Нанотехнология

Тот, кто раньше овладеет нанотехнологией, займет ведущее место в техносфере следующего столетия.

Э. Теллер (создатель атомной бомбы и один из авторов стратегической оборонной инициативы)

70 лет назад наш соотечественник Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты барьера. Новое явление, называемое туннелированием, позволило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра, - основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий.

Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев (Foto_T), руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ "Пульсар", предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по быстродействию результатов. Спустя 20 лет они были успешно реализованы. В настоящее время процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров (1нанометр=10^-9 м).

До сих пор создание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось, в основном, на технике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев, параллельных плоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различных материалов с толщиной вплоть до моноатомной. Однако традиционные технологии эпитаксии и литографии, развитые в настоящее время практически до своих предельных возможностей, не могут быть применены для создания очень маленьких электронных элементов, величиной, соразмеримой с размерами нескольких атомов, так как содержат принципиальные внутренние противоречия, ограничивающие уровень достижимых результатов.

К этим противоречиям относится высокая температура процессов эпитаксии - до нескольких сотен градусов, при которой хоть и обеспечивается рост высококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемых областей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируют диффузионные процессы, "размывающие" планарные структуры. Более "холодные" технологии осаждения, типа напыления, из-за одновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста в разных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектов на их границах раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры.

Формирование элементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлять методами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления. Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районе области фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов.

Возникла тупиковая ситуация, для преодоления которой, в отличие от продолжения совершенствования традиционных технологий, требовался принципиально новый подход. И вот, наконец, в 1981 году кардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных - с точностью до отдельных атомов - низкоэнергетичных технологических процессов, явилось создание Г. Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 году были удостоены Нобелевской премии.

Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку. Исключительно резкая зависимость тока туннелирующих электронов от расстояния (при изменении зазора на одну десятую нанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечила высокую чувствительность и высокую разрешающую способность микроскопа. Стабильное удержание иглы на столь малом расстоянии от подложки обеспечивается применением электронной следящей системы, под воздействием результатов измерения туннельного тока управляющей пьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживать зазор с точностью лучше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющих сигналов, при известной чувствительности пьезоманипулятора к перемещению под действием напряжения, определяют высоту исследуемой области поверхности. Сканируя над исследуемой поверхностью, по результатам измерений высот различных областей определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов.

Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов.

Обычно, для того чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондом и проводящей подложкой, прикладывают низкие напряжения в несколько милливольт, что ограничивает максимальную энергию туннелирующих электронов величиной, меньшей энергии тепловых колебаний атомов. При проведении нанотехнологических процессов между зондом и подложкой прикладываются напряжения в несколько вольт и даже десятков вольт, что позволяет активизировать проведение атомно-молекулярных процессов, характеризующихся переносом атомов, вплоть до локального испарения, а также стимулировать локальные химические реакции.

Нанотехнологические процессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях. В вакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы на подложку и наоборот. Значительно большие технологические возможности открываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средах проводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумными установками, расширить диапазон используемых материалов, повысить производительность технологических установок.

Напуск технологического газа или паров вещества, используемых в технологической реакции, приводит к образованию на поверхности подложки адсорбированного слоя (рис. L*b и рисунки по эскизу). Зонд сканирующего туннельного микроскопа приближается к поверхности подложки и практически погружается в адсорбированный слой. Приложение напряжения между зондом и подложкой стимулирует прохождение нескольких процессов:

• поверхностной миграции полярных молекул адсорбированного вещества к зонду;
• поляризации вещества под зондом;
• удаления вещества из-под зонда за счет пондеромоторных сил, нагрева и т. д.;
• возникновения и поглощения плазмонных колебаний;
• межатомного взаимодействия зонда, подложки и вещества;
• локальных химических реакций.

Данные процессы в ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результат сильно зависит от типа применяемого вещества.

В жидких средах также осуществляют локальные химические реакции, хотя отвод продуктов реакции сложнее, чем в предыдущем случае.

Синтезируя подложку с определенными свойствами в газовых средах специального состава, можно создавать наноструктуры различных типов, пример показан на рис.

Ширина линии букв - десятки атомов

Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие радиотехнические функции за счет особенности взаимодействия электронов с наноструктурами. К транзисторам новых типов относятся одноэлектронные транзисторы, предложенные К. Лихаревым, в которых доминируют эффекты поодиночного прохождения электронов через транзистор и управления параметрами данного процесса под действием потенциала управляющего электрода. Достоинством транзистора данного типа и функциональных приборов на его основе является исключительно низкое энергопотребление. К сравнительным недостаткам - наивысшие по трудности реализации требования создания нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить работу данных устройств при комнатной температуре. К принципиально другому типу транзисторов следует отнести транзисторы Ааронова-Бома, в которых используются волновые свойства электронов. Под воздействием управляющего напряжения, создающего несимметричность параметров волнового распространения электрона по двум расходящимся, а потом сходящимся проводникам, происходит интерференция волновых функций электрона, приводящая к модуляции выходного электронного потока. К достоинствам транзисторов данного типа следует отнести сверхвысокое быстродействие, достигающее терагерцового диапазона, а к недостаткам - наивысшие требования к однородности материалов, выполнение которых необходимо для минимизации рассеяния электронов при распространении их по данным двум проводникам. К третьему типу нанотранзисторов относится полевой транзистор, сформированный на основе нанопроводников, в котором под воздействием управляющего напряжения происходит полевая модуляция проводимости проводника, по которому течет ток. Данный транзистор, хоть и не является рекордсменом по сравнению с первыми двумя по энергопотреблению и быстродействию, предъявляет наиболее простые технологические требования к технологии создания и позволяет достичь частотного диапазона в сотни гигагерц.

Функциональные устройства на основе наноструктур могут выполнять функции логических элементов, памяти, аналого-цифровых преобразователей и т. д.

Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трехмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии исключительно важно, так как полупроводниковая микроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Данный недостаток технологии порождал проблему, названную Я. А. Федотовым "тиранией межсоединений". Она не только сдерживает развитие интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет аппаратно реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.

В настоящее время в развитии нанотехнологии наступил этап, когда первые рекордные результаты, скорее показывающие потенциальные возможности нанотехнологии, достигнуты, а технология, которой можно пользоваться для создания наноэлектронных схем (также, как раньше пользовались кремниевой планарной), пока отсутствует. Главной причиной ее отсутствия является нерешенность проблемы создания проводящих наноструктур на изолирующей поверхности диэлектрической подложки.

В последние годы для работы с диэлектрическими подложками применяются атомно-силовые микроскопы (см. статью Быкова), однако они не позволяют производить локальную активацию атомов и молекул под зондом, то есть при их помощи невозможно осадить проводящий материал на диэлектрическую подложку. Что же касается современной техники на базе туннельных микроскопов, то с их помощью можно активировать лишь материал, расположенный между вершиной зонда и проводящей подложкой, а не диэлектрической, как это требуется для практических целей.

Поэтому главное направление развития технологии создания проводящих элементов на изолирующих материалах, это не просто "улучшение дорог" - это создание принципиально новых типов активаторов нанотехнологических процессов.

Другим, пока слабым, местом нанотехнологии многие считают ее низкую производительность, причем полагают, что это является принципиально неустранимым недостатком. Однако разработчики нанотехнологических комплексов и процессов категорически с этим мнением не согласны по следующим причинам.

1. Скорость одиночных нанотехнологических реакций формирования молекулярных соединений достаточно высока и находится в пикосекундном диапазоне, а объем базовых наноэлектронных элементов в миллионы раз меньше, чем объем базовых элементов традиционной микроэлектроники.
2. Скорость перемещения одиночного манипулятора, управляемого электронной следящей системой, все время возрастает, превышая уже сейчас 1 мм в секунду, а в дальнейшем, при применении еще более быстродействующих манипуляторов и систем управления, будет увеличена еще на несколько порядков.
3. Уже сейчас созданы многозондовые устройства, где одновременная работа зондов повышает общую производительность в количество зондов раз.

Все это в совокупности позволяет предположить повышение суммарной производительности до весьма существенных величин. По наиболее оптимистичной оценке Э. Дрекслера, руководителя Forsight Institute и организатора регулярных международных конференций по молекулярной нанотехнологии, производительность подобных устройств - сборщиков атомов в перспективе может достигать величин более одного кг в час. Очередная конференция по данному направлению состоится в начале ноября в Калифорнии. Увеличение производительности данных систем будет нарастать благодаря изготовлению элементов системы из наноматериалов и конструкций на их основе, создаваемых методами нанотехнологии. Дальнейшее развитие направления будет продолжаться в соответствии с многовековым правилом: "машины делают машины".

Стремительное развитие науки и техники, осуществляемое на основе развитой нанотехнологии, за рубежом называют наноиндустриальной революцией. В 1989 году была проведена международная конференция по сканирующей туннельной микроскопии, а в 1992 году - элитная конференция по нанотехнологии. Ежегодно в Японии ведутся работы примерно по дюжине нанотехнологических проектов. В 1992 году крупнейшим был "Angstrem Technology Projekt" - самый крупный из серии японских проектов, направленных на разработку приборов нанометрового размера. Проект стоимостью 185 млн. долларов рассчитан на 10 лет. Для его реализации задействовано 50-80 японских фирм. На основе выполнения данного проекта была проведена реорганизация четырех министерских лабораторий в исследовательском центре "Цукуба", а также создан новый междисциплинарный центр по исследованиям в области нанотехнологии.

Кроме этого проекта, лидирующими являются проекты "Atom Craft Projekt", фактически посвященный атомной сборке, проект квантовых функциональных приборов и другие. Руководители этих проектов однозначно заявляют, что они создают технологию XXI века и планируют заложить основу для технологии терабитных кристаллов. Следует отметить, что из пяти направлений научных программ в Японии, начиная с 1995 года, фактически главным является направление по созданию функциональных приборов на основе наноструктур. Имеется ряд специализированных журналов, где опубликовано много новых работ по созданию нанотехнологических комплексов, применению их для создания нанороботов и использованию не только на Земле, но и в космосе.

Во Франции даже создали клуб нанотехнологов, обьединяющий ученых и промышленников различных отраслей. В Англии издаются журналы "Нанотехнология" и "Нанобиология", в 1998 году планируется пятая международная конференция по нанотехнологии.

Возможные социальные последствия развития нанотехнологии заключаются в коренном преобразовании практически всех отраслей науки и техники.

В электронике будут создаваться сверхбыстродействующие компьютеры не только с обычными архитектурами, но и нейрокомпьютеры, сверхбыстродействующие функциональные устройства с рекордной производительностью, в оптоэлектронике будут синтезированы давно ожидаемые излучатели с перестраиваемым спектром и широкополосные фотоприемники с КПД во многие десятки процентов, кардинально изменится медицина, эффективно реализовав возможности генной инженерии, создав эффективные молекулярные диагностические устройства и соответствующие биосинтезаторы, коренным образом преобразуется химиндустрия, превратившись из гигантов в практически персональные синтезаторы.

Однако всех интересуют более точные сроки начала реализации нанотехнологии в повседневной практике. И хотя, например, отдельные наноэлектронные элементы уже существуют в ведущих лабораториях мира, по оценкам специалистов, начало более явного применения нанотехнологии приходится на 2000 год. Нанотехнология станет основой значительных эволюционных изменений, многие из которых настолько качественно будут отличаться от сегодняшнего мира, что в настоящее время их просто невозможно описать.