Нанотехнологии: заглядывая в будущее

Введение

Если раньше «игры атомами» были уделом сугубо научно-исследовательских лабораторий, то сегодня ряд технологий, основанных на манипуляциях наночастицами, подошел к стадии своего широкого коммерческого использования. Увы, но инженерная романтика, связанная с нанотехнологиями понемногу рассеивается, и приставка «нано» зачастую уже не обозначает «ново». Все же стоит понимать, что революционность нанотехнологий заключается не столько в ожидаемых плодах их массового применения, сколько в самой идеологии "наноминиатюризации".

Ученые, достигшие сегодня высоких результатов в области нанотехнологий, во многом обязаны двум изобретениям конца прошлого столетия. В 1981 году физики Герд Бинниг (Gerd Binnig) и Генрих Рорер (Heinrich Rohrer) из исследовательской лаборатории IBM создали сканирующий туннелирующий микроскоп, который позволил им увидеть отдельные атомы. А уже в 1986 году он был модернизирован Гердом Биннигом и позволил не только наблюдать атомы, но и манипулировать ими. Оба ученых за свои революционные труды были удостоены Нобелевской премии. В 1990 году увидела свет эпохальная статья двух исследователей из той же лаборатории IBM – Айглера и Швейцера, под названием «Позиционирование отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа», и многим стало ясно, что пророчество Фейнмана сбылось – весь мир обошла «нанофотография» удивительной мозаики, образующей символику компании IBM, «выгравированная» отдельными атомами ксенона на поверхности никелевого монокристалла с немыслимой ни в какие времена атомарной точностью.
С появлением сканирующего микроскопа началось широкое развитие нанотехнологий – способов обработки частиц, размеры которых находятся в пределах от одного до ста нанометров (1 нм = 10-9 м). Чтобы лучше представить данный порядок величин достаточно вообразить Земной шар и футбольный мяч – именно так соотносится в размерах последний и наночастицы. Сегодня Бинниг продолжает свою научную работу в лабораториях IBM, разрабатывая и совершенствуя технологию создания жестких дисков нового поколения без намагничивающих записывающих и считывающих головок.

Millipede – назад в будущее

Таким образом, компания IBM недавно представила новую технологию хранения информации, с помощью которой можно будет добиться плотности записи порядка триллиона бит на квадратный дюйм, что в 20 раз больше, чем у самого совершенного на сегодня магнитного носителя. Кремниевым запоминающим устройствам до этого показателя еще дальше. В новой технологии Millipede компании IBM – все необычно: и подход к организации хранении данных, и время (в хронологическом отношении развития компьютерного прогресса) «рождения» новой технологии, и небывалое количество циклов записи/перезаписи.
Прежде всего, стоит отметить, что ничего концептуально нового технология в себе не несет, скорее даже наоборот, удивительно, что она не появилась намного раньше. В любом случае Millipede (многоножка) лишь еще раз подтверждает принцип о том, что все новое – это хорошо забытое старое. Так и ноу-хау компании IBM лишь «эхо» давно забытых перфокарт, с единственной лишь разницей в том, что технология реализована на микроскопическом уровне и не является «одноразовой» по отношению к носителю информации.
Основной элемент Millipede – массив одноконечных кремниевых кронштейнов длиной 70 и толщиной 0,5 мкм (в будущем эти цифры, конечно же, уменьшаться), на каждом из которых находится микроскопическая игла длиной 2 мкм. В представленном компанией IBM демонстрационном образце использовался массив 32 х 32 с размерами всего 3 х 3 мм.

Описанный образец «микроскопической перфокарты» представляет собой очень тонкий слой полимерного материала на кремниевой подложке. Запись на него производилась методом схожим с выжиганием, таким образом, что наконечник каждого кремниевого кронштейна с размещенной на нем иглой, являясь зоной повышенного сопротивления, при подаче на него импульса электрического тока разогревается (приблизительно до температуры 400С), и игла, совершая поступательное движение, параллельно «выжигает» на поверхности носителя воронку. Воронка имеет ориентировочный диаметр 10 нм, что намного больше максимальных неровностей материала перфокарты, то есть сравнительно легко может быть интерпретирована как бит информации. После подачи импульса кронштейн занимает начальное положение, а поверхность с микровыбоеной и сама игла остывают.
Считывание данных производится аналогичным методом. Разница заключается лишь в том, что сканирование площади накопителя производится под действием импульса тока, несколько меньшем импульса, который используется при записи. В результате игла кронштейна прогревается до более низкой температуры (порядка 300С), что позволяет наклонить кронштейн, но не дать возможности игле оставить на поверхности носителя интерпретируемый как бит информации след. В случае попадания иглы в углубление (ранее оставленную воронку) интенсивность теплообмена от нее резко увеличивается, а температура уменьшается. Необходимо заметить, что температура и тепловой поток являются функциями электрического (и термического) сопротивления, другими словами – при попадании в воронку, регистрирующая логика «видит» резкий скачок сопротивления, распознавая в нем бит информации.
Как уже упоминалось ранее, особая ценность ноу-хау компании IBM на сегодняшний день заключается в его «многоразовости». Не имей новая технология этой возможности, она бы не обладала такими радужными перспективами на современном рынке устройств хранения данных.
Достигается «многоразовость» в технологии Millipede использованием полимера, который в области воронки находится в метастабильном состоянии, из которого его можно легко вывести внешним воздействием. В данном случае – разогревом до температуры несколько превышающей температуру образования воронок. Этого эффекта можно достичь, например, путем прохождения горячей иглы или другого плоского миниатюрного специализированного нагревателя над воронкой, что и используется в показанных устройствах.
Применение такой техники очистки по заявлениям специалистов IBM составляет 100 тысяч циклом записи/перезаписи. В будущем планируется увеличить этот показатель еще в несколько раз, для большей стабильности хранения данных.
Что касается управляющей логики игольчатых кронштейнов, то она основана на электронных цепях с временным мультиплексированием, то есть аналогичных используемым в микросхемах DRAM. Это не может не радовать, так как осваивать новые технологии в производстве не придется – достаточно несколько перестроить уже имеющиеся производственные линии. Перемещение носителя вдоль массива (а не наоборот!) обеспечивается электромагнитным приводом, позволяющим одной игле покрывать площадь размером 100 х 100 мкм.
Относительно прогнозируемой скорости работы устройств на основе технологии Millipede высказываются предположения, что она составит порядка 1-2 Mб/сек. На тестовом образце были показаны несколько более скромные показатели – единицы килобит на одну иглу.
Энергопотребление в перспективе будет варьироваться в зависимости от используемого материала накопителя, однако вряд ли превысит 100 мВт, то есть сопоставимо с энергопотреблением flash-карт.
Представленный образец продемонстрировал плотность записи 200 Гб на квадратный дюйм, а потенциальная емкость устройств на базе существующей технологии составит около 0,5 Гб. Новая цель компании IBM – создание устройства, использующего массив кронштейнов 64 х 64, размером 7 х 7 мм, после чего можно говорить о коммерческой фазе использования технологии. Герд Бинниг уверяет, что к 2005 году на рынке появятся новые жесткие диски для КПК и мобильных телефонов с емкостью порядка 10 Гб.

Однако, представленная технология нанокронштейнов, не единственное ее потенциальное применение. Если консоли оснастить не иглами, а сенсорами, то технология с успехом может применяться как диагностирующий или анализирующий прибор в медицине или отслеживающий чистоту вещества в химической промышленности. Прикосновение сенсора на кронштейне к исследуемому препарату (веществу) неоднородного состава (не исключено внутреннее применение) вызовет изменение электрического сигнала в управляющей цепи, что и будет мгновенно отслежено устройством.

HP Labs – наноэлектронный чип памяти

О своем достижении в области электронных технологий на молекулярном уровне поведала и компания НР. На симпозиуме, посвященном 175 годовщине Шведского Королевского Института Технологии (the Royal Institute of Technology of Sweden) устами директора лаборатории квантовых исследований Hewlett-Packard (Quantum Science Research Labs) Стэнли Вильямса (Stanley Williams) была озвучена своя оригинальная идея.
Г-н Вильямс в частности сообщил, что в лаборатории достигли наивысшей плотности на данный момент и даже готовы продемонстрировать 64-бит чип энергонезависимой памяти, в котором роль ячеек памяти играют отдельные молекулы. Этот чип умещается на площади в один квадратный микрон. Кроме того, он сообщил, что HP удалось совместить запоминающие и управляющие элементы в одном молекулярном устройстве. Самое удивительное, что у компании HP уже разработана опытная методика производства нанолитографической печати, позволяющей делать копии чипов на пластинах, подобно тому, как делаются копии страниц с оригинал-макета в типографиях.

Данный чип изготавливается следующим образом: сначала создается форма-пресс из восьми параллельных линий, каждая шириной 40 нанометров, после чего пресс прижимается к полимерному слою на полупроводниковой пластине для создания углублений, которые затем заполняются платиной и играют роль проводников. На поверхность получившейся заготовки наносится мономолекулярный слой молекул, состояние (валентное) которых изменяется приложением внешних электрических полей. После сверху наносятся проводники, идущие под прямым углом к уже существующим.
В результате, в каждой из 64 точек пересечения параллельных и перпендикулярных проводников между ними находится около 1000 молекул, играющих роль запоминающей ячейки. Запись единицы происходит импульсом тока, изменяющим сопротивление ячейки. Чтение производится измерением сопротивления при разности потенциалов, меньшей уровня записи единицы.
Логические управляющие устройства для связи создаваемых элементов памяти с электронной инфраструктурой вносятся позднее (состоят из молекулярных ключей в пересечениях проводников) и играют роль демультиплексора.
Описанные наноструктуры могут быть использованы в начале своего рыночного использования как одноразовые носители информации, заменив, таким образом, привычные CD-ROM диски. Однако перспективы технологии высоки, и ничего не мешает изготовить перезаписывающий привод со сменными носителями, емкость которых при меньших размерах будет значительно выше любых оптических устройств.

Cool Chips – квантовое охлаждение

Однако, нанотехнологии применимы и в таких «прикладных» областях как создание охладительных установок. Метод охлаждения, разрабатываемый фирмой Cool Chips, находится на совершенно ином, более глубоком физическом уровне, нежели классические методы, «орудующие» воздушным потоком, или холодильники Пельтье, которые используют термоэлектронный эффект. Хотя работы, положенные в его основу, широко известны благодаря Томасу Эдисону уже с 1883 года, их разработка касательно охлаждения начата лишь совсем недавно. Отправной точкой для фирмы Cool Chips в ее исследованиях стали работы Эдисона относительно термоионного эффекта, который заключается в возникновении электрического тока в зазоре между двумя электродами вследствие отрыва свободных электронов от поверхности разогретого катода. Как и в случае с холодильниками Пельтье, в данном – используется обратный эффект. Таким образом, термоионный охладитель это термоионный преобразователь, в котором под действием напряжения происходит отвод «горячих» электронов (электронов с большой энергией) от охлаждаемой поверхности.
Перспективность исследований в данной области была оценена еще в 50-60-х годах, однако исследования прекратились в 70-х годах, по следующим причинам. Как оказалось, приемлемую работу выхода – порядка 1эВ – имеют щелочные и щелочноземельные металлы, в то время как у большинства остальных этот показатель в 4-5 раз выше, то есть требует разогрева до температур порядка 2000° С. Мало того, для того чтобы избавиться от вредного влияния электронного облака, которое образуется в пространстве между электродами, последние необходимо разместить на расстоянии 1-10 мкм, что в случае использования щелочных металлов сопряжено со значительными сложностями при массовом производстве.
Инженеры Cool Chips дали технологии новую жизнь – путем привлечения квантово-механических эффектов. Как известно, для преодоления потенциального барьера, существование которого связано с выходом из металла и наличием между анодом и катодом пространственного заряда, электронам необходимо иметь большую энергию. Чтобы избежать подобных неимоверных затрат энергии, специалистами Cool Chips предлагается использовать туннельный эффект, заключающийся в том, что вероятность прохождения частицей потенциального барьера с большей, чем у частицы, энергией, не равна нулю. Туннельный эффект является явлением специфически квантовым, не имеющим аналогов в макромире. Существование его вытекает из основоплагающего уравнения квантовой механики - уравнения Шредингера.
Вероятность прохождения частицы через потенциальный барьер очень быстро убывает с ростом ширины этого барьера. В связи с этим основной задачей при подходе CoolChips становится сближение электродов на весьма малое расстояние - 1-10 нм. Если решить эту проблему, то материалы с малой работой выхода будут не нужны, а проблема электронного облака отпадет автоматически. Кроме того, квантово-механический подход позволяет электродам (охладителю) иметь отрицательную температуру.
Проблема создания идеально гладких поверхностей достаточно серьезна, ведь даже наиболее гладкие поверхности на сегодня – пластины-заготовки микропроцессорного производства имеют шероховатость порядка 0,5 мкм на сантиметр длины. Инженеры Cool Chips предполагают решить данную проблему путем внедрения косоугольных поверхностей, для проектирования электродов с соответствующим друг другу рельефом.
Роль первого электрода примет кремниевая пластина, а роль второго – та же пластина с медным напылением с применением свинцовой прослойки, которая затем удаляется с помощью жидкого азота.
Что касается готовых продуктов на основе термоионного эффекта, то они будут представлять собой небольшие фишки, разложенные в массив необходимого размера. Что касается ожидаемой эффективности разработки Cool Chips, то она, включая все потери (даже отток тепла через проводники) составит порядка 70-80%, при теоретической интенсивности теплоотвода порядка 5кВт/кв.см. Если сравнивать новую технологию с приведенными выше методами охлаждения, то КПД компрессорных систем равен 40-50%, термоэлектрических – 8%, в лучшем случае при большом научном прорыве приблизительно 20-30%.
К другим достоинствам охладителей на основе термоионного эффекта необходимо отнести дешевизну, простоту производства и невысокую цену (можно использовать материалы с высоким содержанием примесей).

Манипуляции наночастицами

Проблемой манипуляцией атомов при помощи сканирующего микроскопа занимался и ученый Дон Айглер (Don Eigler), который также проводил свои эксперименты в лабораториях IBM. Он в 1989 году впервые не только смог переместить атомы при помощи сканирующего микроскопа, но и научился делать это в заданных направлениях и на заданные расстояния. Сегодня при помощи его установки свободно можно перемещать наночастицы, управляя процессом с компьютера.
Один из опытов Айглера видится очень показательным, так как может явиться своеобразным коридором связующим цифровую реальность и наномир. Так, ученый расположил атомы кобальта на поверхности меди таким образом, что они образовали замкнутый эллипс. После помещения в одну из частей эллипса еще одного атома кобальта, во второй его половине (пустой) прослеживался сигнал аналогичный наличию в ней какой-то атомоподобной частицы.
Понятно, что никакой частицы в пустом фокусе эллипса не было. Однако наличие сигнала на сканирующем микроскопе ученый объяснил с помощью эффекта шепота, который достаточно давно известен людям. Его суть заключается в том, что даже тихий разговор человека в специально спроектированном помещении может быть слышен в противоположном его краю, тогда как нормальной слышимости речь будет совершенно неразборчива с близкого к нему расстояния. Примером таких помещений могут служить множественные театры, которые, как известно, имеют эллиптическую форму.
Такой эффект обусловлен конструкцией стен и потолков, которые в сумме целенаправленно отражают звуковые волны. Согласно дуализму свойств микрочастиц, атомы ведут себя аналогично волнам, именно поэтому в пустой части фокуса эллипса наблюдался эффект подобный звуковому эффекту шепота. Таким образом, изменяя форму эллипса действия данного явления на атомарном уровне можно избежать, то есть на одном элементарном звене (кольцо атомов кобальта) получить как присутствие сигнала «атома-призрака», так и его отсутствие. Следовательно, варьирование формы расположения атомов кобальта создает основу для создания интерпретатора двоичной системы исчисления. Массивы наночастиц, разложенных по поверхности меди кольцеобразно, могут создать невероятной емкости устройства хранения данных, считывателем которых станет сканирующий микроскоп.
Другой эффект, позволяющий создавать устройства хранения и запоминания, был открыт исследователями из Иллинойского университета, которые разработали методику для размещения на стандартном полупроводниковом кристалле массива органических молекул, которые в принципе можно использовать в качестве запоминающих устройств классического по своей топологии типа. Технология относительно проста. С готовой кремниевой пластины предварительно удаляется оксидная пленка (например, при помощи рентгеновского излучения). Затем, в глубоком вакууме, поверхность, состоящая из химически чистого кремния, покрывается слоем атомов водорода. С помощью сканирующего туннельного микроскопа (похоже, он становится основным производственным инструментом нанотехников) можно удалять из этого слоя отдельные атомы водорода, создавая на поверхности рельефный рисунок, таким образом, чтобы углубления рельефа стали бы областями чистого кремния. Если на полученную заготовку нанести органические молекулы, то они одним концом присоединятся к кремнию, а вторым будут свободно «парить» над поверхностью, при этом вращаться с частотой до терагерца. Ученые утверждают, что этим вращением можно управлять при помощи электрических импульсов. Таким образом, может быть создан упорядоченный массив (все зависит от шаблона, по которому делаются дырки в водородном покрытии) управляемых переключающихся элементов – то есть механическая молекулярная память, с частотой функционирования порядка нескольких терагерц. Естественно, все пока находится в глубоко экспериментальной стадии, но возможности открываются колоссальные.

Нанотрубки

Пожалуй, наиболее обсуждаемая и перспективная отрасль наноинженерии. Впервые Нанотрубки были открыты в лабораториях компании NEC Сумио Иияма (Simio Iijama). Он открыл, что нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру толщиной порядка 10 атомов, которая в зависимости от размера и формы может обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами. Например, если трубка прямая, она является проводником, а если скручена или изогнута – полупроводником. Транзисторы, построенные из таких нанотрубок, в 500 раз меньше тех, что содержатся в современных микросхемах. Именно транзисторы на основе нанотрубок являются наиболее интересной разработкой. Уже сегодня имеются технологии способные изготавливать массивы транзисторов на основе углеродных нанотрубок. Их применение не влечет за собой необходимости изменения целой культуры современного производства микропроцессоров, тогда как квантовые компьютеры или ПК на основе ДНК влекут за собой использование массово-параллельных вычислительных механизмов, с потенциально ненадежными отдельными элементами – концептуально напоминающими совершенный продукт биологической эволюции – человеческий мозг. Последний, по самым скромным расчетам (пусть ориентировочно имеется 10^15 синапсов, работающих на скорости около 10 импульсов в секунду, тогда наш мозг способен совершать 10^16 синапсных операций в секунду – число астрономическое) многократно опережает совершеннейшие искусственные механизмы вычислений, но зачастую не способен сложить в уме хотя бы сто 10-значных чисел или решить простейшее квадратное уравнение с дробными коэффициентами. Именно поэтому использование классической схемы построения процессоров так важно.

Важен также и технологический подход к созданию процессоров. Так компания Infineon Technologies ведет разработки над классической схемой создания массивов нанотрубок. Группе специалистов из ее исследовательского центра в Мюнхене во главе с доктором Вольфгангом Хенлейном (Wolfgang Honlein) удалось разработать процесс, позволяющий выращивать нанотрубки с требуемой ориентацией в заданных местах на заготовках диаметром 6 дюймов. При этом за основу были взяты технологии, в настоящее время широко применяемые при изготовлении микросхем, благодаря чему, как утверждает Infineon, новый процесс по многим параметрам совместим со стандартными процессами, используемыми в полупроводниковом производстве. По словам исследователей, в дальнейшем они планируют не только совершенствовать полученные технологии, но и вести разработки в области трехмерных структур на основе нанотрубок.
Совсем недавно ученым подразделения IBM Research удалось получить углеродную мономолекулярную структуру в виде нанотрубки, которая полностью реализует один из трех основных логических элементов – элемент логического отрицания «NOT», преобразующий двоичную единицу в ноль, и наоборот. При этом отмечается еще одна особенность созданного элемента: выходной сигнал у него выше, чем входной, приблизительно в полтора раза.

Однако нанотрубки потенциально применимы не только в вычислительных системах. Так компания - их открыватель (NEC) совместно с Japan Science and Technology Corporation и Institute of Research and Innovation сообщили о разработке элементов питания для мобильных устройств, которые обеспечивают как минимум десятикратный прирост времени работы в сравнении с литиевыми батареями. Особенность этих элементов, работающих на смеси водорода и кислорода, заключается в том, что в качестве электродов они используют именно углеродные нанотрубки. Платиновый катализатор оседает на поверхности этих трубок в очень мелкодисперсном виде (данное явление, по словам ученых, пока еще полностью не объяснено), а размер частиц катализатора как раз и является одной из основных характеристик, определяющих эффективность батареи.

Покой нам только снится

Однако описанные технологии все же уже пройденный этап (хотя и открывающий большие дороги развития), и взоры ученых обращены к новым горизонтам. Уже сегодня имеются проекты по конструированию устройств, состоящих всего из одной молекулы. Речь идет о переключателях, шарикоподшипниках, приводах и даже целых двигателях для нанокронштейнов. Некоторые разработки ведутся в области самовоспроизводимых механизмов на базе человеческой молекулы ДНК.