|
|
Введение Человечество издавна старается улучшить условия своего существования
Введение
Человечество издавна старается улучшить условия своего существования. В первобытном обществе люди использовали различные орудия труда, несколько позже они приручили диких животных, которые стали приносить пользу в быту. Шли годы, менялся мир, менялись люди и их потребности. Теперь большинство из нас уже не может представить себе жизнь без современных благ цивилизации, достижений науки, техники, медицины. Следующим шагом в этом развитии станет освоение нанотехнологий, в частности, систем очень малого размера, способных выполнять команды людей. Технический прогресс направлен в сторону разработки более мощных, быстрых, компактных и изящных машин. Пределом такого развития можно считать машины, размером с молекулу. Машина, построенная из ковалентно связанных атомов, чрезвычайно прочна, быстра и мала. Разработкой, созданием и управлением такими машинами занимается молекулярная нанотехнология. Эта отрасль открывает невиданные ранее, фантастические перспективы взаимодействия человека с миром. Нанотехнология - совокупность процессов, позволяющих создавать материалы, устройства и технические системы, функционирование которых определяется наноструктурой, т.е. её упорядоченными фрагментами размером от 1 до 100 нм (10-9м; атомы, молекулы) (рис. 1). Греческое слово "нанос" примерно означает "гном". При уменьшении размера частиц до 100-10 nm и менее, свойства материалов (механические, каталитические и т.д.) существенно изменяются. Термин нанонаука используется в настоящее время для обозначения исследований явлений на атомном и молекулярном уровне и научного обоснования процессов нанотехнологии, конечной целью которой является получение нанопродуктов. Нанонаука, таким образом, может рассматриваться как начальная стадия нанотехнологии, хоть и до продукции еще достаточно далеко. В отличие от традиционных технологий нанотехнологии характеризуются повышенной наукоёмкостью и затратностью, а также междисциплинарностью и неэффективностью решения задач методом “проб и ошибок”. Область науки и техники, именуемая нанотехнологией, соответствующая терминология, появились сравнительно недавно. Раздел I. История развития нанотехнологии год. Швейцарский физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, в которой доказывал, что размер молекулы сахара составляет примерно 1 нанометр. 1931 год. Немецкие физики Макс Кнолл и Эрнст Руска создали электронный микроскоп, который впервые позволил исследовать нанообъекты. 1959 год. Американский физик Ричард Фейнман впервые прочел лекцию на годичном собрании Американского физического общества, которая называлась «Полно игрушек на полу комнаты». Он обратил внимание на проблемы миниатюризации, которая в то время была актуальна и в физической электронике, и в машиностроении, и в информатике. Эта работа считается некоторыми основополагающей в нанотехнологии, но некоторые пункты этой лекции противоречат физическим законам. 1968 год. Альфред Чо и Джон Артур, сотрудники научного подразделения американской компании Bell, разработали теоретические основы нанотехнологии при обработке поверхностей. 1974 год. Японский физик Норио Танигучи на международной конференции по промышленному производству в Токио ввел в научный оборот слово "нанотехнологии". Танигучи использовал это слово для описания сверхтонкой обработки материалов с нанометровой точностью, предложил называть ним механизмы, размером менее одного микрона. При этом были рассмотрены не только механическая, но и ультразвуковая обработка, а также пучки различного рода (электронные, ионные и т.п.). 1982 год. Германские физики Герд Бинниг и Генрих Рорер создали специальный микроскоп для изучения объектов наномира. Ему дали обозначение СЗМ (Сканирующий зондовый микроскоп). Это открытие имело огромное значение для развития нанотехнологий, так как это был первый микроскоп, способный показывать отдельные атомы (СЗМ). 1985 год. Американский физики Роберт Керл, Хэрольд Крото и Ричард Смэйли создали технологию, позволяющую точно измерять предметы, диаметром в один нанометр. 1986 год. Нанотехнология стала известна широкой публике. Американский футуролог Эрк Дрекслер, пионер молекулярной нанотехнологии, опубликовал книгу «Двигатели созидания», в которой предсказывал, что нанотехнология в скором времени начнет активно развиваться, постулировал возможность использовать наноразмерные молекулы для синтеза больших молекул, но при этом глубоко отразил все технические проблемы, стоящие сейчас перед нанотехнологией. Чтение этой работы необходимо для ясного понимания того, что могут делать наномашины, как они будут работать и как их построить. [1] 1989 год. Дональд Эйглер, сотрудник компании IBM, выложил название своей фирмы атомами ксенона. 1998 год. Голландский физик Сеез Деккер создал транзистор на основе нанотехнологий. 1999 год. Американские физики Джеймс Тур и Марк Рид определили, что отдельная молекула способна вести себя так же, как молекулярные цепочки. 2000 год. Администрация США поддержала создание Национальной Инициативы в Области Нанотехнологии. Нанотехнологические исследования получили государственное финансирование. Тогда из федерального бюджета было выделено $500 млн. 2001 год. Марк Ратнер считает, что нанотехнологии стали частью жизни человечества именно в 2001 году. Тогда произошли два знаковых события: влиятельный научный журнал Science назвал нанотехнологии - "прорывом года", а влиятельный бизнес-журнал Forbes - "новой многообещающей идеей". Ныне по отношению к нанотехнологиям периодически употребляют выражение "новая промышленная революция". В Томском государственном университете России разработаны составы и технология получения новых тонкопленочных наноструктурных материалов на основе двойных оксидов циркония и германия, имеющих высокую химическую, термическую стойкость и обладающих хорошей адгезией к различным подложкам (кремния, стекла, поликора и др.). Толщина пленок составляет от 60 до 90 нм, размеры включений - 20-50 нм. Полученные там материалы могут быть использованы как покрытия: — стекол (солнцезащитные - хорошо пропускает видимый свет и отражает до 45-60% тепловое излучение, теплозащитные - отражает до 40% солнечной радиации, селективно пропускающие); — ламп (увеличение световой отдачи на 20-30%); — инструментов (защитно-упрочняющие - увеличение срока службы изделий).[5] Ведутся работы и в Харьковском национальном университете имени В.Н.Каразина. Направления исследований: поверхностные явления, фазовые превращения и структура конденсированных пленок. Исследования проводятся над пленками металлов и сплавов (1.5 - 100 нм), получаемые методом конденсации в вакууме на различных подложках путем электронной микроскопии (СЗМ), электронографии, а также методов, разработанных в группе (Гладких Н.Т., Крышталь А.П., Богатыренко С.И.)
Наноэлектроника и ее развитие
Наноэлектроника представляет собой область электроники, в которой изучаются носите информационного сигнала в веществе под действием различных полей, а также разрабатываются физические и технологические основы создания приборов для обработки и хранения информации с характерными топологическими размерами элементов не менее 100нм. Наноэлектроника является новой областью науки и техники, формирующейся на основе последних достижений физики твердого тела, квантовой электроники, физической химии и технологии полупроводников электроники. Исследования в области наноэлектроники важны для разработки новых принципов, а также и нового поколения сверхминиатюрных максимально быстродействующих систем обработки информации. Основные задачи наноэлектроники: — разработка физических основ работы активных приборов с нанометровыми размерами, в первую очередь квантовых; — разработка физических основ технологических процессов; — разработка самих приборов и технологий их изготовления; — разработка интегральных схем с нанометровыми технологическими размерами и изделий электроники на основе наноэлектронной элементной базы. Особенность наноэлектронных приборов и устройств - проявление, наряду с классическими явлениями, квантовых эффектов, которые во многом являются паразитными в работе обычного транзистора. В приборах и устройствах наноэлектроники используются предельные возможности электрических, магнитных, механических и биологических систем(в настоящее время ассоциируются с информационными технологими). Со временем наноустройства сыграют важную роль в процессах преобразования энергии, организации защиты окружающей среды, в медицинском обслуживании людей. На рисунке 2 схематически показаны параллельные плоские полоски нанопроводников, состоящие из нескольких атомарных слоёв. Эти полоски пересекает под прямым углом, не касаясь, ряд параллельных нанопроводников, имеющих форму мостов. При этом с верхних проводников на нижние спускаются молекулярные цепочки, сформированные из полупроводникового материала. Построенные по этой технологии схемы уже продемонстрировали способность хранить информацию и выполнять логические операции, то есть - заменять транзисторы. Технологии преобразования вещества по стратегии «сверху-вниз», а также открытия в области синтеза и самосборки наноразмерных структур привели к достаточно мощным открытиям. Среди них: — создание углеродных нанотрубок, а затем графеновых монокристаллов; — применение зондов сканирующих туннельных микроскопов и атомно-силовых микроскопов для поатомной сборки отдельных наноэлектронных устройств; — использование спинов в качестве носителей информационных сигналов; — создание транзисторов на гетеропереходах, резонансных туннельных диодов и оптоэлектронных элементов, работающих при комнатной температуре; — разработка химических методов синтеза нанокристаллов и метод их объединения в более крупные и упорядоченные структуры; — использование в производстве наноустройств биомолекул и надмолекулярных структур; — сборка отдельных молекулярных элементов в функциональное устройство типа интегральной схемы путем соединения микро- и макроуровней организации молекулярных электронных устройств; — выделение биохимических «молекулярных двигателей» и их включения в небиологическую среду. Переход к наноэлектронным приборам и устройствам подразумевает смену парадигм электроники в целом. Под парадигмой подразумевается совокупность фундаментальных научных установок, представлений и терминов, принимаемую и разделяемую научным сообществом в рамках устоявшейся научной традиции в определенный период времени. Первыми примерами могут служить идеи квантовых вычислительных устройств, клеточных автоматов на квантовых точках, молекулярной электроники, вычислений с использованием цепей ДНК и другие примеры использования наноструктур. Изменением данной парадигмы развития можно считать появление квантованных магнитных дисков, однофотонных систем, наномеханических систем, широкого класса структур и устройств, объединяющих биологические и небиологические объекты.
Наноэлектронные приборы и устройства
Наноэлектронные приборы и устройства создаются с помощью методов нанотехнологии. Под нанотехнологией подразумевается совокупность технологий, процессов и методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами с целью получения новых материалов, приборов и устройств. Нанотехнология может использоваться в электронике, материаловедении, химии, механике, биомедицине и других областях науки и техники. А атомной и квантовой физике характерной единицей длины принято считать величину 1 А или 10-10 м., данный выбор обусловлен тем, что ангстрем соответствует диаметру самого маленького из атомов - атома водорода. Диаметры других атомов могут лишь немного превышать 2 А. Нанометр в 10 раз больше. Область нанодиапазона от 1 нм до 100 нм. В живой природе, состоящей так же, как и неживая материя, из атомов, молекулы протеина и липидов имеют размеры до 10 нм. Масштаб рибосом и вирусов лежит в пределах 100 нм. Например, один из продуктов нанотехнологии - нанотрубки,а также элементы сверхбольших интегрированных схем тоже имеют размеры 100нм. Именно это дает надежду на успешное совмещение технологий живых и неживых систем, создание микроминиатюрных устройств, лекарств. Следует отметить, что с возрастанием производительности микрочипов они становятся дешевле и потребляют меньше энергии по сравнению с чипами предшествующего поколения. Рис. 5. Характерные масштабы живой и неживой природы По мере приближения размеров твердотельных структур к нанометровой области все больше проявляются квантовые свойства электрона. В его поведении преобладающими становятся волновые закономерности, характерные для квантовых частиц. С одной стороны, это приводит к нарушению работоспособности классических транзисторов, использующих закономерности поведения электрона как классической частицы, а с другой - открывает перспективы создания новых уникальных переключающих, запоминающих и усиливающих элементов для информационных систем. Это и есть основные объекты исследований и разработок новой области электроники - наноэлектроники. Разработанные за последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем. Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (0 и 1) с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Ожидает практического разрешения и идея аналогичных однофотонных элементов. Широкое применение одноэлектронных и однофотонных элементов для создания информационных систем пока сдерживается недостаточной их изученностью, а главное, отсутствием удобных для массового производства технологий, позволяющих конструировать требуемые структуры из отдельных атомов. Такие возможности существуют только в исследовательских лабораториях. Однако современные темпы развития электроники позволяют уверенно прогнозировать промышленное освоение нанотехнологии, а вместе с ней и наноэлектроники уже в начале XXI века. В основе приборов наноэлектроники лежат волновые свойства электрона и связанные с этим другие физические явления и эффекты. Движение электрона и связанной с ним волны де Бройля в наноразмерных твердотельных структурах определяется эффектами, споряженными с квантовым ограничением, интерференцией и возможностью туннелирования через потенциальные барьеры. И эти эффекты будут вносить тем больший вклад в электрические процессы в элементе, чем меньше его размер. Когда же размер элемента сравнится с длиной волны электрона, эти эффекты станут преобладающими. На данном рисунке приведена уникальная фотография, экспериментально подтверждающая наличие дебройлевской волны. С помощью туннельного микроскопа удалось рассадить 48 атомов железа на поверхности меди. Сформирован «квантовый загон» радиусом 7,1 нм. Волны внутри загоны представляют собой стоячие волны зарядовой плотности, соответствующие решению уравнения Шредингера. Возникновение или отсутствие изображения зависит от положения вновь имплантированного атома. Если дебройлевские волны складываются в фазе в процессе конструктивной интерференции, то изображение появляется. При деструктивной интерференции оно исчезает. Эта картинка - одно из доказательств волновой природы отдельного атома или электронов и внешних его орбит. Решение проблем перехода от микро- к наноэлектронике вовсе не отрицает дальнейшего пути развития микроэлектроники. Однако становление наноэлектроники сулит новые научные достижения и разработки в области технологии во многих отраслях науки и техники. Развитие научных исследований наноструктур и нанотехнологий позволит получить материалы и приборы с новыми уникальными свойствами и, следовательно, решить ряд актуальных задач как в области электроники, так и во всех остальных отраслях науки и промышленности. В наномире будут работать и «старые» идеи схемотехнической электроники, в основе которых лежит использование усовершенствованного транзистора. Вместе с тем, наномир способствует рождению свежих идей, связанных с волновыми свойствами электрона, с солитонами, как носителями информационного сигнала, с новыми материалами, с новой технологией. Поэтому и появляются новые приборы и устройства наноэлектроники, реализованные либо на совершенно новых принципах, либо на хорошо забытых методах обработки информации.
Заключение
С наступлением нового тысячелетия началась эра нанотехнологии. Стремительное развитие компьютерной техники, с одной стороны, будет стимулировать исследования в области нанотехнологий, с другой стороны, облегчит конструирование наномашин. Таким образом, нанотехнология будет быстро развиваться в течение последующих десятилетий. Если человечество не будет создавать нанотехнологического оружия, то у него есть реальный шанс выжить. Причём его ждёт, если не безоблачное, то довольно светлое будущее в комфортном мире без экологических проблем. Жизнь на выживание превратится в приятную жизнь. Создание нанотехнологической промышленности будущего даст человечеству принципиально новый способ экологически чистого "выращивания" продуктов из атомов и молекул, что поможет решить проблему экологического и энергетического кризиса. А развитие таких технологий, особенно на начальном этапе, не рыночно, ибо требуют больших затрат на образование, научные исследования и их техническую реализацию. Перспективы нанотехнологической отрасли поистине грандиозны. Нанотехнологии кардинальным образом изменят все сферы жизни человека. На их основе могут быть созданы товары и продукты, применение которых позволит революционизировать целые отрасли экономики. Джош Волфе\Josh Wolfe, редактор аналитического отчета Forbes/Wolfe Nanotech Report, пишет: "Мир будет просто построен заново. Нанотехнология потрясет все на планете".
Список использованной литературы
1. Виктор Балабанов.Нанотехнологии. Наука будущего М.: Эксмо, 2009 г. 256 стр. . Рыбалкина М. М.: Нанотехнологии для всех. Nanotechnology News Network, 2005. - 444 с. . Старостин, В. В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие / В. В. Старостин; под общ. ред. Л. Н. Петрикеева. - М.: Бином. Лабораторий знаний, 2008. - 431 с. . ИА "Росбалт", /ГЖД (Горьковская железная дорога) испытывает новинки наноиндустрии Санкт-Петербург - 16.01.2008 5. М.В.Попов О ходе формирования и перспективах развития инфраструктуры ННС (аналитическая справка) /Первая ежегодной научно-техническая конференция НОР "Развитие нанотехнологического проекта в России: состояние и перспективы". - Москва15.10.2009
Источник: https://www.bibliofond.ru/view.aspx?id=902811
© Библиофонд |
|
|
Скачать 24.24 Kb.