Журнал «Вокруг Света» №04 за 2007 год
Шрифт:
Справедливости ради надо отметить, что сканирующие зондовые микроскопы — туннельные, атомно-силовые, оптические — так и не стали основным инструментом нанотехнолога и скромно занимают нишу аналитического и метрологического позволяющего контролировать и лишь иногда подправлять результаты, полученные с помощью настоящих наноинструментов.
Размерные приставки для единиц измерения
фемто
ф
10-15
квадриллионная доля
пико
п
10-12
триллионная доля
нано
н
10-9
миллиардная доля
микро
мк
10-6
миллионная доля
милли
м
10-3
тысячная доля
кило
к
103
тысяча
мега
М
106
миллион
гига
Г
109
миллиард
тера
Т
1012
триллион
пета
П
1015
квадриллион
Волшебный
Фрагмент микросхемы памяти. Под утолщением на среднем проводнике находятся транзисторы, которых на кристалле несколько сотен миллионов. Увеличение около 10 000х
Милли, микро, нано и пико — эти дольные приставки еще долго будут символом технического прогресса и признаком совершенства технологий, которыми овладело человечество. С самого начала огромный интерес ко всему, что связано с наноразмерными объектами, проявляли компьютерные гиганты. Они и по сей день главные двигатели прогресса в этой отрасли, являясь основными производителями самых маленьких на Земле изделий — транзисторов, работающих в микропроцессорах современных компьютеров и сотовых телефонов. Именно уменьшение размеров элементной базы обеспечило поразительный рост быстродействия и снижение стоимости электронных вычислительных машин и привело к их повсеместному проникновению в нашу жизнь.
Эти два процесса — миниатюризация основных рабочих элементов (для компьютеров это транзисторы) и повышение быстродействия не случайно идут вместе и жестко взаимосвязаны. Дело в том, что любая микросхема содержит не только транзисторы и резисторы, но и множество полезных и вредных электрических емкостей. Эдаких маленьких конденсаторов, которые приходится периодически заряжать и разряжать, расходуя не только энергию, но и время. Чем меньше геометрические размеры активных элементов, тем меньше оказываются паразитные емкости и тем меньшими токами и быстрее можно перевести микросхему из одного логического состояния в другое. Соответственно быстрее происходит сложение чисел и выполнение других математических действий.
Ток в этом нанотранзисторе течет снизу вверх. Им управляет напряжение на затворе (горизонтальная полоса)
Процессор Pentium, появившийся 14 лет назад, имел характерный размер элементов 1 мкм и содержал 3 миллиона транзисторов, работал на частоте 60 МГц и при этом потреблял до 15 Вт электроэнергии. Pentium 4 Dual Core, изготовленный по технологии 65 нм в 2005 году и работающий на тактовой частоте 3,4 ГГц, содержит 1,7 миллиарда транзисторов. И хотя каждый транзистор тратит на одно переключение всего лишь сотые доли фемтоджоуля (то есть порядка 10-15 Дж), с учетом их огромного числа и высокой скорости срабатывания общая потребляемая мощность может достигать 100 Вт. Для нормальной работы процессора нужны не только десятки ампер тока, но и специальная система принудительного охлаждения. Сегодня компания Intel приступила к массовому производству процессоров Penryn, в которых характерный размер структурных элементов составляет всего 45 нм, а слои используемого в качестве изолятора оксида гафния имеют толщину около 1 нм.
Как это ни парадоксально, но основным инструментом современной микроэлектроники является свет, точнее, ультрафиолетовые лучи с длиной волны 151 нм. Сегодня 65-нанометровый «рисунок» внутренней структуры процессора или кристалла флеш-памяти наносится на кремниевую пластину, покрытую тончайшим слоем фоторезистивного материала с помощью фотошаблона и излучения эксимерного лазера, работающего в жестком ультрафиолете. Этот способ отдаленно напоминает фотопечать снимков. Как и в фотопроцессе, за экспозицией следует проявка, а за ней прочие этапы планарной технологии изготовления микросхем (напыление, диффузия, отмывка и т. д.). И в массовом производстве электроники отказываться от электромагнитного излучения и фотошаблонов пока никто не собирается, даже при переходе на технологию с шагом элементов 22 нм. Более того, проводят эксперименты, в том числе и в России, с экстремально жестким ультрафиолетовым излучением, имеющим длину волны всего 13,5 нм. Правда, особо горячие головы склонны считать, что все эти достижения производителей микросхем совсем даже не относятся к области нанотехнологии, полагая, что «нано» начинается только
У миниатюризации, естественно, имеется предел. Поскольку все сделано из атомов, то и транзистор должен состоять хотя бы из не скольких этих элементарных кирпичиков вещества, чтобы электронам, несущим информацию, было где остановиться в ожидании прихода следующей порции данных. Время межатомного взаимодействия измеряется фемтосекундами (10-15 секунд).
Компьютер, работающий на тактовой частоте в несколько терагерц и состоящий из триллионов сверхминиатюрных логических элементов, легко разместится внутри макового зернышка. Причем он будет потреблять так мало энергии, что это чудо техники можно будет вживить человеку. Так что в не столь отдаленном будущем каждый желающий сможет существенно повысить свои познания, интеллектуальные возможности и объем памяти, просто имплантировав миниатюрный суперкомпьютер себе под кожу.
Старые рецепты
Глубоко не правы те, кто полагает, что нанотехнологии родились лишь в конце XX века и до того люди вообще не умели делать ничего размером меньше десятых долей миллиметра. Хорошо наточенный нож или бритва имеют режущую кромку толщиной порядка микрона (0,001 мм). Наночастицы сажи уже 100 лет добавляют в резину при изготовлении автомобильных покрышек. Более века ученые используют в своих приборах так называемые нити Волластона — платиновые и золотые нити диаметром существенно меньше одной тысячной доли миллиметра. Хрестоматийным примером древнейших нанотехнологий является сусальное золото, тончайшими пластинками которого и сегодня покрывают оклады икон и художественные изделия, а в древности золотили купола церквей. При этом после многократной ковки из 2—3 граммов золота получается почти квадратный метр покрытия толщиной менее микрона. Несмотря на все успехи химии и электролизного дела, этот метод и сегодня остается самым экономичным по расходу золота. Наноуровневые процессы лежат в основе виноделия, хлебопечения и сыроварения. С частицами вещества размером меньше микрона работают фотографы и художники. В фотоэмульсиях и красках встречаются очень маленькие кристаллики, а струйные принтеры «стреляют» капельками чернил размером в сотые доли микрона. При записи голограммы возникают структуры хотя бы по одному направлению (обычно в глубину), имеющие размер существенно меньше одной тысячной миллиметра. Ставшие привычными голографические значки на этикетках и акцизных марках, по сути, продукт нанотехнологический. Химики тоже давно осознали важность микроструктуры катализатора для процесса синтеза и старательно измельчают частицы платины и других «ускорителей» химических реакций. Естественно, что в этих древних и не очень примерах микроскопические структуры возникают в ходе вполне макроскопических действий и в современном понимании не являются продуктом наномасштабного производства.
Необычные материалы
Если оставить в стороне микроэлектронику, то самыми массовыми нанопродуктами окажутся разного рода сплавы, покрытия и композитные материалы, приобретающие особые свойства благодаря своей микроструктуре. Аморфные и нанодисперсные состояния многих металлов кардинально отличаются по своим характеристикам от их кристаллических форм. При этом в одном материале порой удается совместить крайне противоречивые механические свойства: одновременно увеличить твердость и пластичность. Еще шире перспективы применения разного рода композитов, когда в относительно мягкую, например хромовую, матрицу вводится крайне твердый материал —карбид вольфрама. В этом случае получается всем давно известный твердый сплав победит. Однако если полвека назад его делали, используя частички карбида размером с десятки микрон, то сегодня используют порошки размером существенно меньше микрона. Благодаря этому он не только становится тверже, но и более гладко режет сталь.
Самый тонкий в мире провод из углеродных нанотрубок на фоне платиновых электродов. Толщина провода всего около 10 атомов. Увеличение около 500 000х
Особые механические свойства — лишь часть достоинств новых сплавов. Одним из знаковых успехов последних лет была разработка целого ряда прочных и легких биологически совместимых материалов. В активно развивающемся направлении по созданию бактерицидных красок, покрытий и перевязочных материалов все шире применяются разного рода нанодисперсные материалы для борьбы с вредоносной флорой и фауной.