|
Давая самую общую характеристику наноустройств, можно сказать, что они позволяют использовать в технологических целях предельные возможности электрических, магнитных, механических и биологических систем. Хотя в настоящее время такие устройства ассоциируются главным образом с информационными технологиями, их реальные возможности относятся к многим областям науки и техники. Со временем наноустройства будут играть важную роль в процессах преобразования энергии, организации защиты окружающей среды, производстве пищевых продуктов и медицинском обслуживании населения.
Наука
За последние десять лет умение преобразовывать вещества "сверху-вниз", в сочетании с некоторыми неожиданными открытиями в области синтеза и самосборки наноразмерных структур, привело к многочисленным открытиям. Наиболее яркие из них описываются ниже:
- Была открыта возможность создавать углеродные нанотрубки (а затем и регулировать процесс их создания), а также применять зонды микроскопов и литографические методы для сборки получаемых трубок в отдельные электронные устройства.
- За последние 1—2 года ученые научились помещать тщательно сконструированные отдельные молекулы в зазор между соответствующими электродами и измерять перенос заряда через эти молекулы.
- Бурное развитие зондовых методов и их использование для манипулирования отдельными атомами вещества и создания наноструктур.
- Разработка химических методов синтеза нанокристаллов и методов их объединения в более крупные и упорядоченные структуры.
- Использование в производстве наноустройств биомолекул и надмолекулярных структур.
- Выделение биохимических "молекулярных двигателей" и их включение в небиологическую среду.
Технология
В настоящее время есть много примеров микроэлектронных и телекоммуникационных устройств, работа которых связана с наноразмерными явлениями. Такие устройства можно назвать продуктами "одномерной" нанотехнологии, поскольку они представляют собой объекты микрометрового масштаба с нанесенными на них пленками толщиной в нанометровом диапазоне. Однако в литературе по физике и электронике их принято называть "двухмерными" системами, поскольку они имеют два классических (или нормальных) размера и один квантовый (т. е. наномасштабный размер). При такой классификации нанопроволоки называют одномерными объектами, а квантовые точки — нуль-мерными. Рискуя ввести некоторую путаницу, лучше подразделять наноустройства на классы, исходя из числа наноразмерных, а не крупномасштабных измерений. Поэтому двухмерные системы (например, двухмерный электронный газ и квантовые потенциальные ямы) относятся к одномерным нанотехнологиям, нанопроволоки — к двухмерным, квантовые точки — к трехмерным. Рассматриваемые ниже примеры включают в себя транзисторы с высокой подвижностью электронов, биполярные транзисторы на гетеропереходах, резонансные туннельные диоды и оптоэлектронные устройства с квантовыми ямами (в частности, лазеры и детекторы).
 |
Последние достижения в области разработок таких устройств связаны с использованием эффекта ГМС, когда в качестве высокочувствительных датчиков магнитного поля используются наноструктуры, состоящие из чередующихся слоев наномасштабных магнитных и немагнитных материалов. Перенос поляризованных по спину электронов между магнитными слоями на расстояние в несколько нанометров позволяет таким структурам реагировать на ничтожно малое изменение магнитного поля, которое соответствует биту информации, хранимой на компьютерном диске. Применение таких ГМС-структур может в корне изменить все промышленное производство устройств магнитной записи на жесткие диски, доход от которого составляет в США 30—40 млрд. долл. в год. За последнее десятилетие существенно возросли возможности регулирования с атомной точностью роста одномерных наномасштабных структур (тонкие пленки, поверхности и межфазные границы).
Переход от одного наноизмерения к двум или трем не прост, однако полученные выгоды были бы огромными. В области создания трехмерных наноструктур получены следующие важные результаты:
- Обнаружение квантового эффекта кулоновской блокады и создание одноэлектронных запоминающих и логических элементов, работающих при комнатной температуре.
- Объединение щупов сканирующего зонда в крупные матрицы для механических и литографических средств хранения информации.
- Изготовление полупроводниковых структур с фотонной шириной запрещенной зоны.
- Интегрирование наночастиц в высокочувствительные газовые датчики.
Биоочистители на основе нанотехнологий
|
