной и Восточной Европы пока демонстрируют только зачатки деятельности в области микросистемной техники, но они входят в состав новых ассоциативных государств (NAS – newly associated States) Евросоюза: Болгария, Кипр, Чехия, Эстония, Венгрия, Литва, Польша, Румыния, Словакия, Словения и Мальта. В связи с этим обстоятельством они включены в новую европейскую программу исследований и технологического развития (FP5) и становятся участниками программы 1ST (User-friendly Information Society), по которой ведется финансирование работ по МСТ. Страны СНГ пока далеки от возможности сформировать какие-либо национальные программы МСТ.
Второй уровень консолидации усилий по развитию МСТ – создание ассоциаций, содействующих развитию МСТ в стране. Положение с развитием таких структур в мире полностью соответствует уровню национальных программ. Чем выше уровень национальной программы, тем больше ассоциаций и тем шире круг их участников.
Третий уровень – межфирменные соглашения по развитию группы изделий МСТ. Они получили распространение в “МСТ развитых” странах и носят как национальный, так и межнациональный характер.
Четвертый уровень – эффективность реализации задач организационных структур. Этот уровень во многом определяется уровнем развития сети поддержки и информации на базе Интернета.
В России имеется опыт создания национальных программ различного уровня. Самыми известными из них стали атомные и космические проекты. Микросистемная техника формально отнесена к приоритетным научно-техническим направлениям. Фрагменты МСТ внесены в ряд подпрограмм ФНТЦП, но национальная программа МСТ, сопоставимая по организационному (не говоря уже о финансовом) уровню с ведущими национальными программами других стран, отсутствует. Какими бы рамками по задачам и финансированию не была ограничена национальная программа МСТ, она должна быть концептуально определенной и поддерживаемой соответствующими структурами.
Список литературы
1. Стико Г. Микронные механизмы // В мире науки. 1993. № 1. С. 69-78.
2. Highly Advanced National Programme (HAN - “G7 Programme”) / Asian MEMS update Semicon conference, 1998.
3. National nanotechnology Initiative. Jule 2000. Washington D.C.
4. Van Heeren H., Elders I. Foundries for MEMS/MST: a status overview 2001/2002 // MST news. 2002, № 2/02. C. 41-43.
5. NEXUS. www.nexus-mems.com.
1.9. Наноионика суперионных проводников – основа создания новых приборов для МСТ
A.Л.Деспотули, А.В.Андреева, Б.Рамбабу
Выделен новый класс суперионных проводников (СИП) – передовые суперионные проводники (ПСИП) с энергией активации ионной проводимости эВ. Предложено новое направление наноионики – наноионика ПСИП. Наносистемы твердотельных ионных проводников разделены на два класса, различающихся противоположным влиянием разупорядочения “приповерхностных” слоев на ионную проводимость и : 1) наносистемы на основе соединений с исходно малой (большие значения ); 2) наносистемы на основе ПСИП (наноПСИП). Фундаментальную проблему наноионики – сохранение быстрого ионного транспорта (БИТ) в наноПСИП – предлагается решать путем создания структурно-упорядоченных (когерентных) гетерограниц ПСИП/индифферентный электрод (ИнЭл). Для наноПСИП введены: (i) характерный параметр ( – толщина слоя ПСИП с разупорядоченной кристаллической структурой в области гетерограницы, – длина экранирования заряда подвижными ионами в объеме ПСИП) и (ii) критерий сохранения быстрого ионного транспорта (БИТ). Рассмотрены условия установления ион-электронного равновесия в наноПСИП и показано, что контактные потенциалы, возникающие при выравнивании уровней Ферми на гетеропереходах ПСИП/металл, удовлетворяют условию . Показана возможность разработки на основе когерентных гетеропереходов ПСИП/ИнЭл наноионных суперконденсаторов (ИСК) субмикрометровых размеров с удельной емкостью ~10-4 Ф/см2 и рабочей частотой ~108-109 Гц для емкостной DRAM объемом более 5 Гбит, гибридных источников энергии и мощности микросистемной техники (МСТ) и беспроводных сенсорных сетей.
Введение
Дисперсоиды ионных проводников [1-3] и гетеропереходы твердый электролит/электрод [4] – классические объекты ионики твердого тела, электрохимии твердых электролитов [5] и, одновременно, наноионики. Термин и концепция наноионики впервые даны в работе [6]. Предмет наноионики – быстрый ионный транспорт (БИТ) в наносистемах. В последние годы наноионика быстро развивается. Термин “наноионика” все более широко применяется в научных публикациях и используется для обозначения области интересов научных сообществ и организаций. Обзор развития наноионики в период 1992-2003 гг. дан в [7]. Основные приложения наноионики связаны с созданием новых материалов, функциональных структур и приборов для хранения и преобразования энергии и информации.
Известно, что особые свойства наносистем определяются наноразмерами составляющих их подсистем. Согласно [8,9], “комплексные наносистемы могут быть макроскопических размеров”. В макроскопических образцах дисперсоидов ионных проводников подсистемами являются отдельные наночастицы. В ячейках с гетеропереходами твердый электролит/электрод граничную область нанометровых размеров, отличающуюся структурой и распределением подвижных ионов, также можно рассматривать как наноподсистему. Наноподсистемы можно выделить в суперконденсаторах с двойным электрическим слоем (ДЭС), а также в электрохимических системах на основе твердых электролитов. Суперконденсаторы и электрохимические приборы субмикрометровых размеров имеют большой потенциал для использования в микросистемной технике (МСТ). На основе таких приборов могут быть созданы эффективные автономные гибридные источники энергии и мощности для питания микророботов и узлов беспроводных сенсорных сетей.
В настоящей работе вводится новое направление наноионики – “наноионика передовых суперионных проводников” (ПСИП) и формулируется ряд основных положений наноионики ПСИП. На этой основе рассматривается возможность создания тонкопленочных приборов нового класса – наноионных суперконденсаторов (НСК) с когерентными гетеропереходами ПСИП/электронный проводник.
Передовые суперионные проводники
Твердые тела с высокой униполярной ионной проводимостью (уровень электронной проводимости произвольный), превышающей при 300 К условную границу Ом-1 см-1, называют суперионными проводниками (СИП), а при выполнении неравенства – твердыми электролитами (ТЭЛ). Среди СИП мы выделяем подкласс “передовые суперионные проводники” (в английской терминологии “Advanced superionic conductors” [10]) с Ом-1 см-1 и низкой энергией активации ионной проводимости ( эВ). Классификация твердотельных ионных проводников, предложенная в [10], представлена на диаграмме (рис. 1.9.1), где в координатах “ионная проводимость – электронная проводимость” ( ) показаны области существования ионных проводников разных типов.
Рис. 1.9.1. Области существования твердотельных
ионных проводников на диаграмме
Два класса наносистем твердых ионных проводников
На границах ионных кристаллов вследствие разности энергий выхода ионов разных знаков формируются ДЭС с высокой концентрацией дефектов [11]. Толщина ДЭС (порядка радиуса Дебая ) определяется концентрацией подвижных ионов . В работе [1] обнаружено увеличение ионной проводимости в нанокомпозитах (дисперсоидах), содержащих компоненты с исходно малой , что объясняется большой плотностью ДЭС с повышенным значением .
Существует два класса ионных проводников, различающихся кристаллической структурой. В классе веществ с малой ионной проводимостью (“плохие” ионные проводники), например в LiI (300 К) Ом-1 см-1, энергия активации эВ [12], а значение (~60 нм) сравнимо с размером зерна в нанокомпозитах. Интегральные значения в нанокомпозитах “плохих” ионных проводников при размерах кристаллитов, соизмеримых с толщиной ДЭС, значительно выше, чем у составляющих компонентов. Однако ион-транспортные свойства ( , , ) нанокомпозитов плохих ионных проводников значительно хуже, чем у веществ класса ПСИП (-AgI, -RbAg4I5). Кристаллическая структура ПСИП близка к оптимальной для БИТ ( Ом-1 см-1 при 300 К, эВ). Поэтому в ПСИП дефекты кристаллической структуры будут, как правило, нарушать условия БИТ. Таким образом, при высокой концентрации дефектов в наносистемах “плохих” ионных проводниках возникает повышенная интегральная проводимость, а для ПСИП влияние дефектов будет, как правило, противоположно.
В [6] предложен общий подход наноионики к описанию свойств наносистем ионных проводников, основанный на использовании безразмерного параметра , где – ширина области с особыми свойствами, – характерный размер наноприбора (наноструктуры). Если особые свойства наносистем “плохих” ионных проводников определяются областью ДЭС (шириной ), то параметр . Однако в качестве могут использоваться и иные величины. Например, катализатор топливного элемента работает эффективно, когда ширина обогащенной протонами области (длина диффузии протонов ) сравнима со средним размером наночастиц катализатора и параметром наносистемы будет , а при твердофазном синтезе новых соединений в наносистемах типа металл-AgI (CuI) [13-16] растворение металлов в пленках ионных проводников нанометровой толщины сопровождается одновременным вводом электронных носителей и ионов (электронейтральность в слое с особыми свойствами сохраняется), поэтому в качестве следует использовать такие величины, как критический радиус зародыша новой фазы , средний размер кристаллита и др.
Вычисления для ПСИП -RbAg4I5 (300 К) с концентрацией подвижных Ag+-ионов м-3 по формуле Дебая
, (1)
где – электрическая постоянная, равная 8,8510-12 Ф/м; – относительная диэлектрическая проницаемость, равная 1 для вакуума; – постоянная Больцмана (1,41023 ДжК-1); – температура СИП по шкале Кельвина (300 К); – заряд электрона, равный 1,610-19 Кл) дают значения нм (меньше размера иона), что указывает на необходимость использования другой формулы для расчета длины экранирования заряда [17].
В ПСИП семейства RbAg4I5 при 300 К частота колебаний подвижных ионов Ag+ в потенциальных ямах составляет c-1 и перескоки ионов Ag+ между соседними позициями через барьеры высотой 0,1 эВ происходят с частотой ~1010 с-1. Согласно [18], в RbAg4I5 концентрация “парящих” над барьерами ионов Ag+ ~1026 м-3. Для “парящих” над барьерами ионов формула (1) дает нм и, поскольку размер иона Ag+ в несколько раз меньше указанного значения, то (1) можно использовать для оценки длины экранирования заряда. При изменении потенциала индифферентного электрода (ИнЭл) на границе RbAg4I5/ИнЭл ионы Ag+, находящиеся над потенциальными барьерами, сформируют в течение интервала времени с ДЭС толщиной нм, а при с в формировании ДЭС примут участие все ионы Ag+ с концентрацией 1028 м-3, так что длина экранирования поверхностного заряда ИнЭл должна быть меньше 0,5 нм. Для описания свойств наносистем ПСИП ( нм) безразмерный параметр ранее не использовался, поскольку не было понятно с какими характерными величинами системы можно сравнивать столь малые значения . Это, на наш взгляд, существенно ограничивало развитие наноионики СИП.
Если к настоящему времени влияние ДЭС на в наносистемах “плохих” ионных проводников исследовано сравнительно подробно (см., например, [19-27]), то работ по свойствам ДЭС в наносистемах на основе ПСИП (наноПСИП) гораздо меньше [7, 28-35]. Таким образом, выполненный анализ показывает, что дефекты кристаллической структуры увеличивают проводимость в наносистемах “плохих” ионных проводников и, как правило, должны понижать в наноПСИП, поскольку нарушаются условия для БИТ. Отсюда следует, что рассматриваемые наносистемы можно разделить на два класса с принципиально различным характером структурного дизайна для получения БИТ:
• наносистемы на основе веществ с малой ионной проводимостью и характерным параметром ;
• наносистемы на основе ПСИП, для которых характерный параметр неизвестен.
Структурно-совершенные (когерентные) гетерограницы в ПСИП
Гетеропереходы электрод/твердый ионный проводник – классические объекты исследования. В [4] для объяснения медленных релаксационных процессов на электроде введено представление об адсорбции заряженных ионов на границе. Понятие дефектной структуры поверхности границы дано в [36], а понятие эффективной толщины переходного дефектного слоя – в [37]. Развитию модели адсорбционной релаксации двойного слоя в СИП посвящена работа [38]. Медленные диффузионные процессы на электроде (большие значения энергии активации ) в модели адсорбции связываются с движением ионных дефектов. Однако, все перечисленные модели являются феноменологическими и не учитывают конкретную атомную структуру гетерограниц, которая в ряде случаев может иметь протяженность, соизмеримую с в объеме ПСИП и, по нашему мнению, определяет БИТ в наноПСИП.
Несмотря на исключительно важную роль поверхностей в современных приборах подход к явлениям и процессам на гетерограницах ПСИП остается таким же, как и несколько десятилетий назад, что препятствует созданию новых классов приборов на основе наноПСИП. Суперконденсаторы на основе ПСИП разрабатываются в течение нескольких десятилетий. Однако и в настоящее время конструкторы этих приборов опираются на результаты, сформулированные в [5]: “В -AgI, RbAg4I5 емкость экспоненциально зависит от температуры, что соответствует представлению о достаточно высокой энергии их поверхностного разупорядочения (большие значения энергии активации )”. Таким образом, в существующих конструкциях суперконденсаторов уникальные ион-транспортные свойства ПСИП фактически не используются для значительного повышения емкостно-частотных характеристик и к этим конструкциям не применим современный подход: “от передовых материалов к передовым приборам” [33,34].
Атомная структура гомо- и гетерофазных границ раздела и анализ процессов, протекающих на границах, находятся в фокусе материаловедения в течение нескольких десятилетий. Термины и подходы, такие как “кристаллоинженерия границ зерен” и “граничный дизайн”, впервые введенные в работах Ватанабе [39], были успешно применены для создания перспективных микро(нано)структурированных композитных материалов со значительно улучшенными механическими свойствами [39-41], а в последние годы – для создания перспективных микро(нано)электронных и магнитных материалов [42-44]. В отличие от других дисциплин, электрохимия твердых электролитов лишь в самых последних работах [45-47] фокусирует свое внимание на кристаллохимии и кристаллографии когерентных и полукогерентных границ электролит-электрод в целях прогнозирования и контроля электрохимических процессов.
Проблема дизайна гетерограниц ПСИП/электрод для сохранения БИТ, впервые сформулированная в работах [9,31-35,48,49], выполненных в ИПТМ РАН в 2003 г., является центральной в наноионике ПСИП. По нашему мнению, фундаментальная научная задача наноионики ПСИП – теоретическое и экспериментальное наноконструиро-вание новых материалов, микроструктур и моделей наноприборов на базе ПСИП с сохранением БИТ. В основе решения лежит оригинальная гипотеза формирования структурно-упорядоченных когерентных гетерограниц ПСИП/ИнЭл с определенным расположением “каналов БИТ” в ПСИП, где потенциальные барьеры для движения подвижных ионов ~0,1 эВ.
Методологической основой наноконструирования ПСИП должны стать принципы синергетики, в соответствии с которыми эффективное управление неравновесными системами может осуществляться при условии адекватности (резонанса) внешних управляющих воздействий и внутренних коллективных свойств системы (результат самоорганизации). К внутренним параметрам исследуемых наносистем ПСИП относятся:
• кристаллохимия гетерограниц;
• решеточное сопряжение;
• граничная поляризация связей;
• ионные и электрические характеристики гетеропереходов и др.
К внешним параметрам относятся:
• изменение химического состава ПСИП;
• симметрия внешних полей (деформационного, электрического, магнитного и др.).
Теоретическое и экспериментальное исследование факторов влияния граничного дизайна на синтез наносистем, анализ управляющих внешних воздействий, согласующихся с анизотропными внутренними свойствами и процессами самоорганизации системы, позволят выполнить модельную генерацию и экспериментальную селекцию наносистем с БИТ и уникальными свойствами (пленочные гетероструктуры ПСИП/электрод, многослойные и порошковые электродные композиты на основе ПСИП и др.).
С точки зрения термодинамики и кристаллографии границ адсорбционная релаксация [4] означает формирование более плотно упакованных (низкоэнергетических) границ. Границы, которые генерируют высокие концентрации дефектов, нарушают условия для БИТ в наноПСИП. В [50] обнаружено резкое возрастание энергии активации в пленках RbAg4I5 толщиной менее 50 нм, которое объяснено нарушением кристаллической структуры RbAg4I5 в слоях, прилегающих к подложке из плавленого кварца или стекла. Данные [50] свидетельствуют о подавлении БИТ в системе с большой долей в микроструктуре неупорядоченных гетерограниц (границ общего типа). Поэтому для обеспечения БИТ в наноПСИП нужны структурно-совершенные гетерограницы. Актуальной проблемой наноионики ПСИП является поиск условий формирования бездефектных границ.
В работах [9,31-35,48,49] впервые сформулировано представление о кристаллографически совершенных гетерограницах ПСИП, которые позволяют сохранять объемную концентрацию подвижных ионов и БИТ в ДЭС. Гетеропереходы ПСИП/электрод со структурно-совершенными (когерентными) границами должны отличаться высокой электрической емкостью и рекордно малым временем отклика на изменение потенциала. С кристаллографической точки зрения низкоэнергетические когерентные границы отвечают плотной атомной упаковке и экстремуму свободной энергии, определяемому симметрией [51-54].
В [55] представлен пример системы металл (Pd) – сегнетоэлектрик (SrTiO3) с когерентной границей (решеточное несоответствие 1,5%). Сверхтонкие слои с когерентными границами получены также в [56], где в условиях сверхвысокого вакуума (~ 10-7 Па) методом гетероэпитаксии при скорости осаждения примерно один монослой в минуту на плоскости (001) Cu были выращены пленки LiCl (001) толщиной 1-5 монослоев (взаимный поворот кристаллов для наилучшего решеточного сопряжения составлял 45°). Локальную электронную структуру на гетерогранице определяли по особенностям на краях спектров поглощения при регистрации потерь энергии электронов (EELS) [56]. Согласно данным (EELS), при наличии когерентности уже первые монослои диэлектрика, выращенного эпитаксиально на ориентированной металлической подложке, могут иметь такую же, как в объеме, электронную структуру. Таким образом, актуальными задачами наноионики СИП является поиск условий образования, и изучение свойств когерентных гетерограниц в СИП.
Параметр сохранения БИТ в наноПСИП и ион-электронные процессы на гетеропереходах ПСИП/индифферентный электрод
В настоящей работе вводится параметр сохранения БИТ в наноПСИП – . Пусть – толщина переходного слоя ПСИП в области гетерограницы с разупорядоченной кристаллической структурой, a – длина экранирования заряда подвижными ионами в объеме ПСИП. Величина кратна периоду кристаллической решетки ПСИП (~0,5 нм), а значение в объеме ПСИП (например, -AgI или -RbAg4I5) меньше 0,5 нм. Тогда отношение является параметром, у которого диапазон значений, представляющих практический интерес, ограничен несколькими единицами. При кристаллическая структура ПСИП будет нарушена только в первом монослое на гетерогранице. Формирование гетеропереходов с представляет комплексную проблему, включающую задачи теоретического и экспериментального характера. Этот случай наиболее интересен для приложений (сохранение БИТ), поскольку при больших значениях дефектная область простирается на несколько периодов кристаллической решетки. Следует отметить, что упругие напряжения, всегда присутствующие на эпитаксиально выращенной гетерогранице, в общем случае будут влиять на БИТ в наноПСИП. Однако, если напряжения небольшие (что определяется соответствием решеточных параметров) и существенным образом не изменяют диаметр и распределение каналов БИТ в структуре ПСИП, то их влияние будет значительно меньше, чем вклад от различного рода локальных поверхностных дефектов, преципитатов фаз и др.
При создании гетероперехода ПСИП/ИнЭл происходит выравнивание уровней Ферми и перенос носителей заряда через границу. Для объемных ПСИП ион-электронные процессы на гетерограницах впервые подробно рассмотрены в [57]. Покажем, что в наноионике ПСИП выравнивание уровней Ферми не сопровождается появлением заметных изгибов зон и контактных потенциалов.
Пусть работа выхода ИнЭл больше, чем у ПСИП ( ). Тогда электроны ПСИП переходят на ИнЭл, создавая контактный потенциал с предельным значением , а на поверхности ПСИП индуцируется противоположный по знаку заряд подвижных ионов. Глубина проникновения электрического поля в ПСИП и толщина возникшего ДЭС будут . Последняя величина задается концентрацией подвижных ионов на границе ПСИП (для когерентных гетеропереходов в RbAg4I5 м-3). Электрическая емкость единицы площади ДЭС . Используя формулу и выражение для получим, что поверхностная плотность ионного заряда на обкладке ДЭС будет
. (2)
Пусть концентрация электронных носителей в ПСИП имеет обычные для широкозонных материалов значения ( м-3). Тогда для создания на поверхности металла электронного заряда с плотностью образец должен иметь толщину , удовлетворяющую соотношению
. (3)
Приравнивая выражения для (2) и (3), получим
. (4)
Если В, то мм, что невозможно в микро- и наноэлектронике.
Таким образом, основное положение физики гетеропереходов – условие выравнивания в равновесии уровней Ферми для электронных носителей – выполняется в наноПСИП без образования заметных изгибов зон и контактных потенциалов ( ), что является следствием малости значений (пленки) и (высокие концентрации подвижных ионов).
Если в тонкопленочной структуре ( мм) ( ), то перетекание электронов из ИнЭл в ПСИП формирует поверхностный положительный заряд на ИнЭл. Перешедшие в ПСИП электроны перераспределяются однородно в пленке ПСИП и поднимают уровень Ферми ПСИП до уровня Ферми ИнЭл без возникновения контактного потенциала измеримой величины ( ). Проникновение поля в ПСИП экранируется оттоком подвижных ионов от поверхности ПСИП и в области гетероперехода формируется ДЭС толщиной нм (для RbAg4I5). Изменение концентрации электронных носителей в пленке ПСИП компенсируется увеличением концентрации подвижных ионов , что не должно заметно влиять на ион-транспортные свойства структуры ПСИП, поскольку м-3 (для RbAg4I5). Характерное время установления равновесных состояний на гетерограницах в наноПСИП можно оценить, используя данные [57] для коэффициента диффузии самозахваченных электронов в ПСИП RbAg4I5 ( см2/с при 300 К). Для наноПСИП размером см время перехода в равновесное состояние составит с.
Создание новых типов наноионных приборов
Выше было показано:
• длина экранирования заряда В ПСИП (-RbAg4I5, 300 К, м-3) меньше ~0,5 нм;
• на когерентных гетеропереходах ПСИП/ИнЭл должен сохраняться БИТ в ДЭС ПСИП ( и высота потенциальных барьеров для перескоков подвижных ионов близки к значениям в объеме).
Отсюда следует, что на основе когерентных гетеропереходов, обладающих высокими значениями удельной емкости и малыми временами переходных процессов, могут быть созданы новые типы наноионных приборов (суперконденсаторы и сенсоры [31-35]). Оценки электрической емкости и максимальной рабочей частоты наноионных суперконденсаторов (НСК) на основе ПСИП семейства RbAg4I5 впервые сделаны в [31-35]. Было показано, что находящиеся над потенциальными барьерами подвижные ионы -RbAg4I5 с концентрацией м-3 за время с сформируют ДЭС толщиной нм и емкостью мкФ/см2 ( – площадь электрода, – относительная диэлектрическая проницаемость, равная 1 для вакуума). Полная концентрация Ag+-ионов в RbAg4I5 равна 1028 м-3 и при частоте перескоков ~10-10 с-1 все ионы Ag+ смогут принять участие в формировании ДЭС при с. Толщина такого ДЭС будет меньше нм. Поэтому когерентные гетеропереходы позволят создать высокочастотные конденсаторы с ДЭС (НСК) с удельной емкостью выше ~20 мкФ/см2. Полагаем, что значений удельной емкости ~1000 мкФ/см2 можно достичь, если на поверхности электродов формировать системы наноразмерных кристаллографических ступенек и/или фасеток, не нарушающих когерентную структуру гетерограниц. При рабочем напряжении 0,5 В максимальная энергия, запасаемая рассматриваемыми пленочными НСК составит Дж/см2. Если толщина пленки прибора ~10-5 см, а средняя плотность 5 г/см3, то удельная энергия будет ~2 Дж/г. Это в 20 раз меньше, чем у лучших таблеточных суперконденсаторов [33,58], в которых используются распределенные электроды из наноструктурированного углерода, жидкие электролиты и рабочее напряжение 3 В.
В приборах таблеточного типа высокие удельные характеристики достигаются путем рационального использования объема. В микро(нано)приборах отношение поверхность/объем в 103–105 раз больше, чем у таблеточных аналогов, поэтому остается единственный путь увеличения удельных характеристик – рациональное использование поверхности. Получение гетеропереходов с когерентными границами – ключевой момент при создании новых типов наноионных приборов (сенсоров, эффективных микроисточников энергии и мощности и др.) для микро(нано)электромеханических систем (МЭМС и НЭМС) [9,31-35,48,49] и беспроводных сенсорных сетей.
На рис. 1.9.2 показано электронно-микроскопическое изображение матрицы ячеек (100100 нм), сформированных методом прямой электронно-лучевой литографии в пленках ПСИП (RbAg4I5) толщиной 40 нм на углеродной подложке [6]. На основе подобных наноструктур могут быть созданы матрицы НСК высокой плотности.
Рис. 1.9.2. Электронно-микроскопическое изображение
матрицы ячеек (100×100 нм), сформированных
методом прямой электронно-лучевой литографии в пленках ПСИП (RbAg4I5) толщиной 40 нм на углеродной подложке
Известно [59], что для нормального функционирования емкостной памяти любой плотности отдельные ячейки должны иметь емкость не менее 25 фФ. В 5-гигабитной DRAM отдельные ячейки памяти будут иметь площадь менее 0,1 мкм2, поэтому удельная емкость ячеек должна быть выше 250 фФ/мкм2 (25 мкФ/см2). Такие и более высокие значения удельной емкости могут обеспечить когерентные гетеропереходы ПСИП/ИнЭл. В ячейках памяти субмикрометровых размеров толщина слоя ПСИП может быть ~10-5–10-6 см. Слой RbAg4I5 ( Ом-1 см-1 при 300 К) толщиной 10-5-10-6 cм и площадью 1 см2 будет иметь сопротивление Ом. Поэтому постоянная времени отдельной ячейки с удельной емкостью 100 мкФ/см2 будет ~310-9-310-10 с (максимальная частота функционирования 0,3-3 ГГц). Достигнутое в результате многолетних разработок фирм-лидеров электронной промышленности (NEC, SAMSUNG, MITSUBISHI, TOSHIBA) максимальное значение удельной емкости для сегнетоэлектрической памяти DRAM составляет 150 фФ/мкм2. Данные обзоров [59,60] и пресс-релизы высокотехнологичных корпораций [61] показывают отсутствие заметного прогресса в создании высокоплотной сегнетоэлектрической DRAM (площадь отдельных ячеек превышает 0,5 мкм ) в период 1995-2003 гг. Таким образом, когерентные гетеропереходы ПСИП/ИнЭл представляют интерес для разработки НСК субмикрометровых размеров с удельной емкостью ~10-4 Ф/см2 и рабочей частотой ~108–109 Гц для емкостной DRAM объемом более 5 Гбит.
Вследствие рекордно высоких рабочих частот НСК с когерентными гетеропереходами по удельной мощности должны значительно превосходить таблеточные суперконденсаторы существующих типов [33,58].
Диаграмма соотношения удельных энергии и мощности для различных источников питания и проектируемых тонкопленочных НСК показана на рис. 1.9.3. Область параметров проектируемых НСК выделена эллипсом (1 – удельная емкость 300 мкФ/см2, В, рабочая частота 1 МГц; 2 – удельная емкость 300 мкФ/см2, В, рабочая частота 10 МГц; 3 – удельная емкость 300 мкФ/см2, В, рабочая частота 1 МГц).
Рис. 1.9.3. Удельные энергия и мощность различных типов источников тока,
суперконденсаторов и “оптимальных” гибридных источников
Проведем оценку значений потенциальных барьеров для перескоков ионов в области ДЭС на гетеропереходах ПСИП семейства RbAg4I5/ИнЭл в НСК с рабочей частотой 1-10 МГц. Частота перескоков ионов между минимумами потенциального кристаллического рельефа определяется формулой
, (5)
где эВ для 300 К, а частота попыток перескоков барьеров для ионов серебра Гц. Для проектируемых НСК значения емкости должны реализоваться в течение с, поэтому частота перескоков Гц. Логарифмирование формулы (5) дает
. (6)
Подстановка числовых значений в (6) приводит к значениям эВ, что примерно в три раза больше, чем энергия активации в RbAg4I5 и соответствует значениям энергии активации обычных СИП.
В последние годы наблюдается возрастающая активность в исследованиях и применениях (в том числе военных) беспроводных сенсорных сетей (WINS – Wireless Sensor Networks) [62]. На основе компьютерных технологий WINS будут обеспечивать связь между физическим миром и растущей по экспоненте информационной инфраструктурой. Беспроводные сети будут встраиваться в вещи, продукты, людей, придавая им качественно новые свойства, функциональность, возможности и способности, обеспечивая следующие поколения революционных технических инноваций. Беспроводные сети будут широко применяться в военной и гражданской сферах: интеллектуальное оружие и информационные системы поля боя, военные системы разведки и оповещения, “умные” постройки (smart bildings), транспорт, информационная безопасность, автоматизация производства, робототехника и др. Действие WINS основывается на полностью автоматизированных, автономных и свободно расположенных в пространстве узлах, действующих в условиях сильного дефицита энергии. Энергия в узлы WINS, как правило, будет поступать непосредственно из окружающей среды.
МСТ требуются источники с “оптимальным” соотношением энергия-мощность. Рассмотрим это положение на примере беспроводных сенсорных сетей, где мощность отдельного импульса сеансе радиопередачи сенсорного узла определяется расстоянием уверенного приема и зависит от расстояния в степени 2-6 (в зависимости от окружающей среды). Энергия, излучаемая в сеансе радиосвязи сенсорным узлом, определяется выражением
, (7)
где – число импульсов в сообщении; – длительность отдельного импульса.
Таким образом, источник питания сенсора должен обеспечивать заданное соотношение энергии и мощности.
Функционирование беспроводных сенсорных сетей предполагает использование гибридных источников. Например, большое значение придается развертыванию в космическом пространстве WINS с тысячами автономных узлов, базирующихся на пикоспутниках, чья масса не будет превышать нескольких сот граммов. Энергопитание пикоспутников будет осуществляться от миниатюрных гибридных источников, содержащих фотоэлемент, основную батарею (Li-батарея) и НСК, обеспечивающий режим радиокоммуникаций. Солнечная энергия, накапливаясь в Li-батарее, по мере необходимости расходуется НСК, который должен обеспечить высокую мощность в режиме передачи, определяемую расстоянием уверенного приема. Энергия, запасаемая в НСК, определяется протоколом сообщения.
Предполагается, что миниатюрные НСК обеспечат рекордно высокие удельные характеристики (мощность–энергия) и будут значительно устойчивее по сравнению с другими типами конденсаторов в сильных полях проникающих ионизирующих излучений. На диаграмме “удельная энергия – удельная мощность” (рис. 1.9.3) “оптимальный” гибридный источник, содержащий НСК, попадает в правый верхний угол.
Выводы
Предложена новая классификация твердотельных ионных проводников. Выделен новый класс “передовых суперионных проводников” (ПСИП).
Предложено новое направление наноионики – наноионика ПСИП.
Наносистемы твердых ионных проводников разделены на два класса:
• наносистемы на основе веществ с малой ионной проводимостью и параметром ( – толщина граничной области с особыми свойствами, – характерный размер наноструктуры). Для наносистем с ДЭС , где – радиус Дебая, ;
• наносистемы на основе ПСИП.
Для наноионики ПСИП введены:
• характерный параметр наноПСИП (d – толщина слоя с разупорядоченной дефектной кристаллической структурой в области гетерограницы, – длина экранирования заряда подвижными ионами в объеме ПСИП);
• критерий сохранения быстрого ионного транспорта (БИТ) на гетерограницах ПСИП/электрод.
Фундаментальную проблему наноионики – сохранение быстрого ионного транспорта (БИТ) в наноПСИП – предлагается решать путем создания структурно-упорядоченных (когерентных) гетерограниц ПСИП/индифферентный электрод (ИнЭл).
Для решения задачи сохранения БИТ в наноПСИП предложена идея формирования структурно упорядоченных когерентных гетерограниц ПСИП/индифферентный электрод (ИнЭл).
На основе анализа ион-электронных процессов на гетеропереходах ПСИП/ИнЭл показано, что в наноионике ПСИП выравнивание уровней Ферми на гетеропереходах не сопровождается заметным изгибом зон и появлением контактных потенциалов измеримой величины ( ).
Показано, что когерентные гетеропереходы ПСИП/ИнЭл должны обладать высокой удельной электрической емкостью и рекордно малым временем отклика на изменение потенциала, что открывает возможности для создания новых типов наноионных приборов: ячейки памяти для DRAM объемом более 5 Гбит, НСК гибридные источники питания для МЭМС и беспроводных сенсорных сетей, пленочные сенсоры и др.
Авторы выражают благодарность В.В.Аристову и П.П.Мальцеву за поддержку работы.
Список литературы
1. Liang С.С. Conduction characteristics of the lithium iodide aluminum oxide solid electrolytes // J. Electrochem. Soc. 1973. V. 120. P. 1289-1292.
2. Shahi K., Wagner J.B. Fast ion-transport in silver-halide solid-solutions and multiphase systems//Appl. Phys. Lett. 1980. V. 37. P. 757-759.
3. Maier J. Enhancement of the ionic conductivity in solid-solid-dispersions by surface induced defects // Ber. Bunsenges. Phys. Chem. 1984. V. 88. P. 1057-1062.
4. Raleigh D.O., Crowe H.R. // J. Electrochem. Soc. 1971. V. 1. 18. P. 79.
5. Чеботин В.Н., Перфильев М.В. Электрохимия твердых электролитов. М.: Химия, 1978.
6. Despotuli A.L., Nikolaichic V.I. A step towards nanoionics // Solid State Ionics. 1993. V. 60. P. 275-278.
7. Despotuli A.L., Andreeva A.V. Nanoionics as a way towards new discoveries and applications. E-publication. 2003 // http://preprint.chemweb.com/physchem/0309001
8. Drexler К.Е. Nanosystems: molecular machinery, manufacturing, and computation. Wiley Interscience, 1992. 576 p.
9. http://www.foresight.org/Nanosystems/glossary/glossary_n.html
10. Despotuli A.L., Andreeva A.V., Rambabu B. Nanoionics of Advanced Superionic Conductors // Book of Abstracts “Patras Conference on Solid State Ionics-Transport Properties” September 14-18,2004. P. 66.
11. Lehovec K.J. Space-charge layer and distribution of lattice defects at the surface of ionic crystal // J. Chem. Phys. 1953. V. 21. P. 1123.
12. Chandra S. Superionic solids. North–Holland Publishing Company, 1981. 404 p.
13. Деспотули А.Л., Деспотули Л.А. Влияние Sm на оптическое поглощение в тонких пленках твердого электролита RbAg4I5 // ФТТ. 1997. Т. 39. С. 1544-1549.
14. Despotuli A.L. Insertion of rare-earth metals into AgI-based compounds. First evidence of disordering and strong modification of and -AgI crystal structures // New Trends in Intercalation Compound for Energy Storage. Dordrecht; Boston; London: Kluwer Academic Publishers. NATO Science Series II. Mathematics, Physics and Chemistry / Eds. С. Julien et al. 2002. V. 61. P. 455-462.
15. Despotuli A.L., Levasbov V.I. Insertion transition, rare-earth and actinoid elements into AgI and CuI E-publication. 2002 // http://preprint.chemweb.com/inorgchem/0208001
16. Деспотули А.Л., Левашов В.И., Матвеева Л.А. Внедрение 3d- и 4f-элементов в AgI // Электрохимия. 2003. Т. 39. С. 526-532.
17. Keblinski P., Eggebrecht J., Wolf D., Phillpot S.R. Molecular dynamics study of screening in ionic fluids // J. Chem. Phys. 2000. V. 113. P. 282-291.
18. Волков А.А., Козлов Г.В., Мирзоев Г.И., Гоффман В.Г. Субмиллиметровые колебательные спектры суперионного проводника RbAg4I5 // Письма в ЖЭТФ. 1983. Т. 38. С. 182-184.
19. Maier J. Crystalline solid electrolytes and defect chemistry: some novel thermodynamic and kinetic results // Solid State Ionics. 1996. V. 86-88. P. 55-67.
20. Lee J.-S., Adams St., Maier J. A mesoscopic heterostructure as the origin of the extreme ionic conductivity in AgI:Al2O3 // Solid State Ionics. 2000. V. 136-137. P. 1261-1266.
21. Maier J. Point-defect thermodynamics and size effects // Solid State Ionics. 2000. V. 131. P. 13–22.
22. Maier J. Thermodynamic aspects and morphology of nanostructured ion conductors. Aspects of nanoionics. Part I // Solid State Ionics. 2002. V. 154-155. P. 291-301.
23. Maier J. Defect chemistry and ion transport in nano-structured materials. Part II. Aspects of nano-ionics // Solid State Ionics. 2003. V. 157. P. 327-334.
24. Maier J. Nano-sized mixed conductors. Aspects of nano-ionics. Part III // Solid State Ionics. 2002. V. 148. P. 367-374.
25. Maier J. Nano-Ionics: Trivial and Non-Trivial Size Effects on Ion Conduction in Solids// Z. Phys. Chem. 2003. V. 217. P. 415–436.
26. Sata N., Eberman K., Eberl K., Maier J. Mesoscopic fast ion conduction in nanometerscale planar heterostructures //Nature. 2000. V. 408. P. 946-949.
27. Jamnik J., Maier J. Nanocrystallinity effects in lithium battery materials. Aspects of nano-ionics. Part ГУ // Phys. Chem. 2003. V. 5. P. 5215-5220.
28. Despotuli A.L., Shestakov A.A., Lichkova N.V. An external electric field effect in electron-beam lithography of RbAg4I5 solid electrolyte film // Solid State Ionics. 1994. V. 70/71. P. 130-133.
29. Choy J.H., Park N.G., Kim Y.I., Hwang S.H., Lee J.-S., Yoo H.-I. Molecular layer by layer engineering of superconducting and superionic materials in the (AgI)Br2Sr2CaCu2Oy system // J. Phys. Chem. 1995. V. 99. P. 7845-7848.
30. Choy J.H., Kim Y.I., Hwang S.J. Superionic and superconducting nanohybrids with heterostructure, AgxIwBi2Sr2Can-1CunO, (0,76x1,17, n = 1, 2, and 3) // J. Phys. Chem. В 1998. V. 102. P. 9191-9202.
31. Despotuli A.L., Andreeva A.V. Double-layer thin-film supercapacitors for nano-electro-mechanical systems (NEMS) // Proc. IARP International workshop “Micro Robots, Micro Machines, Micro Systems”, Moscow, April 24–25. 2003. P. 129-141.
32. Despotuli A.L., Andreeva A.V. The design of solid electrolyte/electrode interface as a way nanoionics and thin-film double electric layer supercapacitors for micro (nano) electronics and microsystem technology. E-publication. 2003 // http://preprint.chemweb.com/physchem/0306011.
33. Деспотули А.Л., Андреева А.В. Создание новых типов тонкопленочных твердоэлектролитных суперконденсаторов для микросистемной техники и микро(нано)электроники. Ч. 1 // Микросистемная техника. 2003. № 11. С. 2-10.
34. Деспотули А.Л., Андреева А.В. Создание новых типов тонкопленочных твердоэлектролитных суперконденсаторов для микросистемной техники и микро(нано)электроники. Ч. 2 // Микросистемная техника. 2003. № 12. С. 2–6.
35. Деспотули А.Л., Андреева А.В. Наноионика суперионных проводников // Материалы 7-го Совещания “Фундаментальные проблемы ионики твердого тела”. Черноголовка, 16-18 июня. 2004. С. 22.
36. Лифшиц И.М., Гегузин Я.Е. Поверхностные явления в ионных кристаллах // ФТТ. 1965. Т. 7. С. 62-74.
37. Чеботин В.Н., Соловьева Л.М. Строение и емкость двойного электрического слоя в твердых электролитах // Электрохимия. 1968. Т. 4. С. 858–862.
38. Укше Е.А., Букун Н.Г. Развитие модели адсорбционной релаксации двойного слоя в суперионных проводниках // Электрохимия. 1990. Т. 26. С. 1373-1381.
39. Watanabe T. An approach to grain boundary design for strong and ductile polycrystals // Res Mechanica. 1984. V. 11. P. 47-84.
40. Watanabe Т., Tsurekawa S. The control of brittleness and development of desirable mechanical properties in polycrystalline systems by grain boundary engineering // Acta mater. 1999. V. 47. P. 4171-4185.
41. Watanabe T. A new approach to grain boundary engineering for structural and funcional materials in the 21st century // Int. Conf., “Interfaces in advanced materials”, Book of abstracts, Chernogolovka, 26-30 May, 2003. P. 2.
42. Il'in A.I., Andreeva A.V., Tolkunov B.N. Characteristic features of grain structure and electron properties of thin bismuth films // Mat. Sci. Forum. 1996. V. 207-209. Part 2. P. 625-628.
43. Андреева А.В., Ильин А.И., Кононенко О.В. Процессы самоорганизации и граничный дизайн в субмикронных пленках Bi, Bi-Sb, полученных методами конденсации из молекулярного и частично ионизированного потока испаряемого материала в высоком вакууме // Труды международного междисциплинарного симпозиума “Фракталы и прикладная синергетика”. Москва. 2003. С. 118-122.
44. Andreeva А.V., Talijan N.М., Milutinovic A. at el. Interface design of high coercive sintered permanent magnets of the SmCo5-type. E-publication. 2003 // http://preprint.chemweb.com/inorgchem/0302001.
45. Backhaus-Ricoult M., Trichet M.-F. Interfacial chemistry at metal electrode – oxide electrolyte contacts // Solid State Ionics. 2002. V. 150. P. 143-156.
46. Roöttger R., Schmalzried H. Chemical kinetics at solid/solid interfaces // Solid State Ionics. 2002. V. 150. P. 131-141.
47. Kolb D.M. An atomistic view of electrochemistry // Surface Science. 2002. V. 500. P. 722-740.
48. Andreeva A.V., Despotuli A.L. The interface design of thin film system based on solid state electrolyte (RbAg4I5) as a way to wards supercapacitors // hit. Conf. “Interfaces in advanced materials”, Book of abstracts, Chernogolovka, 26-30 May. 2003. P. 32.
49. Деспотули А.Л., Андреева А.В. Тонкопленочные твердоэлектролитные суперконденсаторы для микро(нано)электроники и микросистемной техники // Материалы международной научно-практической конференции INTERMATIC-2003. Москва. 9-12 июня. 2003. С. 156-160.
50. Деспотули А.Л., Личкова Н.В., Миненкова Н.А., Носенко С.В. Получение и некоторые свойства тонких пленок твердых электролитов CsAg4Br3-xI2+x и RbAg4I5 // Электрохимия. 1990. Т. 26. С. 1524-1528.
51. Андреева А.В. Симметрия межкристаллитных границ: приложение к задачам гетероэпитаксии // Поверхность. Физика, химия, механика. 1990. № 46. С. 117-123.
52. 5Андреева А.В., Фирсова А.А. Симметрия межкристаллитных границ: алгоритмы, программы, таблицы // Препринт ИПТМ АН СССР, Черноголовка, 1990. 44 С.
53. Andreeva А.V. The interface symmetry and heteroepitaxy // Material Science Forum. 1991. V. 69. P. 111-115.
54. Andreeva A.V., Meiler D.L. The interface symmetry and epitaxy in NiGaAs system // Crystal properties and preparation. 1991. V. 35-38. P. 358-363.
55. Benthem K., Pennycook S.J. High resolution EELS with the aberration corrected STEM: determining interfacial electronic structures with high accuracy // Microscopy and Microanalysis. Annual meeting of the Microscopy Society of America. Savannah, Georgia. August 1-5. 2004 (http://www.ornl.gov/~webworks/cppr/y2001/pres/ 119941.pdf).
56. Kiguchi M., Inoue H., Sasaki T. at el. Electronic structure of alkali halide-metal interface: LiCl(001)/Cu(001) // Surf. Sci. 2003. V. 522. P. 84-89.
57. Bredikhin S., Hattory Т., Ishigame M. Schottky barriers and their properties in superionic crystals // Phys. Rev. B. 1994. V. 50. P. 2444-2449.
58. http://www.skeleton-technologies.com
59. Ezhilvalavan S., Tseng T. Progress in the developments of (Ba, Sr)TiO3 (BST) thin films for Gigabit era DRAMs // Materials Chemistry and Physics. 2000. V. 65. P. 227-248.
60. Jones R.E., Zurcher P., Chu P. at el. Memory application based on ferroelectric and high-permittivity dielectric thin films // Microelectronic Engineering. 1995. V. 29. P. 11-15.
61. http://www.iapplianceweb.com/story/oeg20030624s0046.htm
62. Levis F.L. Wireless Sensor Networks // Smart Environments: Technologies, Protocols, and Applications / Eds. D.J.Cook and S.K.Das. John Wiley. New York. 2004.