Наноэлектроника Part one. Основные понятия. Состояние и главные тенденции нанотехнологий и наноэлектроники

Термин “нано” (от греческого «нанос»— карлик) был введен в информационные технологии в 1974 г. японским инженером Норио Танигучи. Нанотехнологии (nanotechnology) — области науки и техники, описывающей процессы, происходящие в пространстве с линейными наноразмерами и позволяющей конструировать, изготовлять и использовать на практике наноразмерные объекты и системы различной, природы. Наноэлектроника – совокупность электронных приборов, устройств и систем, принцип работы которых основан на использовании квантово-размерных эффектов. Нанообъект - это физический объект исследований (и разработок), размеры которого принято измерять в нанометрах.

Стр. 3 из 20

Первое упоминание методов, которые впоследствии будут названы нано- технологией, связывают с выступлением Ричарда Фейнмана «Там внизу много места» («There’s Plenty of Room at theBottom»), сделанным им в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте. Ри́чард Фе́йнман — выдающийся американский физик, один из создателей квантовой электродинамики. Реформатор методов преподавания физики в вузе. Лауреат Нобелевской премии по физике 1965.

Стр. 4 из 20

Основные признаки нанотехнических устройств и систем:

• Наличие в составе системы компонентов размером 1-100нм.
• Обуславливание функциональных особенностей этих устройств наноразмерами их компонентов.
• Наличие возможности контроля квантово-размерных эффектов и технологических процессов, т.е. возможность видеть, измерять и манипулировать в нанометровой области.
• Полная интеграция данных устройств и в полноценную функционирующую систему нано–, микро–, милли– или метрового масштаба.

Стр. 5 из 20

Основные направления развития нанотехнологии:

• изготовление электронных схем, в том числе, объемных (аналогичных нейросетям), с активными элементами, линейные размеры которых сравнимы с размерами единичных молекул и атомов;
• непосредственное манипулирование атомами и молекулами, а также сборка из них всевозможных материалов с наперед заданными свойствами (при этом методы управления энергетической структурой вещества получили специальное название «зонная инженерия»);
• разработка и изготовление наномашин, т.е., механизмов и роботов величиной с молекулу, способных на принципах самоорганизации воспроизводить себе подобных.

Стр. 6 из 20

Техническая возможность использовать нанотехнологии на практике появилась только в 1981 г., когда был создан сканирующий туннельный микроскоп, позволивший впервые в мире оперировать с отдельными атомами. Создатели этого устройства – Герд Бинниг и Генрих Рёрер были удостоены Нобелевской премии. В СТМ острая металлическая игла подводится к образцу на расстояние нескольких ангстрем. При подаче на иглу относительно образца небольшого потенциала возникает туннельный ток, детектирование которого позволяет получить сведения о поверхности образца.

Стр. 7 из 20

В 1986 г. был создан атомно-силовой микроскоп, который в отличие от туннельного может осуществлять манипуляции не только с проводящими, а с любыми материалами. Атомно-силовой микроскоп представляет собой систему образец + игла (кантилевер). На малых расстояниях между двумя атомами, один на подложке, другой на острие, при расстоянии около одного ангстрема действуют силы отталкивания, а на больших — силы притяжения. Величина этого усилия экспоненциально зависит от расстояния образец-игла. Отклонения зонда при действии близко расположенных атомов регистрируются при помощи измерителя наноперемещений, который передает полученные данные на анализатор.

Стр. 8 из 20

Виды наноструктур

• Наночастица – это квази-нульмерный (0D) нанообъект, у которого все характерные линейные размеры имеют один порядок величины; как правило, наночастицы имеют сфероидальную форму; если в наночастице наблюдается ярко выраженное упорядоченное расположение атомов (или ионов), то такие наночастицы называют нанокристаллитами.
• Квази-одномерные нанообъекты (1D)–это наностержни, нанопроволоки (nanorods, nanowires); здесь один характерный размер объекта, по крайней мере, на порядок превышает два другие; физики их называют «квантовые провода».
• Другие типы нано-объектов – нанодиски, нанокораллы и т.п. в данном обзоре не рассматриваются.

Стр. 9 из 20

Наночастицы из атомов инертных газов

Стр. 10 из 20

Наночастицы металлов

Стр. 11 из 20

Фуллерены

Стр. 12 из 20

Нанотрубки

Стр. 13 из 20

Ионные кластеры

Стр. 14 из 20

Фрактальные кластеры

Стр. 15 из 20

Деление нанотехнологии по конструктивно-технологическому признаку

• кремниевую наноэлектронику;
• гетеронаноэлектронику;
• квантовую наноэлектронику (электронику приборов, работающих на чисто квантовых эффектах);
• молекулярную электронику (как перспективную электронику будущего).

Стр. 16 из 20

Закон Гордона Мура

Гордон Эрл Мур — основатель компании Intel, почетный председатель совета директоров. Закон Мура: Количество транзисторов на кристалле будет ежегодно удваиваться