eng
Основы нанотехнологий, как считает значительное число экспертов, заложены лауреатом Нобелевской премии Р. Фейнманом в 1959 г. в его знаменитой лекции на заседании американского физического общества [1].
Термин "нанотехнология" или "нанотехнологии" – в дальнейшем НТ – был введен профессором токийского университета Норио Танигучи в 1974 г. в контексте обработки материалов путем добавления или удаления атома или молекулы.
В 1981 г. термин был популяризован сотрудником Сандийской национальной лаборатории Э. Дрекслером, использовавшим понятие НТ для обобщения процессов создания материалов, структур и устройств с зернами, слоями и элементами в субстананометровом диапазоне, а также методов их измерения [2]. Особенное внимание к НТ привлек выход его книги [3], в которой в научно-популярном стиле с элементами научной фантастики была описана грядущая эра НТ.
Термин "нанотехнология" или "нанотехнологии" – в дальнейшем НТ – был введен профессором токийского университета Норио Танигучи в 1974 г. в контексте обработки материалов путем добавления или удаления атома или молекулы.
В 1981 г. термин был популяризован сотрудником Сандийской национальной лаборатории Э. Дрекслером, использовавшим понятие НТ для обобщения процессов создания материалов, структур и устройств с зернами, слоями и элементами в субстананометровом диапазоне, а также методов их измерения [2]. Особенное внимание к НТ привлек выход его книги [3], в которой в научно-популярном стиле с элементами научной фантастики была описана грядущая эра НТ.
Наиболее полное определение НТ дано в материалах национальной нанотехнологической инициативы США:
НТ – научно-исследовательские и технологические разработки на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровнях с субстананометровой шкалой по одной или более координатам для обеспечения фундаментального понимания явлений и свойств материалов при таких размерах и для изготовления и использования структур, приборов и систем, которые имеют новые свойства и функции вследствие их малых размеров [4].
Вместе с тем в работе [5] показано, что основы НТ были заложены еще во второй половине XIX века в связи с развитием коллоидной химии. В 1857 г. М. Фарадей впервые получил устойчивые коллоидные растворы (золи) золота, имеющие красный цвет. В 1861 г. Т. Грэму удалось провести коагуляцию золей и превратить их в гели. Он также ввел деление веществ по степени дисперсности структуры на коллоидные (аморфные) и кристаллоидные (кристаллические).
Кристаллическое или аморфное состояние вещества зависит, прежде всего, от его собственных свойств, а затем от условий, при которых происходит переход в твердое состояние.
В 1869 г. химик И. Борщов высказал гипотезу, что вещество в зависимости от условий может быть получено и в кристалловидном (склонность к образованию кристаллов), и в коллоидном (аморфном) состоянии. Изменяя соответствующим образом условия перехода вещества в твердое состояние, можно получить в кристаллическом состоянии типично аморфные вещества (каучук, клей, стекло) и, наоборот, в аморфном (стеклообразном) состоянии получить типично кристаллические вещества (металлы и поваренную соль).
Поскольку в XIX веке для наблюдения объектов и измерения их размеров существовали только оптические микроскопы, которые не позволяли обнаруживать частицы в коллоидных растворах и зерна в коллоидных веществах, то коллоидными назвали вещества с ультравысокой степенью дисперсности, частицы, волокна, зерна и пленки которых нельзя обнаружить в оптические микроскопы, имеющие разрешение 300 нм при использовании белого света и 150 нм при использовании ультрафиолетового излучения.
В 1892 г. Д. Ивановским была открыта первая биологическая коллоидная частица – вирус мозаичной болезни табака, а в 1901 г. У. Рид выделил первый вирус человека – вирус желтой лихорадки. Следует отметить, что вирусы имеют характерные размеры от 40 до 80 нм [6].
В 1903 г. Р. Зигмонди и Р. Зидентопфом был изобретен оптический ультрамикроскоп, имеющий разрешение до 5 нм и позволивший наблюдать коллоидные частицы. Ультрамикроскоп построен на принципе наблюдения в отраженном свете, благодаря чему становятся видимыми более мелкие объекты, чем в обыкновенном микроскопе. С помощью ультрамикроскопа Р. Зигмонди удалось установить, что в коллоидных растворах (золях) золота желтого цвета частицы имеют размеры 20 нм, красного – 40 нм, а синего – 100 нм.
В 1904 г. П. Веймарном установлено: Между миром молекул и микроскопически видимых частиц существует особая форма вещества с комплексом присущих ей новых физико-химических свойств – ультрадисперсное или коллоидное состояние, образующееся при степени его дисперсности в области 105–107 см-1, в котором пленки имеют толщину, а волокна и частицы – размер в поперечнике в диапазоне 1,0–100 нм.
Классификация состояния вещества по степени дисперсности приведена в табл.1. Видно, что коллоидное состояние является предельно высокодисперсным или ультрадисперсным состоянием вещества.
Все дисперсные системы являются гетерогенными, так как состоят из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в ней раздробленных частиц – дисперсной фазы. Обязательное условие их существования – взаимная нерастворимость дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Коллоидные системы часто называются ультрамикрогетерогенными, чтобы подчеркнуть, что граница раздела фаз в них не может быть обнаружена с помощью оптических микроскопов. Если частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, системы называются монодисперсными, а если разные, то – полидисперсными системами.
Свойства веществ и материалов зависят от их структуры, характеризующейся связанными между собой и влияющими на такие свойства уровнями.
Первый уровень структуры называется кристаллическим и характеризует пространственное расположение атомов, ионов и молекул в кристаллической решетке твердого тела, на которое может накладываться влияние точечных дефектов (вакансий, атомов в междоузлиях, чужеродных атомов). Точечные дефекты подвижны и во многом определяют диффузионные и электрические свойства материалов, особенно полупроводников.
Второй уровень связан с присутствием в твердом теле различных линейных и плоскостных дефектов структуры (дислокаций), число которых в единице объема возрастает при механических нагрузках, приводящих к появлению внутренних напряжений в материале. Подобно точечным дефектам дислокации подвижны, а их плотность и способность к перемещению в твердом теле определяют механические свойства материалов, особенно металлов.
Третий уровень структуры – это объемные дефекты типа пор и капилляров, которые могут создаваться в материалах в процессе их формирования или использования. Они связаны с отсутствием некоторых участков твердого тела.
Все вещества в твердом состоянии можно разделить на монокристаллические, поликристаллические, аморфные (или нанокристаллические) и молекулярные твердые растворы.
Если упорядоченное расположение частиц (атомов, молекул или ионов), отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется во всем объеме твердого тела, то образуются монокристаллы.
Если упорядоченность структуры сохраняется в макроскопических (>100 мкм) и микроскопических (>0,1 мкм) участках твердого тела (см.табл. 1), то образуются поликристаллические вещества с так называемыми кристаллитами или зернами кристаллитов соответствующих размеров и пространственно разориентированными друг относительно друга кристаллическими решетками.
До середины 80-х годов прошлого века считалось, что в аморфных веществах отсутствует упорядоченное расположение частиц. Однако проведенные с помощью высокоразрешающих электронных просвечивающих, сканирующих туннельных и силовых атомных микроскопов исследования, особенно на металлических стеклах, позволили обнаружить у аморфных веществ кристаллиты или зерна с размерами в субстананометровом диапазоне.
Таким образом, аморфные вещества и материалы характеризуются ультрадисперсной (коллоидной) степенью раздробленности зерен кристаллической фазы, и их можно называть нанокристаллическими.
В молекулярных твердых растворах, как и в жидких, обычно называемых истинными растворами или просто растворами, распределенное вещество равномерно перемешано с молекулами дисперсионной среды на молекулярном уровне. Поэтому молекулярные твердые и жидкие растворы, не имеющие фаз и поверхностей раздела, являются системами гомогенными.
Кристаллическое состояние вещества всегда более устойчиво, чем аморфное (нанокристаллическое), поэтому самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристаллическое возможен, а обратный – нет. Примером может служить расстекловывание – самопроизвольная кристаллизация стекла при повышенных температурах.
Дисперсные системы, в том числе коллоидные, классифицируются по степени дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур.
Многообразие коллоидных систем обусловлено тем, что образующие их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний; иметь неорганическую, органическую и биологическую природу. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды возможны следующие 9 типов дисперсных систем [7]:
Ж1 – Г2, Ж1 – Ж2, Ж1 – Т2,
Т1 – Г2, Т1 – Ж2, Т1 – Т2,
Г1 – Ж2, Г1 – Т2, Т1(Ф1) – Т1(Ф2),
где Г, Ж и Т – газообразное, жидкое и твердое состояние, а цифры 1 и 2 относятся соответственно к дисперсной фазе и дисперсионной среде. Для последнего типа дисперсной системы Ф1 и Ф2 обозначают разные фазы (полиморфные модификации) твердого состояния одного вещества.
В газообразной дисперсионной среде могут быть диспергированы только жидкости и твердые тела, так как все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге.
Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой называются аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (Ж1 – Г2), а дымы – аэрозоли с твердой дисперсной фазой (Т1 – Г2). Простейшим примером аэрозоля является табачный дым, средний размер твердых частиц которого – 250 нм, тогда как размеры частиц сажи или вулканического пепла могут быть меньше 100 нм, и их аэрозоли относятся к ультрадисперсным (коллоидным) системам.
В жидкой дисперсионной среде могут быть диспергированы газы, жидкости и твердые тела. Пены – это дисперсия газа в жидкости (Г1 – Ж2). Эмульсии – дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей ее жидкости (Ж1 – Ж2). Наибольшее значение для химии и биологии имеют коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является жидкая фаза, а дисперсной фазой – твердое вещество (Т1 – Ж2), называемые коллоидными растворами или золями, часто лиозолями. Если дисперсионной средой является вода, то такие золи называются гидрозолями, а если органическая жидкость, то – органозолями. Коллоидные растворы очень важны, так как с ними связаны многие процессы, протекающие в живых организмах.
В твердой дисперсионной среде могут быть диспергированы газы, жидкости и твердые тела. Системы (Г1 – Т2) называются твердыми пенами или капиллярно дисперсными системами, в которых газ находится в виде отдельных замкнутых ячеек, разделенных твердой дисперсионной средой. К твердым пенам относятся пенопласты, пенобетон, пемза, шлак, металлы с включением газов, различные пористые материалы (активированный уголь, силикагель, древесина), а также мембраны и диафрагмы, фотонно-кристаллические волокна, кожа, бумага, ткани.
К системе (Ж1 – Т2) относится широкий класс кристаллогидратов – кристаллов, содержащих молекулы кристаллизационной воды. Типичными кристаллогидратами являются многие природные минералы, например гипс CaSO4∙2H2O, карналлит MgCl2∙KCl∙6H2O, алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2·12H2O.
Большое практическое значение имеют дисперсные системы типа (Т1 – Т2), к которым относятся важнейшие строительные материалы, металлокерамические композиции, некоторые сплавы, эмали, ряд минералов, в частности некоторые драгоценные и полудрагоценные камни, многие горные породы, в которых при застывании магмы выделялись кристаллы.
Цветные стекла образуются в результате диспергирования в силикатном стекле наночастиц металлов или их оксидов. Эмали – это силикатные стекла с включениями пигментов SnO2, TiO2 и ZrO2, придающих эмалям непрозрачность и окраску.
Таким образом, под коллоидами понимается не отдельный класс веществ, а особое состояние любого вещества, характеризующееся, прежде всего, определенными размерами частиц. Под наноструктурированием твердого тела следует понимать перевод вещества или материала в коллоидное (ультрадисперсное) состояние, т.е. создание в структуре физических или химических фаз субстананометровых размеров, которые можно рассматривать как своеобразные наночастицы, отделенные от остальной структуры поверхностями раздела.
Такими наночастицами, кроме механически диспергированных нанопорошков, являются:
нанокристаллические зерна;
наноразмерные полиморфные фазы;
наноразмерные структурные дефекты (наноблоки);
поверхностные наноструктуры (ямки, выступы, канавки, стенки);
объемные наноструктуры (поры и капилляры);
наноразмерные химические фазы из чужеродных атомов или молекул, сформированные на его поверхности или в объеме и имеющие волокнисто- или корпускулярнообразную форму;
наноразмерные структуры, образующиеся в результате физического или химического осаждения из газовой или жидкой фазы (фуллерены, углеродные нанотрубки);
пленки веществ наноразмерной толщины, сформированные в периодической последовательности;
макромолекулы, полимолекулярные ансамбли, молекулярные пленки, молекулярные комплексы типа "хозяин – гость" (наличие распределения по размерам является признаком, отличающим наночастицы от макромолекул); наноразмерные и наноструктурированные биологические структуры (вирусы, протеины, гены, белки, хромосомы, молекулы ДНК и РНК).
Коллоидное состояние вещества – это качественно особая форма его существования с комплексом присущих ей физико-химических свойств. По этой причине область естествознания, изучающая объективные физические и химические закономерности гетерогенного ультрадисперсного состояния вещества, высокомолекулярных соединений (полимеров, комплексных соединений и молекулярных ансамблей) и межфазовых поверхностей, сформировалась в начале ХХ века в самостоятельную дисциплину – коллоидную химию.
Быстрое развитие коллоидной химии обусловлено большим значением изучаемых этой наукой явлений и процессов в различных областях человеческой практики. Такие, казалось бы, совершенно различные направления, как жизненные процессы в организмах, образование многих минералов, структура и урожайность почв тесно связаны с коллоидным состоянием вещества. Коллоидная химия является также научной основой промышленных производств многих материалов.
По мере развития технических средств формирования и манипулирования нанообъектами, а также методик их исследования в коллоидной химии стали выделяться более специализированные дисциплины, такие как химия полимеров и физическая химия поверхности (конец 1950-х годов), супрамолекулярная химия (конец 1970-х годов).
Исследование и изучение наноразмерных и наноструктурированных биологических структур (протеинов, генов, хромосом, белков, аминокислот, ДНК, РНК), являющихся предметом биологии ультрадисперсных систем, привело к созданию в 30–50-х годах вирусологии, в 60-х годах молекулярной биологии и в последней четверти ХХ века генетики и иммунохимии.
Если размеры материала хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, у такого материала появляются новые уникальные физические и химические свойства квантовомеханической природы, которые изучает и использует для создания новых устройств физика низкоразмерных структур, являющаяся наиболее динамично развивающейся областью современной физики твердого тела.
Результатом исследований низкоразмерных систем (квантовые ямы, провода и точки) стало открытие принципиально новых явлений – 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.
Область коллоидной химии, изучающая процессы деформирования, разрушения и образования материалов и дисперсных структур, выделилась в физико-химическую механику твердых тел и ультрадисперсных структур. Она сформировалась в середине ХХ века благодаря работам академика П. Ребиндера и его школы как новая отрасль знания, пограничная коллоидной химии, молекулярной физике твердого тела, механике материалов и технологии их производства.
Основной задачей физико-химической механики является создание конструкционных материалов с заданными свойствами и оптимальной для целей их применения структурой.
Еще одной отраслью, которая изучает и создает элементы, структуры и приборы в субстананометровом диапазоне, является микроэлектроника, в которой можно выделить наноэлектронику (разработка и производство интегральных схем с субстананометровыми размерами элементов – интегральных наносхем (ИНС), молекулярную электронику, функциональную электронику наноструктурированных материалов и наноэлектромеханические системы (НЭМС).
Суммируя изложенное, а также исходя из анализа, проведенного в работе [5], можно сформулировать определение НТ: Нанотехнология – это контролируемое получение веществ и материалов в коллоидном (ультрадисперсном, наноструктурированном с размерами структурных элементов в диапазоне 1,0–100 нм) состоянии, исследование и измерение их свойств и характеристик и использование их в различных отраслях науки, техники и промышленности.
Основные области применения нанотехнологий показаны на рис.1, а основные вехи в ее развитии за последние 150 лет приведены в табл.2.
Все термины, связанные с созданием и изучением коллоидного (наноструктурированного) уровня структуры материи под брендом "нанотехнология", автоматически получили приставку "нано", хотя до середины 1980-х годов они назывались соответственно: механика, фотоника, кристаллография, химия, биология и электроника ультрадисперсных или коллоидных систем; а предметы их исследования носили названия: ультрадисперсные порошки и композиты, аэро-, гидро- и органозоли, обратимые и необратимые гели, ультрадисперсная керамика и т.д.
Возникновение интереса к коллоидному состоянию вещества под брендом "нанотехнология" в последние 20 лет обусловлено, во-первых, его уникальными свойствами, а во-вторых, развитием и созданием технологического и контрольно-измерительного оборудования для получения и исследования субстананоразмерного уровня структуры материи: его физики, химии и биологии.
Вместо открытия новых материалов и явлений в результате счастливого случая или хаотических исследований контролируемый перевод вещества в наноструктурированное (коллоидное) состояние, называемый концепцией нанотехнологии, позволяет делать это систематически. Вместо того чтобы находить наночастицы и наноструктуры с хорошими свойствами с помощью интуиции, знание законов образования и стабилизации ультрадисперсных систем открывает возможность их искусственного конструирования по определенной системе.
Особенно интересным оказалось приобретение некоторыми хорошо известными веществами совершенно новых свойств при наноразмерах [8].
Наноструктурированные (коллоидные) системы, в соответствии с их промежуточным положением между миром атомов и молекул и миром микроскопических и макроскопических тел, могут быть получены двумя основными путями: диспергированием, т.е. измельчением (дроблением) крупных систем, и конденсацией, т.е. образованием наносистем из атомов, молекул, кластеров и наноструктур.
Методы получения наноструктурированных систем по первому пути называются диспергационными, а по второму – конденсационными. Существуют смешанные методы получения наноструктурированных систем, которые называются соответственно диспергационно-конденсационными и конденсационно-диспергационными [5].
В традиционной наноэлектронике при изготовлении интегральных наносхем (ИНС) по классической КМОП-технологии контролируемое наноструктурирование функциональных слоев (ФС) на кремниевых пластинах обеспечивается проекционным (фотошаблоны и наноштампы) масочным (резистивные маски) литографическим паттернированием.
При этом используется стратегический подход диспергирования или подход "сверху вниз" (top–down), т.е. осуществляется локальное удаление ненужных областей ФС путем их травления. Точность воспроизведения размеров элементов структур в горизонтальной плоскости обеспечивается с помощью резистивных масок, сформированных в процессах литографии.
В связи с этим, подчеркивая используемый стратегический подход диспергирования или "сверху вниз", традиционную промышленную наноэлектронику удобнее называть Д-наноэлектроникой (D-nanoelectronics).
Конденсационные методы (нелитографические методы синтеза), использующие для получения наноструктурированных систем подход "снизу вверх" (bottom-up), можно разделить на две группы: традиционные и новые, созданные в рамках последних достижений нанотехнологий. Традиционные конденсационные методы подробно рассмотрены в работе [5].
К новым нелитографическим конденсационным методам относятся:
Получение специфических углеродных наноструктур, типа фуллеренов и углеродных нанотрубок (УНТ) методами ХОГФ в результате стимулированных катализаторами (Ni, Fe) термических химических реакций газовых реагентов на подложках. Например, CH4(газ) + H2(газ) = C(фуллерен или УНТ) +
3H2 [8].
Осаждение атомов или молекул на подложку с последующим самоупорядочением в перспективных для различных применений наноструктуры в областях подложки, предварительно подвергнутых (в процессе или после осаждения) радиационному воздействию, например формирование квантовых точек при обработке сплошных никелевых пленок водородной плазмой [9].
Самоформирование регулярного поверхностного рельефа в виде периодических массивов наноточек и нанолиний различной формы при ионном распылении поверхности подложки [10].
Формирование требуемых наноструктур и приборов из осажденных на подложку атомов, молекул, кластеров и наноструктур, например УНТ, с помощью механических, электрических, магнитных или химических воздействий игл сканирующих или атомно-силовых микроскопов [11].
Формирование требуемых наносистем и приборов из осажденных на подложку атомов, молекул, кластеров и наноструктур с помощью облучения заданных областей подложки сфокусированными лазерными пучками, в фокусе которых группируются осаждаемые наночастицы (принцип лазерного пинцета).
С помощью новых нелитографических конденсационных методов создаются одиночные образцы перспективных наноприборов и наносистем, например полевые транзисторы на основе УНТ. Однако такие методы пока больше относятся к технике физического эксперимента, чем к технологии [12].
Поэтому электронику на базе приборов, созданных нелитографическими конденсационными методами, обычно называют новой лабораторной наноэлектроникой, но точнее и удобнее называть ее К-наноэлектроникой, подчеркивая используемый стратегический подход конденсации или "снизу-вверх".
Появление новых нелитографических конденсационных методов нанопаттернирования, основанных на физико-химических процессах самоформированиия, обусловлено их высокой разрешающей способностью, простотой реализации и дешевизной по сравнению с литографическими методами. Более того, существуют перспективные наноструктуры, например УНТ, которые не могут быть созданы литографическими методами, а являются прерогативой нелитографических конденсационных методов самоформирования.
Однако все новые нелитографические конденсационные методы имеют существенный недостаток, связанный с недостаточной контролируемостью и воспроизводимостью процессов самоформирования по размерам, степени упорядоченности или месту расположения наноструктур на пластине (подложке) [13,14]. Необходимо провести большой комплекс научно-исследовательских работ для реализации возможности интеграции новых нелитографических методов в современную технологию наноэлектроники.
Факт, что кремниевые заводы уже производят массово микросхемы с размерами элементов 65 нм, готовят производство для ИМС с уровнем 45 нм и лабораторно масштабируют их к уровню 32 нм, свидетельствует о допустимости использования технологического подхода "сверху вниз" в методах изготовления наноприборов. Таким образом, нанотехнология будет сталкиваться с очень острой конкуренцией со стороны традиционной технологии изготовления ИМС в соответствии с законом Мура, по крайней мере, в течение ближайшего десятилетия (рис.2) [15].
Обсуждая проблематику нанотехнологий, следует отметить, что важнейшую роль при разработке и коммерциализации НТ и нанопродукции играет метрология. Точные, достоверные и прослеживаемые измерения являются основой обеспечения успешного и безопасного развития НТ, а также подтверждения соответствия продукции наноиндустрии. В НТ, как нигде более, актуален тезис: "Если нельзя измерить, то невозможно воспроизводимо производить". Все развитые страны осознают необходимость опережающего развития метрологии в этой бурно развивающейся области знаний, поскольку именно уровень точности и достоверности измерений способен либо стимулировать развитие соответствующих отраслей экономики, либо служить сдерживающим фактором.
Особая роль моделирования в области НТ определяется тремя основными факторами [16]:
Сравнительно небольшие размеры нанообъектов позволяют использовать атомистическое моделирование для описания образования, структуры и свойств объекта, при котором часто отпадает необходимость применения различных методов описания на разных пространственных и временных масштабах.
Атомистическое моделирование, как правило, основано на первых принципах, что делает этот подход предсказательным и, в известном смысле, независимым от эксперимента источником фундаментальных знаний о структуре, свойствах и функциональных характеристиках нанообъектов.
Размеры нанообъектов являются промежуточными между размерами молекулярных и микроскопических протяженных систем, что крайне затрудняет исследование нанообъектов традиционными методами, например методами электронной, туннельной или силовой микроскопии, результаты которых сами нуждаются в надежной теоретической интерпретации с использованием атомистических методов.
Использование методов моделирования в сочетании с экспериментом позволяет оперативно разработать адекватные физические модели, и, в конечном счете, резко сократить затраты на практическое создание нанообъектов с требуемыми структурой, свойствами и функциональными характеристиками.
В заключение следует отметить что анализ, проведенный международной ассоциацией SEMI, показал:
НТ уже применяется промышленно для создания сверхчувствительных нанодатчиков детектирования токсичных химических, биологических, ядерных и взрывчатых веществ, а также композитных материалов, катализаторов, сорбентов, антибактериальных покрытий и косметических препаратов.
Использование НТ только начинается в биологии, а также в области создания новых электронных материалов и приборов.
Наиболее ранние промышленные применения НТ в микроэлектронике следует ожидать при создании катодных узлов, дисплеев, особенно на УНТ, и энергонезависимой памяти на магнитных, полимерных и молекулярных наноструктурах.
Литература
1. Feinman R. There’s plenty of room at the bottom. An invitation to enter a new field of physics. – Miniaturization / edited by H. D. Hilbert, Reinhold, N.Y., USA, 1961. (русский перевод А. В. Хачояна смотри: Р. Ф. Фейнман. Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики. – Российский химический журнал. Перспективы нанотехнологии, том XLVI, № 5, 2002, с. 4–6).
2. Singer P. Nanotechnology. – Semiconductor International, January 2007, p. 36–40.
3. Drexler K.E. Engines of creation. The Coming Era of Nanotechnology. – Anchor Books Double-day, N.Y., USA, 1986. – 299 p.
4. Singer P. Nanotechnology: embrace the future. – Semiconductor International, March 2002, p. 17.
5. Врублевский Э., Киреев В., Недзвецкий В., Сосновцев В. Нанотехнология – путь в будущее или бренд для финансирования. – Нано- и микросистемная техника, 2007, № 12, с. 6–20.
6. Нанотехнологии в электронике. / Под ред. Ю.А. Чаплыгина – М.: Техносфера, 2005. – 448 с.
7. Некрасов Б.В. Курс общей химии. – М.: Госхимиздат, 1962. – 976 с.
8. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
9. Chang S-C., Lin T-C., Lee J-H. Converting nickel film to nano particles using hydrogen plasma treatment. – Solid State Technology, November 2007, p. 27–31.
10. Smirnov V.K., Kibalov D.S., Orlov O.M. et al. Technology for nanoperiodic doping of a MOSFET channel using a self-forming wave-ordered structure. Nanotechnology, 2003, vol. 14, p. 709–715.
11. Неволин В. Зондовые нанотехнологии в электронике. – М.: Техносфера, 2005. – 152 с.
12. Kraus T., Malaquin L., Schmid H. et al. Nanoprinting – printing with single-particle resolution – Nature Nanotechnology, 2007, vol. 2, No 9, p. 570–576.
13. Носов Ю., Сметанов А. На пути в наноэлектронику: Исторические параллели и сопоставления. – ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2007, № 5, с. 11–16.
14. Бобков С.Г., Киреев В.Ю. Проблемы перехода микроэлектроники в субстананометровую область размеров. Ч. 1. Общие положения и возможности литографических и нелитографических методов формирования топологии. – Нано- и микросистемная техника, 2007,
№ 5, с. 11–21.
15. DeJuly R. Biological sensors take advantage of silicon processes. – Semiconductor International, July 2007, p. 19–24.
16. Алфимов М.В. Нанотехнологии. Роль компьютерного моделирования. – Российские нанотехнологии, 2007, т. 2, № 7–8, с. 1–5.
НТ – научно-исследовательские и технологические разработки на атомарном, молекулярном или макромолекулярном уровнях с субстананометровой шкалой по одной или более координатам для обеспечения фундаментального понимания явлений и свойств материалов при таких размерах и для изготовления и использования структур, приборов и систем, которые имеют новые свойства и функции вследствие их малых размеров [4].
Вместе с тем в работе [5] показано, что основы НТ были заложены еще во второй половине XIX века в связи с развитием коллоидной химии. В 1857 г. М. Фарадей впервые получил устойчивые коллоидные растворы (золи) золота, имеющие красный цвет. В 1861 г. Т. Грэму удалось провести коагуляцию золей и превратить их в гели. Он также ввел деление веществ по степени дисперсности структуры на коллоидные (аморфные) и кристаллоидные (кристаллические).
Кристаллическое или аморфное состояние вещества зависит, прежде всего, от его собственных свойств, а затем от условий, при которых происходит переход в твердое состояние.
В 1869 г. химик И. Борщов высказал гипотезу, что вещество в зависимости от условий может быть получено и в кристалловидном (склонность к образованию кристаллов), и в коллоидном (аморфном) состоянии. Изменяя соответствующим образом условия перехода вещества в твердое состояние, можно получить в кристаллическом состоянии типично аморфные вещества (каучук, клей, стекло) и, наоборот, в аморфном (стеклообразном) состоянии получить типично кристаллические вещества (металлы и поваренную соль).
Поскольку в XIX веке для наблюдения объектов и измерения их размеров существовали только оптические микроскопы, которые не позволяли обнаруживать частицы в коллоидных растворах и зерна в коллоидных веществах, то коллоидными назвали вещества с ультравысокой степенью дисперсности, частицы, волокна, зерна и пленки которых нельзя обнаружить в оптические микроскопы, имеющие разрешение 300 нм при использовании белого света и 150 нм при использовании ультрафиолетового излучения.
В 1892 г. Д. Ивановским была открыта первая биологическая коллоидная частица – вирус мозаичной болезни табака, а в 1901 г. У. Рид выделил первый вирус человека – вирус желтой лихорадки. Следует отметить, что вирусы имеют характерные размеры от 40 до 80 нм [6].
В 1903 г. Р. Зигмонди и Р. Зидентопфом был изобретен оптический ультрамикроскоп, имеющий разрешение до 5 нм и позволивший наблюдать коллоидные частицы. Ультрамикроскоп построен на принципе наблюдения в отраженном свете, благодаря чему становятся видимыми более мелкие объекты, чем в обыкновенном микроскопе. С помощью ультрамикроскопа Р. Зигмонди удалось установить, что в коллоидных растворах (золях) золота желтого цвета частицы имеют размеры 20 нм, красного – 40 нм, а синего – 100 нм.
В 1904 г. П. Веймарном установлено: Между миром молекул и микроскопически видимых частиц существует особая форма вещества с комплексом присущих ей новых физико-химических свойств – ультрадисперсное или коллоидное состояние, образующееся при степени его дисперсности в области 105–107 см-1, в котором пленки имеют толщину, а волокна и частицы – размер в поперечнике в диапазоне 1,0–100 нм.
Классификация состояния вещества по степени дисперсности приведена в табл.1. Видно, что коллоидное состояние является предельно высокодисперсным или ультрадисперсным состоянием вещества.
Все дисперсные системы являются гетерогенными, так как состоят из сплошной непрерывной фазы – дисперсионной среды и находящихся в ней раздробленных частиц – дисперсной фазы. Обязательное условие их существования – взаимная нерастворимость дисперсной фазы и дисперсионной среды.
Коллоидные системы часто называются ультрамикрогетерогенными, чтобы подчеркнуть, что граница раздела фаз в них не может быть обнаружена с помощью оптических микроскопов. Если частицы дисперсной фазы имеют одинаковые размеры, системы называются монодисперсными, а если разные, то – полидисперсными системами.
Свойства веществ и материалов зависят от их структуры, характеризующейся связанными между собой и влияющими на такие свойства уровнями.
Первый уровень структуры называется кристаллическим и характеризует пространственное расположение атомов, ионов и молекул в кристаллической решетке твердого тела, на которое может накладываться влияние точечных дефектов (вакансий, атомов в междоузлиях, чужеродных атомов). Точечные дефекты подвижны и во многом определяют диффузионные и электрические свойства материалов, особенно полупроводников.
Второй уровень связан с присутствием в твердом теле различных линейных и плоскостных дефектов структуры (дислокаций), число которых в единице объема возрастает при механических нагрузках, приводящих к появлению внутренних напряжений в материале. Подобно точечным дефектам дислокации подвижны, а их плотность и способность к перемещению в твердом теле определяют механические свойства материалов, особенно металлов.
Третий уровень структуры – это объемные дефекты типа пор и капилляров, которые могут создаваться в материалах в процессе их формирования или использования. Они связаны с отсутствием некоторых участков твердого тела.
Все вещества в твердом состоянии можно разделить на монокристаллические, поликристаллические, аморфные (или нанокристаллические) и молекулярные твердые растворы.
Если упорядоченное расположение частиц (атомов, молекул или ионов), отражаемое элементарной ячейкой, сохраняется во всем объеме твердого тела, то образуются монокристаллы.
Если упорядоченность структуры сохраняется в макроскопических (>100 мкм) и микроскопических (>0,1 мкм) участках твердого тела (см.табл. 1), то образуются поликристаллические вещества с так называемыми кристаллитами или зернами кристаллитов соответствующих размеров и пространственно разориентированными друг относительно друга кристаллическими решетками.
До середины 80-х годов прошлого века считалось, что в аморфных веществах отсутствует упорядоченное расположение частиц. Однако проведенные с помощью высокоразрешающих электронных просвечивающих, сканирующих туннельных и силовых атомных микроскопов исследования, особенно на металлических стеклах, позволили обнаружить у аморфных веществ кристаллиты или зерна с размерами в субстананометровом диапазоне.
Таким образом, аморфные вещества и материалы характеризуются ультрадисперсной (коллоидной) степенью раздробленности зерен кристаллической фазы, и их можно называть нанокристаллическими.
В молекулярных твердых растворах, как и в жидких, обычно называемых истинными растворами или просто растворами, распределенное вещество равномерно перемешано с молекулами дисперсионной среды на молекулярном уровне. Поэтому молекулярные твердые и жидкие растворы, не имеющие фаз и поверхностей раздела, являются системами гомогенными.
Кристаллическое состояние вещества всегда более устойчиво, чем аморфное (нанокристаллическое), поэтому самопроизвольный переход из аморфного состояния в кристаллическое возможен, а обратный – нет. Примером может служить расстекловывание – самопроизвольная кристаллизация стекла при повышенных температурах.
Дисперсные системы, в том числе коллоидные, классифицируются по степени дисперсности, агрегатному состоянию дисперсной фазы и дисперсионной среды, интенсивности взаимодействия между ними, отсутствию или образованию структур.
Многообразие коллоидных систем обусловлено тем, что образующие их фазы могут находиться в любом из трех агрегатных состояний; иметь неорганическую, органическую и биологическую природу. В зависимости от агрегатного состояния дисперсной фазы и дисперсионной среды возможны следующие 9 типов дисперсных систем [7]:
Ж1 – Г2, Ж1 – Ж2, Ж1 – Т2,
Т1 – Г2, Т1 – Ж2, Т1 – Т2,
Г1 – Ж2, Г1 – Т2, Т1(Ф1) – Т1(Ф2),
где Г, Ж и Т – газообразное, жидкое и твердое состояние, а цифры 1 и 2 относятся соответственно к дисперсной фазе и дисперсионной среде. Для последнего типа дисперсной системы Ф1 и Ф2 обозначают разные фазы (полиморфные модификации) твердого состояния одного вещества.
В газообразной дисперсионной среде могут быть диспергированы только жидкости и твердые тела, так как все газы при не очень высоких давлениях неограниченно растворяются друг в друге.
Дисперсные системы с газообразной дисперсионной средой называются аэрозолями. Туманы представляют собой аэрозоли с жидкой дисперсной фазой (Ж1 – Г2), а дымы – аэрозоли с твердой дисперсной фазой (Т1 – Г2). Простейшим примером аэрозоля является табачный дым, средний размер твердых частиц которого – 250 нм, тогда как размеры частиц сажи или вулканического пепла могут быть меньше 100 нм, и их аэрозоли относятся к ультрадисперсным (коллоидным) системам.
В жидкой дисперсионной среде могут быть диспергированы газы, жидкости и твердые тела. Пены – это дисперсия газа в жидкости (Г1 – Ж2). Эмульсии – дисперсные системы, в которых одна жидкость раздроблена в другой, не растворяющей ее жидкости (Ж1 – Ж2). Наибольшее значение для химии и биологии имеют коллоидные системы, в которых дисперсионной средой является жидкая фаза, а дисперсной фазой – твердое вещество (Т1 – Ж2), называемые коллоидными растворами или золями, часто лиозолями. Если дисперсионной средой является вода, то такие золи называются гидрозолями, а если органическая жидкость, то – органозолями. Коллоидные растворы очень важны, так как с ними связаны многие процессы, протекающие в живых организмах.
В твердой дисперсионной среде могут быть диспергированы газы, жидкости и твердые тела. Системы (Г1 – Т2) называются твердыми пенами или капиллярно дисперсными системами, в которых газ находится в виде отдельных замкнутых ячеек, разделенных твердой дисперсионной средой. К твердым пенам относятся пенопласты, пенобетон, пемза, шлак, металлы с включением газов, различные пористые материалы (активированный уголь, силикагель, древесина), а также мембраны и диафрагмы, фотонно-кристаллические волокна, кожа, бумага, ткани.
К системе (Ж1 – Т2) относится широкий класс кристаллогидратов – кристаллов, содержащих молекулы кристаллизационной воды. Типичными кристаллогидратами являются многие природные минералы, например гипс CaSO4∙2H2O, карналлит MgCl2∙KCl∙6H2O, алюмокалиевые квасцы KAl(SO4)2·12H2O.
Большое практическое значение имеют дисперсные системы типа (Т1 – Т2), к которым относятся важнейшие строительные материалы, металлокерамические композиции, некоторые сплавы, эмали, ряд минералов, в частности некоторые драгоценные и полудрагоценные камни, многие горные породы, в которых при застывании магмы выделялись кристаллы.
Цветные стекла образуются в результате диспергирования в силикатном стекле наночастиц металлов или их оксидов. Эмали – это силикатные стекла с включениями пигментов SnO2, TiO2 и ZrO2, придающих эмалям непрозрачность и окраску.
Таким образом, под коллоидами понимается не отдельный класс веществ, а особое состояние любого вещества, характеризующееся, прежде всего, определенными размерами частиц. Под наноструктурированием твердого тела следует понимать перевод вещества или материала в коллоидное (ультрадисперсное) состояние, т.е. создание в структуре физических или химических фаз субстананометровых размеров, которые можно рассматривать как своеобразные наночастицы, отделенные от остальной структуры поверхностями раздела.
Такими наночастицами, кроме механически диспергированных нанопорошков, являются:
нанокристаллические зерна;
наноразмерные полиморфные фазы;
наноразмерные структурные дефекты (наноблоки);
поверхностные наноструктуры (ямки, выступы, канавки, стенки);
объемные наноструктуры (поры и капилляры);
наноразмерные химические фазы из чужеродных атомов или молекул, сформированные на его поверхности или в объеме и имеющие волокнисто- или корпускулярнообразную форму;
наноразмерные структуры, образующиеся в результате физического или химического осаждения из газовой или жидкой фазы (фуллерены, углеродные нанотрубки);
пленки веществ наноразмерной толщины, сформированные в периодической последовательности;
макромолекулы, полимолекулярные ансамбли, молекулярные пленки, молекулярные комплексы типа "хозяин – гость" (наличие распределения по размерам является признаком, отличающим наночастицы от макромолекул); наноразмерные и наноструктурированные биологические структуры (вирусы, протеины, гены, белки, хромосомы, молекулы ДНК и РНК).
Коллоидное состояние вещества – это качественно особая форма его существования с комплексом присущих ей физико-химических свойств. По этой причине область естествознания, изучающая объективные физические и химические закономерности гетерогенного ультрадисперсного состояния вещества, высокомолекулярных соединений (полимеров, комплексных соединений и молекулярных ансамблей) и межфазовых поверхностей, сформировалась в начале ХХ века в самостоятельную дисциплину – коллоидную химию.
Быстрое развитие коллоидной химии обусловлено большим значением изучаемых этой наукой явлений и процессов в различных областях человеческой практики. Такие, казалось бы, совершенно различные направления, как жизненные процессы в организмах, образование многих минералов, структура и урожайность почв тесно связаны с коллоидным состоянием вещества. Коллоидная химия является также научной основой промышленных производств многих материалов.
По мере развития технических средств формирования и манипулирования нанообъектами, а также методик их исследования в коллоидной химии стали выделяться более специализированные дисциплины, такие как химия полимеров и физическая химия поверхности (конец 1950-х годов), супрамолекулярная химия (конец 1970-х годов).
Исследование и изучение наноразмерных и наноструктурированных биологических структур (протеинов, генов, хромосом, белков, аминокислот, ДНК, РНК), являющихся предметом биологии ультрадисперсных систем, привело к созданию в 30–50-х годах вирусологии, в 60-х годах молекулярной биологии и в последней четверти ХХ века генетики и иммунохимии.
Если размеры материала хотя бы в одном измерении меньше критических длин, характеризующих многие физические явления, у такого материала появляются новые уникальные физические и химические свойства квантовомеханической природы, которые изучает и использует для создания новых устройств физика низкоразмерных структур, являющаяся наиболее динамично развивающейся областью современной физики твердого тела.
Результатом исследований низкоразмерных систем (квантовые ямы, провода и точки) стало открытие принципиально новых явлений – 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.
Область коллоидной химии, изучающая процессы деформирования, разрушения и образования материалов и дисперсных структур, выделилась в физико-химическую механику твердых тел и ультрадисперсных структур. Она сформировалась в середине ХХ века благодаря работам академика П. Ребиндера и его школы как новая отрасль знания, пограничная коллоидной химии, молекулярной физике твердого тела, механике материалов и технологии их производства.
Основной задачей физико-химической механики является создание конструкционных материалов с заданными свойствами и оптимальной для целей их применения структурой.
Еще одной отраслью, которая изучает и создает элементы, структуры и приборы в субстананометровом диапазоне, является микроэлектроника, в которой можно выделить наноэлектронику (разработка и производство интегральных схем с субстананометровыми размерами элементов – интегральных наносхем (ИНС), молекулярную электронику, функциональную электронику наноструктурированных материалов и наноэлектромеханические системы (НЭМС).
Суммируя изложенное, а также исходя из анализа, проведенного в работе [5], можно сформулировать определение НТ: Нанотехнология – это контролируемое получение веществ и материалов в коллоидном (ультрадисперсном, наноструктурированном с размерами структурных элементов в диапазоне 1,0–100 нм) состоянии, исследование и измерение их свойств и характеристик и использование их в различных отраслях науки, техники и промышленности.
Основные области применения нанотехнологий показаны на рис.1, а основные вехи в ее развитии за последние 150 лет приведены в табл.2.
Все термины, связанные с созданием и изучением коллоидного (наноструктурированного) уровня структуры материи под брендом "нанотехнология", автоматически получили приставку "нано", хотя до середины 1980-х годов они назывались соответственно: механика, фотоника, кристаллография, химия, биология и электроника ультрадисперсных или коллоидных систем; а предметы их исследования носили названия: ультрадисперсные порошки и композиты, аэро-, гидро- и органозоли, обратимые и необратимые гели, ультрадисперсная керамика и т.д.
Возникновение интереса к коллоидному состоянию вещества под брендом "нанотехнология" в последние 20 лет обусловлено, во-первых, его уникальными свойствами, а во-вторых, развитием и созданием технологического и контрольно-измерительного оборудования для получения и исследования субстананоразмерного уровня структуры материи: его физики, химии и биологии.
Вместо открытия новых материалов и явлений в результате счастливого случая или хаотических исследований контролируемый перевод вещества в наноструктурированное (коллоидное) состояние, называемый концепцией нанотехнологии, позволяет делать это систематически. Вместо того чтобы находить наночастицы и наноструктуры с хорошими свойствами с помощью интуиции, знание законов образования и стабилизации ультрадисперсных систем открывает возможность их искусственного конструирования по определенной системе.
Особенно интересным оказалось приобретение некоторыми хорошо известными веществами совершенно новых свойств при наноразмерах [8].
Наноструктурированные (коллоидные) системы, в соответствии с их промежуточным положением между миром атомов и молекул и миром микроскопических и макроскопических тел, могут быть получены двумя основными путями: диспергированием, т.е. измельчением (дроблением) крупных систем, и конденсацией, т.е. образованием наносистем из атомов, молекул, кластеров и наноструктур.
Методы получения наноструктурированных систем по первому пути называются диспергационными, а по второму – конденсационными. Существуют смешанные методы получения наноструктурированных систем, которые называются соответственно диспергационно-конденсационными и конденсационно-диспергационными [5].
В традиционной наноэлектронике при изготовлении интегральных наносхем (ИНС) по классической КМОП-технологии контролируемое наноструктурирование функциональных слоев (ФС) на кремниевых пластинах обеспечивается проекционным (фотошаблоны и наноштампы) масочным (резистивные маски) литографическим паттернированием.
При этом используется стратегический подход диспергирования или подход "сверху вниз" (top–down), т.е. осуществляется локальное удаление ненужных областей ФС путем их травления. Точность воспроизведения размеров элементов структур в горизонтальной плоскости обеспечивается с помощью резистивных масок, сформированных в процессах литографии.
В связи с этим, подчеркивая используемый стратегический подход диспергирования или "сверху вниз", традиционную промышленную наноэлектронику удобнее называть Д-наноэлектроникой (D-nanoelectronics).
Конденсационные методы (нелитографические методы синтеза), использующие для получения наноструктурированных систем подход "снизу вверх" (bottom-up), можно разделить на две группы: традиционные и новые, созданные в рамках последних достижений нанотехнологий. Традиционные конденсационные методы подробно рассмотрены в работе [5].
К новым нелитографическим конденсационным методам относятся:
Получение специфических углеродных наноструктур, типа фуллеренов и углеродных нанотрубок (УНТ) методами ХОГФ в результате стимулированных катализаторами (Ni, Fe) термических химических реакций газовых реагентов на подложках. Например, CH4(газ) + H2(газ) = C(фуллерен или УНТ) +
3H2 [8].
Осаждение атомов или молекул на подложку с последующим самоупорядочением в перспективных для различных применений наноструктуры в областях подложки, предварительно подвергнутых (в процессе или после осаждения) радиационному воздействию, например формирование квантовых точек при обработке сплошных никелевых пленок водородной плазмой [9].
Самоформирование регулярного поверхностного рельефа в виде периодических массивов наноточек и нанолиний различной формы при ионном распылении поверхности подложки [10].
Формирование требуемых наноструктур и приборов из осажденных на подложку атомов, молекул, кластеров и наноструктур, например УНТ, с помощью механических, электрических, магнитных или химических воздействий игл сканирующих или атомно-силовых микроскопов [11].
Формирование требуемых наносистем и приборов из осажденных на подложку атомов, молекул, кластеров и наноструктур с помощью облучения заданных областей подложки сфокусированными лазерными пучками, в фокусе которых группируются осаждаемые наночастицы (принцип лазерного пинцета).
С помощью новых нелитографических конденсационных методов создаются одиночные образцы перспективных наноприборов и наносистем, например полевые транзисторы на основе УНТ. Однако такие методы пока больше относятся к технике физического эксперимента, чем к технологии [12].
Поэтому электронику на базе приборов, созданных нелитографическими конденсационными методами, обычно называют новой лабораторной наноэлектроникой, но точнее и удобнее называть ее К-наноэлектроникой, подчеркивая используемый стратегический подход конденсации или "снизу-вверх".
Появление новых нелитографических конденсационных методов нанопаттернирования, основанных на физико-химических процессах самоформированиия, обусловлено их высокой разрешающей способностью, простотой реализации и дешевизной по сравнению с литографическими методами. Более того, существуют перспективные наноструктуры, например УНТ, которые не могут быть созданы литографическими методами, а являются прерогативой нелитографических конденсационных методов самоформирования.
Однако все новые нелитографические конденсационные методы имеют существенный недостаток, связанный с недостаточной контролируемостью и воспроизводимостью процессов самоформирования по размерам, степени упорядоченности или месту расположения наноструктур на пластине (подложке) [13,14]. Необходимо провести большой комплекс научно-исследовательских работ для реализации возможности интеграции новых нелитографических методов в современную технологию наноэлектроники.
Факт, что кремниевые заводы уже производят массово микросхемы с размерами элементов 65 нм, готовят производство для ИМС с уровнем 45 нм и лабораторно масштабируют их к уровню 32 нм, свидетельствует о допустимости использования технологического подхода "сверху вниз" в методах изготовления наноприборов. Таким образом, нанотехнология будет сталкиваться с очень острой конкуренцией со стороны традиционной технологии изготовления ИМС в соответствии с законом Мура, по крайней мере, в течение ближайшего десятилетия (рис.2) [15].
Обсуждая проблематику нанотехнологий, следует отметить, что важнейшую роль при разработке и коммерциализации НТ и нанопродукции играет метрология. Точные, достоверные и прослеживаемые измерения являются основой обеспечения успешного и безопасного развития НТ, а также подтверждения соответствия продукции наноиндустрии. В НТ, как нигде более, актуален тезис: "Если нельзя измерить, то невозможно воспроизводимо производить". Все развитые страны осознают необходимость опережающего развития метрологии в этой бурно развивающейся области знаний, поскольку именно уровень точности и достоверности измерений способен либо стимулировать развитие соответствующих отраслей экономики, либо служить сдерживающим фактором.
Особая роль моделирования в области НТ определяется тремя основными факторами [16]:
Сравнительно небольшие размеры нанообъектов позволяют использовать атомистическое моделирование для описания образования, структуры и свойств объекта, при котором часто отпадает необходимость применения различных методов описания на разных пространственных и временных масштабах.
Атомистическое моделирование, как правило, основано на первых принципах, что делает этот подход предсказательным и, в известном смысле, независимым от эксперимента источником фундаментальных знаний о структуре, свойствах и функциональных характеристиках нанообъектов.
Размеры нанообъектов являются промежуточными между размерами молекулярных и микроскопических протяженных систем, что крайне затрудняет исследование нанообъектов традиционными методами, например методами электронной, туннельной или силовой микроскопии, результаты которых сами нуждаются в надежной теоретической интерпретации с использованием атомистических методов.
Использование методов моделирования в сочетании с экспериментом позволяет оперативно разработать адекватные физические модели, и, в конечном счете, резко сократить затраты на практическое создание нанообъектов с требуемыми структурой, свойствами и функциональными характеристиками.
В заключение следует отметить что анализ, проведенный международной ассоциацией SEMI, показал:
НТ уже применяется промышленно для создания сверхчувствительных нанодатчиков детектирования токсичных химических, биологических, ядерных и взрывчатых веществ, а также композитных материалов, катализаторов, сорбентов, антибактериальных покрытий и косметических препаратов.
Использование НТ только начинается в биологии, а также в области создания новых электронных материалов и приборов.
Наиболее ранние промышленные применения НТ в микроэлектронике следует ожидать при создании катодных узлов, дисплеев, особенно на УНТ, и энергонезависимой памяти на магнитных, полимерных и молекулярных наноструктурах.
Литература
1. Feinman R. There’s plenty of room at the bottom. An invitation to enter a new field of physics. – Miniaturization / edited by H. D. Hilbert, Reinhold, N.Y., USA, 1961. (русский перевод А. В. Хачояна смотри: Р. Ф. Фейнман. Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики. – Российский химический журнал. Перспективы нанотехнологии, том XLVI, № 5, 2002, с. 4–6).
2. Singer P. Nanotechnology. – Semiconductor International, January 2007, p. 36–40.
3. Drexler K.E. Engines of creation. The Coming Era of Nanotechnology. – Anchor Books Double-day, N.Y., USA, 1986. – 299 p.
4. Singer P. Nanotechnology: embrace the future. – Semiconductor International, March 2002, p. 17.
5. Врублевский Э., Киреев В., Недзвецкий В., Сосновцев В. Нанотехнология – путь в будущее или бренд для финансирования. – Нано- и микросистемная техника, 2007, № 12, с. 6–20.
6. Нанотехнологии в электронике. / Под ред. Ю.А. Чаплыгина – М.: Техносфера, 2005. – 448 с.
7. Некрасов Б.В. Курс общей химии. – М.: Госхимиздат, 1962. – 976 с.
8. Пул Ч., Оуэнс Ф. Нанотехнологии. – М.: Техносфера, 2004. – 328 с.
9. Chang S-C., Lin T-C., Lee J-H. Converting nickel film to nano particles using hydrogen plasma treatment. – Solid State Technology, November 2007, p. 27–31.
10. Smirnov V.K., Kibalov D.S., Orlov O.M. et al. Technology for nanoperiodic doping of a MOSFET channel using a self-forming wave-ordered structure. Nanotechnology, 2003, vol. 14, p. 709–715.
11. Неволин В. Зондовые нанотехнологии в электронике. – М.: Техносфера, 2005. – 152 с.
12. Kraus T., Malaquin L., Schmid H. et al. Nanoprinting – printing with single-particle resolution – Nature Nanotechnology, 2007, vol. 2, No 9, p. 570–576.
13. Носов Ю., Сметанов А. На пути в наноэлектронику: Исторические параллели и сопоставления. – ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес, 2007, № 5, с. 11–16.
14. Бобков С.Г., Киреев В.Ю. Проблемы перехода микроэлектроники в субстананометровую область размеров. Ч. 1. Общие положения и возможности литографических и нелитографических методов формирования топологии. – Нано- и микросистемная техника, 2007,
№ 5, с. 11–21.
15. DeJuly R. Biological sensors take advantage of silicon processes. – Semiconductor International, July 2007, p. 19–24.
16. Алфимов М.В. Нанотехнологии. Роль компьютерного моделирования. – Российские нанотехнологии, 2007, т. 2, № 7–8, с. 1–5.
Отзывы читателей
