Понедельник, 11.12.2017, 14:03
Приветствую Вас Гость

Нанотехнологии в образовании

Меню сайта
Мини-чат
Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 41
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0

 

 

 

 

Научно-популярная лекция для школьников

 

Оглавление



Введение
История транзисторов
Эффект Холла
Методы создания наноструктур
Свойства, применение и способы создания нанотрубок
Метаматериалы
Проблемы нанотехнологии
Заключение
Список литературы

 

Введение



Наше время — это время, когда бурно развиваются нанотехнологии и готовится, возможно, новая техническая революция. Это происходит не мгновенно, это было подготовлено давно, я хотел рассказать о некоторых первых шагах нанотехнологии и о том, как нанотехнология связана с фундаментальными науками, как они друг друга взаимно дополняют и обогащают. Вообще, лидирующие технологии нашего XXI века — это нанотехнологии, информационные технологии, биотехнологии. И в этой связи я хотел привести забавное высказывание Гордона Мура, одного из создателей фирмы «Интел»: «Если бы автомобилестроение развивалось со скоростью эволюции полупроводниковой промышленности, то сегодня роллс-ройс мог бы проехать полмиллиона миль на одном галлоне бензина, и дешевле было бы его выбросить, чем заплатить за парковку». Примерно так и происходит с компьютерами: мы не меняем, а покупаем просто новый компьютер — это дешевле.

 

История транзисторов



60 лет назад. В 1947 году в лаборатории «Белл» был изобретен первый транзистор — Шокли, Бардином и Браттейном, за что они получили Нобелевскую премию. Тогда этот транзистор был микронного размера, и вот что интересно: сначала была выполнена Бардином теоретическая работа, которая была посвящена фундаментальным свойствам системы на границе металл—полупроводник.


40 лет назад Гордон Мур сформулировал следующий эмпирический закон: каждые 1,5 года количество транзисторов в компьютерных микросхемах на 1 кв. дюйм удваивается. Когда всё начиналось, компьютеры были на лампах и весили много тонн. В силу закона Мура, сейчас микронные элементы имеют размер порядка 45 нанометров (нанометр — это 10–7 см).
Необходимо подчеркнуть связь технологии с фундаментальной наукой. Как только был открыт транзистор и начала развиваться эта наука, и был создан полевой транзистор [1]. Это оксидный слой, который изолирует металл от полупроводника, а здесь — кремний, в котором проводимость осуществляется положительными зарядами — «дырками». А вблизи границы имеется электронная проводимость — очень тоненький слой порядка 100 ангстрем, вот здесь находится вблизи границы. Здесь подключается один контакт, исток, а здесь — другой контакт, сток. И управляя напряжением вот этого управляющего электрода (по-английски «gate»), можно управлять концентрацией проводимости здесь и, соответственно, усиливать сигналы, то есть на этом основана работа полевого транзистора (рис.1).


Описание: http://nano-e.ucoz.ru/_pu/1/s07880864.jpg
Рис.1. Полевой транзистор

 

Эффект Холла



В 80-м году Клаусом фон Клитцингом было сделано выдающееся открытие в такой очень тонкой электронной системе, называемое «целочисленный квантовый эффект Холла». Была (неразборчиво) тоненькая пленочка золота, перпендикулярно прикладывалось магнитное поле, вдоль пленочки шел ток, и вот когда шел электрический ток, то поперек пленки, поперек направления тока возникало напряжение. Вот это напряжение называется Холловским напряжением. В магнитном поле они отклоняются в разные стороны. По этим течениям можно выяснить, кто является носителем в полупроводнике, и какая концентрация. Клитцинг за вот это открытие получил Нобелевскую премию.


Таким образом, технологически сначала теоретическое предсказание, фундаментальная наука, привела к открытию транзистора, а, в свою очередь, открытие транзистора привело к фундаментальному интереснейшему открытию. И вот так они и дружат — фундаментальная наука с нанотехнологией. Одно без другого невозможно, это как экология науки, так же, как экология вокруг нас.


Впоследствии Алферовым был открыт другой эффект, так называемый «дробный квантовый эффект Холла», в котором оказалось, что элементарные заряды, которые дают вклад в Холловский эффект, имеют дробный заряд.


Это был первый шаг, первый шаг в создании транзисторов, и с тех пор началась гонка: всё меньше и меньше транзисторы, лучше технология, иногда принципиально другие технологии. Где-то в начале 80-х годов был изобретен «сканирующий туннельный микроскоп» Гердом Биннигом и Генрихом Рорером в фирме «IBM». Сканирующий тоннельный микроскоп состоит из иголочки, из конца которой электроны проходят в исследуемый материал, и вот соответствующий ток очень сильно зависит от профиля вот этого материала, то есть сильно зависит от расстояния от кончика иголочки до материала. И в результате пространственное разрешение составляет 0,1 нанометра в направлении, перпендикулярном исследуемому образцу.

 

Методы создания наноструктур



Существует два метода создания наноструктур: «сверху-вниз» и «снизу-вверх» (рис.2). «Сверху-вниз» — это у вас есть массивный образец, и вы его обрабатываете так, что получается очень маленький объект. Откалываете, или еще каким-нибудь образом обрабатываете. Второй способ «снизу-вверх»— это вот как: собирать из отдельных атомов. То есть это снизу вверх. С самых элементарных кусочков собирать объекты. Существуют такие методы напыления атомными пучками — так называемая «молекулярно-лучевая эпитаксия».



Рис.2. Методы создания наноструктур


Пример способа сверху-вниз: графен [2]. Графен устроен удивительным образом: он имеет линейный спектр, а эффективная масса здесь в точности равна нулю. Щель в спектре в точности равна нулю, и свойства этой системы удивительны, так что они очень интересуют фундаментальную науку, здесь много очень интересных явлений возникает за счет вот этой необычной зонной структуры.


Также существуют другие наноструктуры из углерода. Одна из этих наноструктур представляет собой просто свернутый лист графена. Причем возникает он не откалыванием графена и сворачиванием листа, а он возникает сам по себе в разряде. То есть второй способ — снизу-вверх, то есть из газа, из разряда, в котором были атомы углерода, возникла спонтанно, путем самоорганизации, вот такая структура. Его типичный диаметр, вот таких трубок, порядка 1 нанометр, но возможны трубки многослойные. Прочность отдельной стенки трубки такая же, как прочность графена, то есть прочность в 5 раз выше стали.

 

Свойства, применение и способы создания нанотрубок



Свойства нанотрубок уникальны: у них есть высокая проводимость, сравнимая с металлической; упругие свойства, как я сказал, в 5 раз выше, чем у стали; теплопроводность в 20 раз выше, чем у меди, и возможно свободно двигать многостенные трубки одну трубку относительно другой. Также можно померить массу отдельных частиц с помощью нанотрубки.
И на этом основаны многочисленные применения. Во-первых, использующие уникальные упругие свойства, а во-вторых, применение в наноэлектронике, например, поскольку нанотрубка имеет очень маленький диаметр, можно использовать это как эмиттер в экране, и это сейчас уже осуществлено фирмой «Самсунг». На основе двухслойной нанотрубки можно создать нанотермометр, сделать нанореле, а это нанореле использовать как ячейку памяти или как переключатель.


Существует несколько способов создания наноструктур. Обычно это делается с помощью оптической технологии, оптической литографии. А именно: засвечивается образец — там есть светочувствительный слой, — и там, где есть засветка, после этого наносится разрушающее слой химическое вещество. Там, где есть засветка, оно там разрушает, а там, где нет засветки — не разрушает. Но есть другой способ, который состоит в том, чтобы использовать источники не в далеком поле, не дальние, а непосредственно вблизи самого источника излучения. То есть имеется источник, и ближнее поле — оно может производить какое-то действие или снимать какую-то информацию. Вот на этом основаны устройства, которые называются ближними полевыми микроскопами оптическими, и для них критерия Рэлея не существует, потому что критерий Рэлея связан с интерференцией волн на больших расстояниях, а для интерференции нужно, чтобы соответствующие длины были больше длины волны, а здесь — значительно меньше длины волны. Существует еще способ, называемый наноимпринтингом. Делать шарики с помощью какой-то самоорганизации, они возникают в процессе роста, а потом вдавливать их в какой-то мягкий материал. Возникают еще разные способы.

 

Метаматериалы



Еще об одной важной области нанотехнологии — создании нового типа материалов [3]. Можно делать специальные конструкции материалов с нужными свойствами, и можно сначала их рассчитать — это и делается сейчас в микроэлектронике, а потом конструировать соответствующие материалы. Примером такого метаматериала является фотонный кристалл. Существует ряд других возможностей для метаматериалов, например, создавать искусственные материалы невидимые. Это стелс-технология. Можно сделать такие покрытия, чтобы радиолокаторы почти не видели соответствующий самолет, что очень важно для военной техники.



Рис.3. Метаматериалы

 

Проблемы нанотехнологии



Существует нескольких проблем нанотехнологии:
1. Проблема изготовления различных чипов, различных масок для литографии
2. Будет ли переключение на новые методы — нанотрубки, молекулярная электроника?
3. Проблема сверхплотной записи информации.
4. Использование метаматериалов (наноматериалов, фотонных кристаллов и т.д.)
5. Изготовление наноэлектромеханических систем
6. Новые области исследования и технологии передачи информации — наноплазмоника и другие.

 

Заключение



Нанотехнология очень тесно связана с фундаментальной наукой. Вся она основана на фундаментальной науке, но, в свою очередь, нанотехнология помогает создавать такие приборы и такие устройства, на которых и будут сделаны выдающиеся фундаментальные открытия. Они друг без друга не могут быть. И вот в последнее время было много таких замечательных открытий, связанных, в частности: дробный квантовый эффект Холла, вот открытие графена с его удивительными свойствами. И как говорит Р. М. Рильке «Всё, что ваш ум из памяти возьмет, когда-то в жизни обратится во благо».


• Развитие нанотехнологий привело к открытию новых физических явлений в низкоразмерном мире (дробный квантовый эффект Холла, композитные фермионы и т.п.)
• Потребности нанотехннологий привели к развитию новых методов исследования (нанооптика и т.п.)
• Развитие наномеханики и НЭМС

 

Список литературы



1. Ю. И. Лозовик «Научно-популярная лекция для школьников», ФИАН, 15 ноября 2007 года
2. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%93%D1%80%D0%B0%D1%84%D0%B5%D0%BD - Википедия, статья про графен, января 2008 г.
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D0%B5%D1%82%D0%B0%D0%BC%D0%B0%D1%82%D0%B5%D1%80%D0%B8%D0%B0%D0%BB - Википедия, статья про метаматериал, января 2008 г

 

Вход на сайт
Поиск
Календарь
«  Декабрь 2017  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
    123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031
Архив записей
Друзья сайта