Индикаторы распространения нанотехнологий в производственной сфере

В США «движущей силой» развития нанотехнологий является государство. Так, с 2001 г. в стране реализуется федеральная программа под названием «Национальная нанотехнологическая инициатива» (NNI) с годовым бюджетом в размере 1 млрд.

Nanotechnology Research and Development Act), направленное на укрепление лидерства в области экономики и техники путем обеспечения устойчивой, долгосрочной поддержки исследований в данной сфере. В соответствии с этим документом пять государственных организаций - Национальный научный фонд, Министерство энергетики, Национальный институт стандартов и технологий, NASA, Управление по охране окружающей среды - получили от государства финансирование в размере $ 3,7 млрд. сроком на 3 года для проведения НИОКР в области нанотехнологий. Как следует из рис. 4.22 - 4.27, с 2000 г. средства, выделяемые правительством США на развитие нанотехнологий, постоянно росли. Помимо федерального бюджета США немалые деньги вкладываются в нанотехнологии и через бюджеты различных штатов. Финансирование различных наноразработок заложено в бюджетах 63 % ведущих американских корпораций, включенных в список Dow Jones Industrial Average.

В настоящее время финансирование нанотехнологий в США, Европе и Азии выравнивается, причем вклад корпораций (частного бизнеса) в финансирование работ по нанотехнологиям постоянно растет (рис. 4.25 - 4.28). Уже в 2005 г. объем корпоративного финансирования нанотехнологий в США и Японии превышал объем государственного финансирования.

По оценкам US NanoBusiness Alliance, уже сейчас начинается активный дележ рынка нанотехнологий между странами, а передел его закончится к 2015 г. Прогнозируется, что США займет 30 % рынка нанотехнологий (прирост - 3 % в сравнении с 2007 г). У Японии — 25 % (плюс 1 %), у стран Западной Европы — 20 % (минус 5 %) с преобладающим вкладом Германии, Великобритании и Франции. Остальное распределено между Китаем, Россией, Южной Кореей, Канадой и Австралией (минус 10 %). Таким образом, США и Япония, согласно прогнозам, сохранят свои лидирующие позиции на рынке, при снижении на нем удельного веса Западной Европы, Азии и ряда других стран.

Анализ 357 компаний из обзора Fecht et al., 2003 г. [4.30] показывает, что нанобиотехнологии будут доминировать в структуре наноиндустрии США, Германии и Великобритании. Согласно тому же докладу нанобиотехнологический сектор является наиболее притягательным для венчурного капитала и занимает в объеме инвестирования больше половины всех средств. Биотехнология является одним из наиболее наукоемких секторов промышленности в мире, исследовательская составляющая которого является не дополнительным фактором развития, а главным и основополагающим. Так, в США в 2006 г. в исследования инвестировали $ 27 млрд только в представленные на публичном рынке биотехнологические компании. По данным BioWorld [www.bioworld.com]. биотехнологии привлекли более $ 25 млрд для инвестиционного финансировании в 2007 г. и собрали более $ 100 млрд за пятилетний период 2003 - 2007 гг. Как видно на диаграмме рис. 4.29, большая часть всего финансирования исследований и разработок в биотехнологическом секторе отводится на медицину.

Ожидаемый объем нанорынка по различным направлениям в 2015 г. представлен на рис. 4.29. Как видно, большую часть рынка займут наноматериалы и наноэлектроника. Рост рынка всей электроники в среднем составляет около 7 % за год (что выше темпов развития, например, автомобильной промышленности). В то же время за последние два десятилетия средняя скорость роста рынка лазеров на полупроводниковых наногетероструктурах составляет 34 %, а в пиковые годы зашкаливал за 100 % (рис. 4.30). В 2000 г. рынок гетеролазеров соответствовал рынку всей полупроводниковой промышленности за 1980 г. Как следует из рис. 4.30, гетеролазеры становятся ключевым элементом рынка. Рост полупроводниковой промышленности до 300 млрд долларов в 2000 г. был обусловлен развитием Интернета. Сейчас полупроводниковые лазеры в основном применяются в телекоммуникационном секторе, что составляет около 70 % всего рынка. Лидером в производстве нанолазеров остается Япония, за которой с небольшим отрывом идут США. Быстрыми темпами развивается рынок светодиодов (рис. 4.31).

По оценкам Lux Research (2004 г.) доля продукции наноиндустрии составит 4 % от всей промышленной продукции в 2014 г., причем с использованием нанотехнологий будут производиться 100 % компьютеров, 85 % - бытовой электроники, 23 % - фармацевтики и 21 % - автомобилей. Объемы производства метрологического оборудования

О важности метрологии свидетельствует наименование ежегодной научно-практической конференции «Точность рождает качество». Наноструктуры являются многочастичными системами, крайне редко поддающимися аналитическому исследованию.

Экспериментальные исследования нанотехнологий проводятся с помощью уникальных установок: сканирующих и трансмиссионных электронных микроскопов (SEM, TEM), атомных силовых и сканирующих туннельных микроскопов (AFM, STM), установок              магнито-резонансной силовой микроскопии (MRFM) и других экспериментальных методик.

Создание соответствующей приборной базы является второй сопряженной с нанотехнологиями базовой областью, необходимой для ее развития.

В то время как электронный микроскоп остается важным инструментом для множества измерений, с приближением технологии к наномасштабу его все чаще дополняют сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ), а растущая плотность упаковки элементов требует метрологической информации в трех измерениях. Основа нанометрологии - прецизионное позиционирование. Размеры и количество элементов, например, в интегральных схемах и магнитных устройствах записи данных, а значит, и тактико-технические характеристики продукции, прямо обусловлены достигнутым уровнем точности позиционирования и обработки поверхностей. Это в свою очередь определяет размеры оборудования, требуемого для производства схем и записи на носители, его массу, скорость, энергоемкость и стоимость.

С момента изобретения Г. Биннингом и Г. Рорером первого варианта сканирующего туннельного зондового микроскопа в 1982 г. прошло всего 25 лет, но за это время он превратился в один из мощнейших инструментов нанотехнологии. Сейчас известны десятки различных вариантов зондовой сканирующей микроскопии (SPM - scanning probe microscopy).

• ближнепольная оптическая микроскопия; в ней зондом служит оптический волновод (световолокно), сужающийся на том конце, который обращен к образцу, до диаметра меньше длины волны света. Световая волна при этом не выходит из волновода на большое расстояние, а лишь слегка «вываливается» из его кончика. На другом конце волновода установлены лазер и приемник отраженного от свободного торца света. При малом расстоянии между исследуемой поверхностью и кончиком зонда амплитуда и фаза отраженной световой волны меняются, что и служит сигналом, используемым при построении трехмерного изображения поверхности.

Зондовыми методами можно исследовать разнообразные материалы: проводящие, диэлектрические, биологические и другие. Они могут использоваться для локального определения атомных конфигураций, магнитных, электрических, тепловых, химических и других свойств поверхности. Особенно интересны попытки зарегистрировать спин-зависимые явления, определяющие величину туннельного тока в зависимости от поляризации одного-единственного электрона в атоме на исследуемой поверхности. Это прямой путь к решению задач одноэлектроники и спинтроники. Очень важно, что помимо исследовательских функций сканирующая туннельная микроскопия может выполнять еще и активные - обеспечивать захват отдельных атомов, перенос их в новую позицию, атомарную сборку проводников шириной в один атом, локальные химические реакции, манипулирование отдельными молекулами.

Рынок сканирующих зондовых микроскопов, являющихся базой для проведения наноразработок, динамично развивается с темпом роста примерно 13 % в год. Объем мирового рынка составляет примерно 150 млн долл. (для сравнения - общий объем нанорынка - 11,6 млрд. долл.). Производством оборудования (инструментария) для нанотехнологий занимаются более двух десятков компаний. Наиболее активными из них являются Veeco и Asylum Research (обе из США), Seiko (Япония) и Компания НТ-МДТ (Россия, г. Зеленоград). Компания Veeco (США) - ведущий мировой производитель оборудования для исследования поверхности на наноуровне: сканирующих зондовых микроскопов, механических и оптических профилометров и др.

В России несколько компаний производят нанооборудование. Из общего количества предприятий России, занимающихся исследованиями в сфере нанотехнологий, всего около 4 % разрабатывают приборы для обеспечения этих исследований. Наиболее успешной компанией, производящей оборудование для нанотехнологий, является NT-MDT (г. Зеленоград). Продуктовая линейка включает 4 модельных ряда (платформы), а также широкий ассортимент аксессуаров и расходных материалов: комплекс «НаноФаб 100», платформа ИНТЕГРА, платформа СОЛВЕР, платформа НАНО- ЭДЬЮКАТОР, СЗМ зонды и пр. (рис. 4.32). Комплекс «НаноФаб 100» состоит из отдельных высоковакуумных и сверхвысоковакуумных аналитических или технологических модулей, каждый из которых реализует групповой или локальный метод нанотехнологии на стомиллиметровой пластине, в частности методы зондовой микроскопии, фокусированных ионных пучков, электронной микроскопии, молекулярно-лучевой эпитаксии, импульсного лазерного осаждения, плазменные технологии. Платформа включает более тридцати различных модулей и постоянно расширяется.

Имея представительства в 52 странах, компания NT-MDT постоянно наращивает объемы продаж (рис. 4.33), увеличив их за 10 лет более чем в 30 раз. В 2007 г. на долю NT-MDT пришлось 20 - 30 % стоимости всех проданных СЗМ-приборов в Западной Европе. Успешно инсталлировано почти 2000 приборов в большинстве научных и индустриальных центров Европы, Азии и Северной Америки. Выработка в компании составляет 5,5 млн. руб в год на человека. Инвестиции в разработки составляют 15 - 20 % от годового оборота. Важно отметить роль государства в развитии компании: в 2003 г. NT-MDT выиграла инновационный конкурс Минпромнауки и получила инвестиции в размере 400 млн руб. на три года. Благодаря этому удалось создать большую группу продукции, позволяющую успешно конкурировать на мировом рынке.

В концерне "Наноиндустрия" (www.nanotech.ru/cn/r/nano.php) был разработан на базе СЗМ нанотехнологический комплекс «Умка». Он представлен в 3-х разновидностях: базовая («учебная»), «низкотоковая» и «газонаполненные» модели. Основные поставки - некоторые ВУЗы, лаборатории, исследовательские центры. К настоящему времени продано около 50 установок «Умка». Компания «СМ-Консалт» осуществила разработку нового программного обеспечения для нанотехнологического комплекса «УМКА», что существенно упрощает использование комплекса, повышает качество визуализации образцов и снижает квалификационные требования к начальной компьютерной подготовке пользователей за счет упрощения пользовательского интерфейса и более оптимальной работы.

В ООО «Диагностика-М» (Москва) разработан просвечивающий рентгеновский микроскоп (ПРМ) для максимального напряжения 100 кВ на разборной трубке с собственной системой откачки и фокусным пятном 0,1 мкм при 20 кВ. Специализированный под нанообъекты микроскоп на низких ускоряющих напряжениях (5 - 25 кВ) может быть выполнен в настольном варианте при небольших габаритных размерах и весе.

Компания «АИСТ-НТ» (г. Зеленоград) разработала новый полностью автоматизированный СЗМ - SmartSPM, который позволяет автоматически настраивать регистрирующую систему, подводить зонд к образцу и устанавливать параметры сканирования (www.aist-nt.ru).

О некоторых других средствах измерений в нанообласти. В области нанотехнологий появляются все более сложные задачи, что приводит к появлению новых требований к используемому оборудованию. Помимо оборудования, непосредственно изготавливаемого для исследований в сфере нанотехнологий, в России производятся (со времен СССР) установки, которые помимо общего назначения также могут использоваться в аттестации порошковых и компактированных наноматериалов, например, рентгеновский дифрактометр ДРОН-7 (ОАО «НПО «Буревестник»). В Технологическом институте сверхтвердых и новых углеродных материалов (Троицк) создан и используется не имеющий аналогов в мире прибор «НаноСкан» (www.ntcstm.troitsk.ru). Использование жесткого кантилевера и инденторов из материала тверже алмаза позволяет существенно расширить область исследуемых веществ и проводить исследования механических свойств и обработку поверхности алмаза и других сверхтвердых материалов. В настоящее время прибор используется в 12 научных организациях России, Германии, Японии, Америки. К 2012 г. будет достроен единственный в России реально продвинутый в реализации проект современного источника нейтронов постоянного действия - высокопоточный исследовательский реактор ПИК в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН (г. Гатчина, Ленинградская обл.), с помощью которого возможно существенное увеличение качества и количества исследований в области нанотехнологий в России.

Оптическая установка HITACHI в реальном времени выявляет, распознает и автоматически классифицирует дефекты в кристаллах кремния с разрешением 70 нм в области глубокого ультрафиолета [4.33]. В США создан лазерный комплекс, позволяющий независимо манипулировать сразу 200 нанообъектами в трех измерениях. Системы такого уровня требуют прецизионной обработки микроскопической оптики. Установка для производства микрооптики произвольной формы, созданная по заказу организаций DARPA, Raytheon и Lockheed-Martin, имеет многоосевую сверхточную систему обработки для формирования практически любой мыслимой оптической поверхности. Бесконтактный лазерный датчик положения и перемещения на линзах с ограниченной дифракцией, разработанный компанией OPTRA, позволяет измерять положение и смещения до 100 кГц в диапазоне 100 мкм с разрешением 15 нм с расстояния 3 мм практически для любого материала в широком диапазоне температур.

Двухфотонная трехмерная литография, разработанная по заказу МО США, позволяет создавать трехмерные структуры из любых материалов, от металлов до полимеров с разрешением менее 200 нм. Система автоматически вырезает сложные МЭМС, массивы сенсоров, актюаторы и микромашины. Также технология позволяет производить устройства трехмерной интегральной оптики, шаблоны фотонных кристаллов, мультиплексоры и демультиплексоры, оптические резонаторы высокой добротности и волноводы.

Для выращивания гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования применяют Молекулярно-пучковую эпитаксию (МПЭ) или молекулярно-лучевую эпитаксию (МЛЭ) — эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума. В установках МПЭ (рис. 4.34) имеется возможность исследовать качество пленок «in situ» (то есть прямо в ростовой камере во время роста).

Эллипсометр Nanofilm позволяет, измерять толщину пленок с вертикальным разрешением 0,1 нм на поверхности объектов произвольной формы с формированием высококонтрастной карты толщины с микрометровым горизонтальным разрешением (nanoustroystva.ru/metr).

Американская компания Zyvex Instruments, основанная в 1997 г., является лидером в производстве интегрированных (комплексных)              систем для нанотехнологий в электронике

(www.eltm.ru/index.sema). Точность позиционирования зондов составляет 5 нм, диаметр точки соприкосновения зонда - 20 нм. Компания Zyvex уже несколько лет производит системы наноманипуляторов с тремя степенями свободы для захвата, измерения, позиционирования и сборки микро- и нано- образцов. Грубое перемещение каждого манипулятора на 12 мм по трем осям с разрешением 100 нм. Точное позиционирование до 100 мкм с разрешением лучше 5 нм по осям и 360° с разрешением 6 мкрад вокруг оси. Применяется для НИОКР в энергетике (топливные ячейки, источники питания микроустройств), разработке материалов (композиты нового поколения, нанотрубки, наночастицы, изучение поверхности), электронике (полупроводники, хранение данных, разработка квантовых вычислений), биотехнологии (манипулирование клетками и изучение тканей). Микропривод на основе электротермиче- скиех актюаторов обеспечивает контролируемое раскрытие и сжатие щипцов с амплитудой до 16 мкм и силой до 210 мкН. Для измерения таких величин ведутся работы по созданию наномасштабного эталона силы.

Самый передовой и мощный в мире электронный микроскоп, имеющий беспрецедентно высокое разрешение, смонтирован и запущен в Канадском Центре электронной микроскопии университета макмастер (Canadian Centre for Electron Microscopy at McMaster University), г.              Гамильтон,              Штат Онтарио www.mcmaster.cal. Разрешающая способность нового микроскопа Titan 80-300 Cubed позволяет проводить идентификацию атомов, измерять их химический статус и даже обнаруживать электроны, связывающие эти атомы. Микроскоп изготовлен в Голландии компанией FEI и стоит 15 млн долларов США.

Появление нового микроскопа Titan 80-300 Cubed (в придачу к существующим криогенным системам) выдвигает Университет в лидеры Канады в области нанотехнологии и ставит их в число наиболее продвинутых нано исследовательских организаций в мире.

Исследователи Национального института стандартов и технологии США (NIST) и Университета им. Джонса Хопкинса (The Johns Hopkins University) сконструировали уникальный спектрометр для исследования свойств новых материалов (nano-info.ru/post). Прибор, получивший название MACS - Multi-Axis Crystal Spectrometer (Много-осевой кристалл-дифракционный спектрометр), имеет беспрецедентную чувствительность и быстродействие, что позволяет использовать его в экспресс-анализе наноматериалов в лабораторных и промышленных образцах. Образец материала облучается пучком нейтронов с низкой кинетической энергией, которые рассеиваются атомной решеткой материала образца в специфических направлениях и со специфическими скоростями, что и характеризует структуру и организацию атомов в материале. Анализ рассеяния нейтронов может многое сказать о физических свойствах материала. Используя MACS, можно получить детальную информацию, например, о магнитных свойствах материала, даже используя образец нано-структурированной тонкой пленки. MACS имеет 20 детекторов, расположенных полукругом за площадкой с образцом. Разработка спектрометра MACS производится при поддержке Национального Фонда научных исследований (National Science Foundation) США.

Таким образом, развитие квантовой информатики, экспериментальных «нанокомплексов» и международных стандартов является необходимым условием прогресса нанотехнологий. Оценить развитие исследований в области нанотехнологий в экономику той или иной страны можно по тому, насколько развито в них создание теоретических и экспериментальных средств исследования наноструктур, ведутся ли в ней работы во всех вышеперечисленных направления, приближают ли созданные в них нанопродукты к достижению рекордных параметров технических устройств, в каких масштабах и в скольких областях используются нанотехнологии .