<<
>>

Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада

В настоящем разделе приводится краткий обзор основных направлений применения наноматериалов в формирующемся новом технологическом укладе. Многочисленные сферы применения нанотехнологий и нанопродуктов сгруппированы в данном разделе в семь основных областей: наноэлектроника, медицина и фармацевтика, генно-модифицированные продукты, конструкционные и функциональные материалы, машиностроение, энергетика, военные применения.

Более детальное обсуждение применений нанотехнологий можно найти в литературе к разделу 3, в частности в обзорах [3.61 - 3.69]. Наноэлектроника и нанофотоника

Траектория роста нового технологического уклада пока еще формируется в условиях конкуренции различных технических решений, предлагающих их фирм и коллективов ученых. Электронная промышленность переходит в нанообласть как единое целое в полноте своих технологий производства, продуктовых потоков, технологий потребления [3.71 - 3.74].

Логика конкурентного развития современной микроэлектроники, являющейся основой микропроцессорной техники, заставляет производителей повышать быстродействие процессоров, увеличивать емкость памяти, уменьшать габариты устройств и удешевлять их. Поскольку основные технические характеристики электронных приборов во многом определяются размером электронных компонентов, их минимизация стала генеральным направлением технологической траектории развития микроэлектроники (рис. 3.9 - 3.11), охватившим все составляющие технологического процесса - литографическое оборудование, включающее эксимерный лазер, оптическую систему переноса изображения, систему позиционирования, сканирования и совмещения пластины и фотошаблона. Более сорока лет общая тенденция определялась так называемым законом Мура (Гордон Мур - один из основателей Intel), в соответствии с которым плотность компонентов интегральных электронных схем возрастала вдвое за каждые полтора года (соответственно размер схемных элементов уменьшался вдвое).

В результате в начале XXI века этот размер вошел в нанообласть (достиг 100 нм), а к 2020 г. должен ее покинуть, достигнув размеров в несколько атомов (см. рис. 3.7). Рубежом перехода этой технологической траектории к шестому технологическому укладу следует считать освоение диапазона экстремального ультрафиолетового излучения с длиной волны 13 нм (рис. 3.12).

Особенностью вхождения электронной промышленности в нано уровень является множество одновременных новаций в разработках материалов, конструкции интегральных схем, методах производства и др. Развитие электронной промышленности в целом определяется технологическими возможностями крупных корпораций, интегрирующих весь спектр технологий и применений как целое. Поэтому, можно считать, что степень влияния наноэлектроники определяется числом крупных компаний в ядре мировой электронной промышленности, перешедших на технологические нормы нано-диапазона (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Крупные компании в ядре мировой электронной промышленности,

перешедшие на технологические нормы нано-диапазона

Наименование компании

Освоенная технология, нм.

Intel

45

Samsung

40

IBM

40

AMD

65-90

Analog Devices

95 - 120

Texas Instrument

130

Fujitsu

90

Микрон (Citronics)

180

Ангстрем (AMD)

95 - 130

Tochiba

95

Технологическая сопряженность уже сложившихся производств обуславливает синхронизацию взаимодополняющих и взаимоподдерживающих друг друга нововведений. Например, выпуск небольшого объема микросхем для суперЭВМ позволяет создать вычислительные средства для САПР авиастроения и судостроения.

Это, в свою очередь, создает возможность проектирования сложной аппаратуры и, значит, повышает спрос на БИС. Такого рода обратные связи с сильным положительным эффектом формируют траекторию роста нового технологического уклада. Хотя переход к новому технологическому укладу влечет за собой закрытие старых производств, строительство новых заводов, обеспечивает рост производства и подъем экономической активности. Так, некоторые западные фирмы (Аналог Дивайсиз, Интел и др.) закрывают большое число старых заводов и строят новые в разных странах. Технологическое обновление сопровождается быстрым ростом показателей эффективности и интенсивности производства одновременно с повышением его капиталоемкости (рис. 3.13, 3.14 и табл. 3.4).

Таблица 3.4

Цены производства БИС в новых технологиях при массовом выпуске

и в начале освоения небольшими партиями [3.75]

Уровень технологии, нм

Цена БИС при массовом производстве, долл.

Цена БИС средних партий, долл.

500

30

100

180

15

200

130

15

300

95

10

500

Динамика развития и распространения нанотехнологий в электронной промышленности наглядно иллюстрирует логику формирования технологической траектории ядра нового технологического уклада. Если в начальной фазе его жизненного цикла, когда сфера применения нанотехнологии весьма ограничена, а соответствующая технологическая база только формируется, затраты на инвестиции в создание производственных мощностей невелики, то по мере развертывания технологической траектории быстро растут объемы как производства, так и инвестиций, резко поднимается эффективность производства, позволяя финансировать дальнейшее развитие.

При этом лидеры быстро наращивают технологическое превосходство, а вход нанотехнологии в данную технологическую траекторию для новичков оказывается все более дорогостоящим и экономически рискованным.

Светодиоды. Производства нового технологического уклада, как правило, на порядок менее энергоемкие и материалоемкие, чем предыдущего уклада. Типичным примером быстрого повышения эффективности энергопотребления по мере роста нового технологического уклада является распространение светодиодов в светотехнике. Светодиод - полупроводник, работа которого основана на физическом явлении возникновения светового излучения при прохождении электрического тока через р-«-переход полупроводника. Напомним, что р-«-переход - это зона контакта двух полупроводников с разными типами проводимости: один с избытком электронов - ««-тип», второй с избытком дырок - «p-тип». Состав материалов, образующих p-« переход, определяет тип излучения. В светодиодах используются полупроводниковые гетероструктуры на основе соединений алюминия, галлия, индия, фосфора и азота (AlGalnP, InGaN). В отличие от ламп накаливания, светодиоды излучают свет в относительно узкой полосе спектра. Они занимают промежуточное положение между лазерами, свет которых моно- хроматичен (излучение со строго определенной длиной волны), и лампами различных типов, излучающих белый свет (смесь излучений различных спектров). Как источники «цветного» света светодиоды давно обогнали лампы накаливания со светофильтрами. Полупроводниковые светоизлучающие диоды (СИД) - это исторически первые гетероструктурные приборы, широко используемые на практике.

Светодиоды, или светоизлучающие диоды (СИД, в английском варианте LED - Light Emitting Diode) стали очень привычными из- за их распространенного использования в качестве миниатюрных индикаторов в аудио- и видеоаппаратуре и бытовой технике. Кроме высокой световой отдачи, малого энергопотребления и возможности получения любого цвета излучения, светодиоды обладают целым рядом других замечательных свойств.

Отсутствие нити накала благодаря нетепловой природе излучения светодиодов обусловливает фантастический срок службы. Производители светодиодов декларируют срок службы до 100 тысяч часов, или 11 лет непрерывной работы. Отсутствие стеклянной колбы определяет очень высокую механическую прочность и надежность. Малое тепловыделение и низкое питающее напряжение гарантируют высокий уровень безопасности, а безынерционность делает светодиоды незаменимыми, когда нужно высокое быстродействие (например, для стоп-сигналов).

В ближайшее десятилетие мы станем свидетелями смены парадигмы в светотехнике - светодиоды все увереннее вытесняют лампы накаливания, ряд стекольных производств фирм Osram и Philips, выпускавших лампы накаливания, уже закрыт. Производство и использование традиционных ламп накаливания будет запрещено в Великобритании и Австралии уже в 2009 г., в США и Японии - в 2010 г. Канада, Израиль и Евросоюз в ближайшие годы полностью откажутся от лампочек накаливания и перейдут на энергосберегающие светильники. Устранен последний барьер на этом пути: согласованы стандарты энергосбережения в жилых домах. «Если весь мир последует нашему примеру, это позволит снизить количество потребляемой электроэнергии в пять раз, соответственно уменьшить выбросы парниковых газов и снизить плату за электроэнергию», - сказал австралийский министр, выступая по телеканалу Nine Network. Уже несколько лет подряд правительство Канады присылает жителям купоны на скидку при покупке энергосберегающих ламп.

Светодиоды находят все более широкое применение: светофоры и активные дорожные знаки, автомобили, подсветка сотовых телефонов, световая реклама, полноцветные светодиодные дисплеи и многое другое. Светодиодные цветодинамические системы, легко программируемые при помощи пульта или персонального компьютера, применяются в архитектурном и ландшафтном освещении. Если заглянуть в будущее, освещение светодиодами превращается в создание светоцветовой среды с полностью управляемыми пространственными, яркостными и цветовыми параметрами.

Подобно компьютерной графике, проектирование такой среды превращается в программирование.

В начале своего жизненного цикла светодиоды уступали по показателям эффективности традиционным источникам света. Световая эффективность, измеряемая в люменах на ватт (лм/Вт) - характеризует эффективность преобразования электрической энергии в свет. Обычные лампочки накаливания работают в диапазоне 10 - 15 лм/Вт, современные люминесцентные лампы - 90 лм/Вт, натриевые лампы высокого давления - 132 лм/Вт. Несколько лет назад стандартная величина эффективности светодиодов была приблизительно 30 лм/Вт. Но уже к 2006 г. эффективность светодиодов белого свечения более чем удвоилась: один из передовых производителей, компания Cree (США), продемонстрировала показатель 70 лм/Вт, фирма Nichia (Япония) анонсировала новые светодиоды белого свечения с достигнутой эффективностью светоотдачи 150 лм/Вт [3.76]. Технологическая траектория совершенствования светодиодов намного опережает другие источники света по эффективности преобразования электроэнергии в свет (рис. 3.15).

Основными производителями светодиодов и приборов на их основе выступают компании Японии (Nichia Chemical, Toyoda Gosei) и США (Lumiled, Cree). Быстрыми темпами растет производство светодиодов в странах Юго-Восточной Азии, прежде всего на Тайване, в Южной Корее и в Китае. Российский рынок светодиодов сегодня составляет около 100 миллионов СИД в год, и более половины из них покупаются за рубежом. Основные препятствия развития светодиодных технологий в России - это полное отсутствие роста промышленного производства светодиодных гетероструктур и практически полное отсутствие современных технологических линий для изготовления чипов. В нашей стране несколько предприятий занимаются сборкой светодиодов на основе импортных кристаллов: ОАО «ОКБ «Планета»» (Новгород), ЗАО «Протон» (Орел), ЗАО «Корвет-Лайтс» (Москва). Изготовление чипов СИД на основе нитрида галлия начато в ЗАО «Светлана-Опто- электроника» (Санкт-Петербург).

Несмотря на имеющиеся преимущества светодиодов и высокие темпы роста их производства, до сих пор процент перехода на светодиодные лампы невелик - менее 15 %. Главная причина - высокая цена. Отношение доллар/люмен для обычной лампы накаливания - приблизительно 0,001. А сверхъяркие светодиоды в настоящее время могут достигать лишь отношения 0,050,03 доллара за люмен. Резкое увеличение объема продаж и более широкое внедрение светодиодов в практику освещения возможно только при снижении этого показателя значительно менее 1 евроцента на один люмен. Ожидается, что цена на светодиоды будет уменьшаться на 20 % после каждого удвоения их эффективности [3.77].

История светодиодов восходит к 1923 г. Тогда наш соотечественник О.В. Лосев, проводя радиотехнические исследования, заметил голубоватое свечение, испускаемое некоторыми полупроводниковыми детекторами. При этом разогрева элементов конструкции не было, свет рождался внутри карбидокремниевого кристалла вследствие неизвестных тогда электронных превращений. Однако первые светодиоды появились в 1962 г., а в 1968 г. - первая светодиодная лампочка для индикатора Monsanto и первый дисплей от Hewlett-Packard. В начале 1990-х годов появились яркие светодиоды красного, оранжевого и желтого свечения и позднее, синие, зеленые и белые светодиоды. В 1993 г. светодиоды освоили практически весь видимый цветовой спектр.

Впервые в мировой практике для подсветки живописи в музее (для освещения картины Леонардо да Винчи «Мона Лиза») был создан уникальный осветитель на светодиодах. Он разработан российскими специалистами компании «ФАРОС-АЛЕФ». Из-за ограниченности времени к реализации прибора кроме компании «ФАРОС-АЛЕФ» был привлечен ряд европейских фирм - INGELUX (Франция), FRAEN (Италия), DEF (Италия), объединившихся вокруг фирмы SKLAЕR (Германия), которая обеспечила координацию исследований, процессов разработки конструкции и системы управления световым пучком, изготовления образцов и отладки осветителя [Источник: Журнал nightshine.ntt/2007/12/29].

За последние годы при темпах роста, превышающих 30 % в год, мировой рынок светодиодов в 2007 г. достиг уровня в 3 - 4 миллиарда долларов. По оценкам компании Strategies Unlimited, изучающей рынок светодиодов объем рынка светодиодов достигнет $ 5.9 миллиардов к 2015 г.

К числу крупнейших потенциальных рынков светодиодов высокой яркости относится рынок освещения. На долю освещения приходится около 16 % всей производимой в стране электроэнергии. Принципиальным моментом является тот факт, что наряду с немногими производителями в мире Россия владеет технологией изготовления светодиодов сверхвысокой яркости, непосредственно использующихся для освещения жилья. Научную базу технологии составили исследования российских специалистов, выходцев из ФТИ им. А.Ф. Иоффе. В случае замещения ламп в различных светильниках на светодиоды к 2012 г. мировой рынок светодиодной светотехники может превысить 60 млрд долл. в год. Российский рынок к этому моменту может достичь 70 млрд рублей. И продукция отечественной наноиндустрии должна играть на нем определяющую роль.

Наноэлектромеханические MEMS-системы. Наиболее быстро растущей частью полупроводниковой отрасли становится рынок микроэлектромеханических систем (MEMS - Micro Electro Mechanical Systems) [3.79, 3.80]. Эту отрасль ИТ-индустрии в Японии называют микромашинами (Micromachines). Микроэлектромеханические системы получаются путем комбинирования механических элементов, датчиков и электроники на общем кремниевом основании посредством технологий микропроизводства. Все элементы могут быть реализованы в виде единого изделия, причем сразу десятками или сотнями, как микросхемы на кремниевой пластине. В основе этого лежит апробированная традиционная технология производства полупроводниковых интегральных микросхем. Новые возможности для MEMS-систем открывают нанотехнологии.

Движимый MEMS-технологиями сектор оптоэлектроники, сенсоров и дискретных компонентов по темпам роста заметно опережает сектор интегральных схем. Среднегодовой рост сектора в течение ближайших пяти лет ожидался на уровне 15 %. В начале 2008 г. прогнозировалось, что к 2012 г. рынок MEMS-систем может превысить 66 миллиардов долларов США, что составит 15 % от всего рынка полупроводников. До недавнего времени автомобильная электроника была главной движущей силой MEMS-рынка. Одной из первых MEMS-технологий, получивших повсеместное распространение, стали сенсоры ускорения, устанавливаемые сейчас практически во все современные автомобили для детектирования столкновения и выпуска защитных воздушных подушек. Массачусетсская компания Analog Devices, изготовившая первые такие сенсоры в 1993 г., сейчас продает автомобилестроителям около 50 миллионов MEMS-чипов в год. Есть и еще целый ряд успешных MEMS-изделий, таких как головки микроструйных принтеров или сенсоры давления, которые компания Motorola сотнями миллионов поставляет медицинской и автомобильной промышленности; цифровые проекторы высокого разрешения Texas Instruments, построенные на основе MEMS-массивов микрозеркал; за последние годы удалось достичь заметных успехов в изготовлении моторов, насосов и зажимов, сенсоров давления и смещения - короче, множества самых разных по назначению механических агрегатов, настолько малых, что их не видно невооруженным глазом. Однако, согласно оценкам экспертов, акцент постепенно смещается в сторону производства устройств для потребительского сектора, например, акселерометров и гироскопов для пультов дистанционного управления игровых консолей. Резко возрастет количество MEMS-устройств в составе дорогих мультимедийных телефонов и переносных накопителей на магнитных дисках, где они, как правило, обеспечивают работу систем стресс-защиты, улавливая опасные для жизни устройства ускорения. Сейчас наиболее востребованы такие MEMS- устройства, как сенсоры ускорения в мобильных телефонах, портативных ПК и игровых приставках. MEMS-устройства также задействованы для защиты жестких дисков от повреждений при падении, а в ноутбуках - для отключения в случае воровства. Развиваются MEMS-устройства оптических коммутаторов для оптоволоконных телекоммуникационных систем. MEMS-технология в настоящее время является самой передовой и перспективной технологией производства СВЧ-устройств [http://www.chipinfo.ru].

СВЧ-электроника. Аналогичным образом развитие промышленности средств связи привело к прогрессу в СВЧ-электронике на основе использования наноразмерных гетероструктур, обеспечивающих создание самых высокоскоростных трехэлектродных твердотельных приборов, и доминирующих в системах связи, радиолокации, СВЧ-радиометрии, навигации, в устройствах для борьбы с терроризмом, а также современных электронных средств вооружений (бортовых и наземных радиолокаторов, средств радиоэлектронной борьбы и т.д.). Достижение минимального размера элемента (длины затвора транзистора) значения 30 - 50 нм обеспечило качественный скачок - создание СВЧ-приборов с диапазоном частот свыше 1000 ГГц, которое можно считать рубежом перехода к шестому технологическому укладу.

Переход в СВЧ-наноэлектронике от субмикронных транзисторов (MESFET-транзисторов, MESFET-metalized semiconductor field- effect transistor, полевой транзистор с затвором Шоттки) к гетероструктурным нанотранзисторам (НЕМТ-нанотранзисторам) ознаменовал не простое «механическое» масштабирование транзисторных характеристик, а качественный переход: от классического электронного газа к квантовому двухмерному электронному газу, и от квазиравновесного электронного транспорта к бесстолкновитель- ному баллистическому транспорту [3.81, 3.82]. В СВЧ-устройствах это обеспечило многократное увеличение быстродействия, переход от сантиметрового диапазона длин волн к миллиметровому и субмиллиметровым диапазонам, и, соответственно, увеличение скоростей и объемов передаваемой информации в системах связи и радиолокации, разрешающей способности в радиолокации. Россия является родиной одного из наиболее значимых достижений - полупроводниковых наногетероструктур, за которые академик Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.

Последние достижения СВЧ-наноэлектроники в мире включают: гетероэпитаксию наноструктур с толщинами слоев до 15 нм, нанолитографию формирования затворов транзисторов с базой менее 100 нм и другие операции изготовления нанотранзисторов; транзисторы на наногетеросистеме с квантовыми ямами с использованием полупроводников на основе соединений индия, алюминия, галлия, фосфора, мышьяка (InAlAs/InGaAs/InAlAs/InP) с предельной частотой усиления по мощности 190 ГГц, транзисторы на наногетеросистеме с квантовыми ямами AlGaAs/InGaAs/AlGaAs/GaAs с рекордно низким коэффициентом шума 0,37 дБ на частоте 12 ГГц, транзисторы на широкозонной гетеросистеме AlGaN/GaN с рекордно высокой частотой усиления 107 ГГц, ряд других типов транзисторов, а также результаты разработок СВЧ-монолитных (объемных) интегральных схем на нанотранзисторах. Как подчеркивает В. Г. Мокеров, «степень развитости данной технологии, тем более - в эпоху информационной революции - характеризует не только научный, экономический и оборонный потенциал страны, но и степень развитости и цивилизованности государства в целом» [3.82].

Сейчас в гетероструктурной СВЧ-технологии наиболее перспективны два направления [3.82]. Первое - это широкозонные гетеросистемы на основе нитрида галлия GaN и твердых растворов AlGaInN. У нитрида галлия ширина запрещенной зоны ~ 3,4 эВ, т.е. в 2,5 раза больше, чем у GaAs. Поэтому максимальная выходная мощность приборов на нитридах на порядок выше, чем в транзисторах на GaAs. Именно с этим направлением и связывают грядущую революцию в «твердотельной» радиолокации на активных фазированных антенных решетках (АФАР). К сожалению, гражданский сегмент рынка для отечественной СВЧ-гетероэлектроники пока отсутствует.

Второе направление, которое также стремительно развивается, базируется на изоморфной и псевдоморфной гетеросистемах InAlAs/InGaAs, выращиваемых на подложках InP. Транзисторы на этих гетероструктурах - самые высокоскоростные из всех существующих в мире твердотельных трехэлектродных приборов. Их рабочие частоты уже перешагнули за 100-200 ГГц и приближаются к субмиллиметровому диапазону. На гетеросистеме InAlAs/InGaAs с использованием 50-нм технологии за рубежом сейчас разрабатываются самые высокоскоростные оптоволоконные линии связи - до 100 Гбайт/с и выше.

Объем мировых продаж только самих гетероструктурных транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) уже приблизился к 7 - 8 млрд. долларов в год, ежегодно увеличиваясь более чем на 30 % [3.84]. По всем прогнозам, рынок этих изделий в ближайшие 12 - 15 лет будет оставаться наиболее привлекательным для инвестиций. Наиболее массовой областью применения технологии наногетероструктр является сотовая связь. Она занимает около 57 % «гетероструктурного» рынка - гетеротранзисторы содержит почти каждый сотовый телефон. Около 23 % рынка занимает быстропрогрессирующая высокоскоростная волоконно-оптическая связь, потребляющая гетероструктурные МИС на частоты до 60 ГГц и выше. Около 12 % рынка принадлежит так называемой потребительской электронике, связанной с цифровым ТВ (частоты от 12 до 30 - 40 ГГц). Кроме того, быстро растет рынок гетероструктурных МИС на частоты 70 - 77 ГГц для автомобильных радаров (системы предотвращения столкновений), а также рынок СВЧ МИС для спутниковой связи на частоты до 60 ГГц. Перспективно применение гетероструктурной СВЧ-электроники и в беспроводных системах широкополосного доступа в диапазоне 40 - 60 ГГц и выше (например, системы стандарта IEEE 802.16). До 4 % рынка гетероструктур занимает военная электроника. В основном это бортовые и наземные радиолокаторы на активных фазированных антенных решетках Х-диапазона (около 10 ГГц). Жизнь показывает, что там, где требуются рабочие частоты выше 4 - 5 ГГц, наногетероструктурная технология быстро вытесняет кремниевую и классическую GaAs MESFET-технологию, завоевывая все большую долю мирового телекоммуникационного и радиолокационного рынка.

В России современной промышленной гетероструктурной технологии пока нет - ни в части массового производства наногетероструктур, ни в части производства гетеротранзисторов, и тем более - микросхем. Сквозного, унифицированного и лицензированного СВЧ САПР также нет. Коммерческий рынок в стране не сформирован, доминирует оборонный госзаказ. То есть ситуация близка к тому, что было за рубежом в 80-х годах.

Лазерная техника. Базовым изобретением в этой области, определяющим переход к шестому технологическому укладу, следует считать создание высокоэффективных лазеров, использующих гетероструктуры с наноразмерными слоями - с квантовыми ямами и квантовыми точками (см. рис. 3.16, 3.17). В России основные исследования в этом направлении ведутся в Физико-техническом институте (ФТИ) им. А.Ф. Иоффе РАН (Санкт-Петербург), а также в Институте физики полупроводников (Новосибирск). Использование нанотехнологий позволяет качественно улучшить и поднять эффективность изготовления полупроводниковых лазеров, светодиодов и осветительных систем на их основе.

Полупроводниковые лазерные диоды относятся к числу наиболее сложных гетероструктурных приборов [3.84 - 3.86]. Только наиболее передовые в технологическом отношении государства (США, Япония, Германия, Франция, Южная Корея, Тайвань) располагают полным технологическим комплексом, достаточным для производства различных типов таких приборов. Области применения полупроводниковых лазеров весьма разнообразны: оптические устройства записи, хранения и считывания данных, системы волоконно-оптической связи, системы накачки твердотельных лазеров, датчики различного типа, медицина и т. д. Например, использование электромагнитного излучения терагерцового диапазона безвредно для человека. Поэтому при создании соответствующих систем управления терагерцовым излучением и регистрации изображений можно строить эффективные системы интровидения (интроскопии) взамен рентгеновских, а также системы локации и д.р.

В России, несмотря на сложности финансирования, сохраняется научный паритет с развитыми странами на всех основных направлениях разработки лазерных диодов. Он выражается в достижении параметров мирового уровня (в том числе - рекордных) для приборов, изготовленных в условиях мелкосерийного или лабораторного производства. Некоторое отставание наблюдается в области разработки приборов, излучающих в диапазоне менее 700 нм, что обусловлено практически полным отсутствием интереса к таким изделиям на российском рынке и высокой конкуренцией дешевых приборов на рынке международном. Полный цикл производства полупроводниковых лазеров сохранился на таких российских предприятиях, как НИИ «Полюс» (Москва), «Инжект» (Саратов) и НПО «Север» (Новосибирск). Дополнительно к этому, ряд малых предприятий располагает технологией сборки и корпусирования кристаллов полупроводниковых лазеров (например, в Санкт- Петербурге - компании «ФТИ-Оптроник», «Полупроводниковые приборы» и др.) [3.84]. Общий российский рынок лазерных диодов оценивается в 8 - 12 млн. долл. в год при ежегодном приросте 8 - 10 %, что соответствует общемировым тенденциям. Для организации отечественного производства полупроводниковых лазерных диодов в промышленных масштабах в первую очередь необходимо найти внутренних и внешних потребителей, готовых в достаточных масштабах использовать эту наукоемкую продукцию.

Применение наночастиц и полупроводниковых нанопроводов позволило создать сверхкоротковолновые лазеры (нанолазеры), обещающие увеличение плотности оптических дисков в десятки раз. Коротковолновый лазер с длиной волны 5 - 50 нм может найти свое применение в новых видах оптической микроскопии и литографии высокого разрешения, необходимой для создания микро- и наноэлектроники нового поколения. Кроме того, этот диапазон ультрафиолетового света очень перспективен в спектроскопических методах анализа вещества. Устройства хранения данных (информации) ждет большое будущее. При смене красных лазеров, используемых сегодня для записи CD-систем, на нанолазеры плотность записи возрастет более чем в тысячу раз.

Фирма IBM является одной из компаний, пытающихся разработать на основе нанолазеров оптические компьютеры, которые заменят современные электрические компьютеры. В свою очередь оптические компьютеры являются отправным шагом к ещё более сложным квантовым компьютерам. Эти нанолазеры могут использоваться и в электрических компьютерах для преобразования электрических сигналов в оптические (и обратно) и для передачи информации в обычных оптоволоконных сетях на ещё более высоких скоростях.

Нанолазер, разработанный учеными из американской Национальной лаборатории Сандия (Sandia National Laboratory), позволяет диагностировать рак на самых ранних стадиях заболевания (см. журнал Biomedical Microdevices, http://medportal.ru).

Молекулярная электроника. Как реальная альтернатива «кремниевой» электронике в недалеком будущем многими специалистами рассматривается молекулярная электроника. Тому есть несколько причин. Природа создала за миллионы лет эволюции самые разнообразные молекулы, выполняющие все необходимые для сложного организма функции: сенсорные, логически-аналити- ческие, запоминающие, двигательные. Зачем разрабатывать и производить искусственные структуры из отдельных атомов при наличии готовых строительных «блоков»? Тем более, что они имеют оптимальную конфигурацию, структуру и нанометровые размеры. Компания Hewlett-Packard сообщила, что ей удалось создать память наибольшей на сегодняшний день плотности с электронной адресацией путем использования молекулярных решеток [http://www.osp.ru/cw]. По словам Стэна Уильямса, директора исследовательской лаборатории по квантовым технологиям HP Labs, это достижение можно считать настоящим прорывом в области электроники. Оно открывает дорогу к созданию сложных микросхем, размером в несколько молекул, совершенствование которых в дальнейшем позволит получить еще меньшие, более быстрые и дешевые устройства.

Пределом уменьшения размеров и энергопотребления и увеличения быстродействия в информационных системах, основанных на двоичной логике, является использование в качестве элементарной ячейки отдельных молекул, имеющих два стабильных состояния. Большинство работ по созданию новой нанотехнологической элементной базы информатики и электроники посвящено поиску и разработке элементов с двумя устойчивыми состояниями на основе молекул, нанокластеров или наночастиц. Основной проблемой является интеграция таких элементов, создание межэлементных связей, управление сигналами информационными потоками в таких системах. Молекулярные системы, действующие в биологических объектах, подсказывают, что наиболее эффективным методом объединения отдельных элементов в функциональную систему является самоорганизация молекулярных структур, основанная на взаимодействиях, которые значительно сложнее и в отдельности слабее классических электронных связей. К таким взаимодействиям относятся электростатические, гидрофобные, а также водородные связи. Для стабилизации сложных наноструктур во многих случаях требуются многократные связи, которые являются основой кодировки информации внутри наноструктур. Одной из фундаментальных задач является понимание механизмов самоорганизации управления ее процессами для получения наноструктур с заданными свойствами.

Перспективным направлением развития электроники, определяющим прогресс информационных и телекоммуникационных технологий в ближайшие 10 - 20 лет, является переход от двоичной логики к нейросетевым методам обработки информации в непрерывных распределенных молекулярных и биомолекулярных средах с использованием в качестве носителей информации световых потоков. Оптические методы обработки информации на порядки производительнее методов, основанных на транспорте электронов, кроме того они упрощают решение проблем параллельной обработки информации и создание трехмерных функциональных структур. Функциональные возможности молекулярной фотоники позволяют реализовать значительно более высокую степень интеграции и быстродействие, недостижимые в традиционной микроэлектронике, создать новые архитектуры высокопроизводительных систем для обработки сверхбольших массивов информации, а также устройства хранения информации большой емкости. Разрабатываемые функциональные материалы позволят формировать нейросетевые интеллектуальные самообучающиеся системы адаптивного управления динамическими объектами.

Объединение достижений нано- и биомолекулярных технологий позволяет получить принципиально новые материалы для специализированной элементной базы нейрокомпьютеров и интеллектуальных робототехнических систем, способных к автономному обучению и успешной последующей работе в сложных условиях внешней среды.

За последние 10 лет активно развивались исследования в области термически необратимых синтетических фотохромных органических соединений, которые отличаются термической стабильностью исходной и фотоиндуцированной форм. Благодаря широким возможностям синтетической органической химии получены соединения этого типа с различными спектральными характеристиками исходной и фотоиндуцированной форм; реализующие фотоиндуцированные превращения не только в полимерных, но и в твердых расплавах. На базе синтетических фотохромных органических соединений во всем мире ведутся интенсивные исследования по созданию трехмерных структур для хранения информации повышенной емкости. В настоящее время созданы многослойные оптические диски с информационной емкостью 100 Гбайт.

Другой областью применения молекулярных систем на основе органических и неорганических соединений является разработка эффективных дешевых светодиодов во всем видимом спектре излучения, в том числе белого света, и создание на их основе сверхтонких гибких дисплеев и других устройств отображения информации, а также экономичных дешевых источников освещения для замены ламп накаливания.

В настоящее время существующих фундаментальных знаний и нанотехнологий достаточно лишь для демонстрации принципиальных возможностей создания практически всех структур, необходимых для информационных технологий и микроробототехники. В ближайшем будущем они будут играть важную роль во многих приложениях. Молекулярная электроника входит составной частью в более крупную отрасль - нанобиотехнологию, занимающуюся биообъектами и биопроцессами на молекулярном и клеточном уровне и держащую ключи к решению многих проблем экологии, медицины, здравоохранения, сельского хозяйства, национальной обороны и безопасности.

Квантовые компьютеры. В начале XXI века в соответствии с законом Мура (см. рис. 3.9 - 3.10) размер схемных элементов компьютеров вошел в нанообласть (достиг 100 нм), а к 2020 г. должен достичь размеров в несколько атомов. Это будет означать качественное изменение поведения этих элементов - они будут представлять собой чисто квантовые объекты, описание которых дается квантовой механикой. Появление квантовых компьютеров, использующих такие необычные свойства, представляется неизбежным. Более того, само развитие нанотехнологии кажется невозможным без использования квантовых компьютеров. Работа квантовых компьютеров основывается на манипуляции с когерентным квантовым состоянием системы, тщательно изолируемой от внешней среды, чтобы позволить базисным состояниям интерферировать друг с другом [3.87, 3.88].

Алексей Андреев, партнер венчурной фирмы Draper Fisher Jurvetson, опросил нескольких специалистов, работающих в области нанотехнологий, какой инструмент им более всего необходим для работы [3.63]. Они ответили, что только квантовый компьютер будет способен моделировать атомные взаимодействия и предсказывать, как та или иная архитектура будет действовать. Сегодняшние компьютеры с кремниевыми чипами не могут даже дать надежду на решение таких задач.

Причина в том, что описание многочастичных квантовых систем, которыми являются наноструктуры, требует вычислительного ресурса, объем которого растет экспоненциально с числом ее элементов. Так, для описания одной двухуровневой квантовой системы (например, спина в магнитном поле) требуется два комплексных числа, двух - 4, n спинов - 2n. При n = 260 число состояний превышает 1080 - число частиц во всей наблюдаемой Вселенной. То есть даже небольшие системы - ядра атомов лоуренсия и курчато- вия как раз содержат около 260 нуклонов - требуют для своего описания колоссального ресурса. Квантовые компьютеры и призваны решить эту задачу моделирования квантовых систем.

«За последние 40 лет эффективность вычислений выросла в 100 000 раз, - отметил Стэнли Уильямс, Директор лаборатории квантовых исследований Hewlett-Packard Labs - и, похоже, нет физических ограничений для ее увеличения еще в миллиард раз. В определенном смысле можно сказать, что век вычислительной техники еще не наступил» [http://pcweek.ru]. Это означает, что биотехнология и нанотехнология будут способны уйти от эмпирической методологии к моделированию, ускоряя развитие нанотехнологий.

Квантовая теория вычислений и квантовая теория связи начинаются работами Чарльза Беннетта (IBM) и нашего соотечественника Александра Семеновича Холево, опубликованными в 1973 г. Далее развитие этих работ идет нарастающим темпом. В 1997 г.

Джефф Кимбл (Caltech) реализует квантовый бит - кубит в виде магнитного момента ядра атома цезия. Группы Франческо де Мартини (Rome University) и Антона Зайлингера (University of Innsbruck) реализуют схемы квантовой телепортации. В 1998 г. созданы первые двухкубитные квантовые устройства, основанные на использовании ЯМР-резонанса (Oxford, IBM, MIT, Stanford). В 2000 г. создано семикубитное квантовое устройство, основанные на использовании ЯМР-резонанса (LANL). Эдвард Фари, Джеффри Голдстоун, Сэм Гутманн и Михаэль Зипсер (MIT) выдвигают идею адиабатических квантовых вычислений. С 2005 г. предлагается множество физических реализаций кубитов в виде фотонов с квантовыми точками, фуллеренами и нанотрубками в качестве их ловушек.

В 2007 г. фирма Draper Fisher Jurvetson (DFJ), работающая в области нанотехнологий, и стартап D-Wave Systems (Ванкувер, Канада), образованная в 1999 Александром Загоскиным, представили 16-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводящих элементах. Этот компьютер создан на основе новой парадигмы квантовых вычислений, основанной на адиабатической теореме квантовой механики. Система встречает скептический прием специалистов, однако на ее создание выделено 40 миллионов евро венчурного капитала. Группа, включающая институт Макса-Планка, Венский университет, Австрийский институт оптики и квантовой информации и др. устанавливает квантовую связь между двумя Канарскими островами (Ла Пальма и Тенерифе), расстояние между которыми - 144 км. В 2008 г. D-Wave представила 28-кубитный квантовый компьютер на сверхпроводящих элементах и обещала в конце года создать 1024-кубитную модель.

Непрерывно растет финансовая поддержка этих работ. В 2005 г. стартовал Pathfinder Project «Квантовая обработка информации и связь», определивший Европейскую дорожную карту для многих групп исследователей. По публикациям в области квантовой информатики Европа идет вровень с США. Мало отстает от них и Австралия. Но США инвестирует в квантовую информатику около 100 миллионов долларов в год.

Считается, что наноструктурированная джозефсоновская электроника как нельзя лучше подходит в качестве физической среды для конструирования квантовых компьютеров. На основе двухмерных сеток джозефсоновских контактов может быть также создан новый тип компьютерной памяти, строящийся не на базе традиционной логики, а использующий ассоциативную, распределенную по всей структуре память, подобно нейронным сетям живых организмов. Такая система будет способна распознавать образы, принимать оперативные решения в многофакторных ситуациях (например, в экономике, оборонных задачах, космических исследованиях) в реальном времени без механического перебора всех возможных вариантов.

Спинтроника. Твердотельная электроника второй половины ХХ в. была основана на переносе заряда электронов и управлении им при помощи электрических и магнитных полей. В конце века возникло и стало быстро развиваться новое направление, активно использующее то обстоятельство, что электрон, помимо заряда, обладает сугубо квантово-механической характеристикой - собственным угловым моментом (спином) и связанным с ним магнитным моментом. Это новое научное и технологическое направление получило название "спиновая электроника", или "спинтроника". Спинтроника - устоявшийся термин, относящийся к области квантовой электроники. Существуют разные его толкования: электроника переноса спина (spin transport electronics); электроника, основанная на спине (spin-based electronics); или просто спинэлектроника (spin-electronics) [Жувикин Г. Спинтроника. "Компьютерра"              №3 от 25 января 2005              года.

http://offline.computerra.ru/2005/575/37385].

В спинтронике изучаются и эксплуатируются магнитные потоки, сильно напоминающие по своим свойствам электрические. Однако такие потоки, в отличие от электрических, не выделяют тепло [Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, Э.М. Эпштейн. Как ток спины переносит. Спинтроника многослойных ферромагнетиков. Природа, № 5, 2007 г.; Ю.В. Гуляев, П.Е. Зильберман, А.И. Панас, Э.М. Эпштейн. Спинтроника: обменное переключение ферромагнитных металлических переходов при малой плотности тока. УФН, т. 179, № 4]. Интерес исследователей к спиновой электронике возник в связи с открытием в 1988 году гигантского магниторезистивного эффекта (GMR-эффект), или гигантского магнитосопротивления (ГМС), положившим начало спинтронике. За это открытие немец Петер Грюнберг и француз Альбер Ферт стали Лауреатами Нобелевской премии по физике 2007 года. Примерно в то же время Бэйбич (M.N. Baibich ) обнаружил эффект гигантского магнитосопротивления в многослойных магнитных наноструктурах Fe/Cr, суммарная толщина которых составляла около 100 нм (количество слоев менялось от 3 до 50). Открытие ГМС позволило создать высокоточные сенсоры магнитного поля, датчики углового вращения и, самое главное, считывающие головки жестких дисков. Первые считывающие ГМС-головки были выпущены в 1997 году компанией IBM и в настоящее время используются практически во всех жестких дисках.

Компания Motorola начала массовое производство спинтронных модулей памяти MRAM (Magnetoresistance Random Access Memory - магниторезистивная память с произвольной выборкой). Главное отличие таких модулей - записанная информация не пропадает при отключении питания, так как электроны способны сохранять положение спина сколь угодно долго. MRAM уже нашла применение в сотовых телефонах, мобильных компьютерах, идентификационных картах. Кроме того, новую память используют военные для управления боевыми ракетами и для контроля за космическими станциями. Высокоточные угловые, позиционные и скоростные спиновые сенсоры широко используются в автомобильных агрегатах и механизмах - например, в антиблокировочной тормозной системе, известной водителям как ABS (Antilock Braking System), благодаря которой автомобиль сохраняет прямолинейное направление движения при торможении на скользком дорожном покрытии. Современную компьютерную, теле- и видеотехнику невозможно представить без спинтронных устройств. Помимо жестких дисков, достижения спинтроники можно найти в персональных видеорекордерах (тюнерах для захвата видеосигнала с аналоговых устройств), аппаратуре телевидения высокой четкости (HDTV), DVD-приводах с интерференцией в ближнем поле (near field recording, NFR) при записи. Спинтроника даст возможность также создать СВЧ-генераторы и другие микроволновые приборы нового поколения.

Специалисты выделяют три главных направления развития спинтроники в ближайшие десятилетия: квантовый компьютер, спиновый полевой транзистор и спиновая память. В данной области используются качественно новые гетероструктуры - нанопленки. Наряду с ранее известными магнетиками по мере развития спинтроники появились новые - магнитные полупроводники, вещества, которые одновременно могут быть магнитами, полупроводниками и оптическими средами. Химические, литографические и молекулярно-кластерные технологии позволяют создавать для спинтроники разнообразные наноструктуры с необходимыми магнитными свойствами. В перспективе - спинтроника, работающая с магнитными молекулами. Российские ученые имеют здесь неплохой задел.

Стратегическая и экономическая значимость разработок в области спинтроники общепризнана. Неудивительно, что лидирующие позиции здесь принадлежат США, где опекой этого перспективного научного и технологического направления занимаются такие авторитетные ведомства, как NSF (National Science Foundation), NIST (National Institute of Sience and Technology), DoD (Department of Defense), DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency) и ONR (Office of Naval Research). Одним из ведущих мировых центров является Центр спинтроники и квантовых вычислений (CSQC) Калифорнийского университета в Санта-Барбаре. В 70-е и 80-е годы прошлого века в нашей стране были неплохие, мирового уровня, наработки по созданию памяти на магнитных цилиндрических доменах. Однако наступивший развал отечественной электронной промышленности свел на нет эти достижения. Поэтому у нас нет масштабных технологических работ по спинтронике. 

<< | >>
Источник: С.Ю.Глазьев. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада в экономике. 2009

Еще по теме Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада:

  1. С.Ю.Глазьев. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада в экономике, 2009
  2. Введение
  3. Технологические уклады в экономическом развитии
  4. Проблемы формирования антикризисной политики
  5. Зарождение траектории развития нанотехнологий
  6. Нанотехнологии как ключевой фактор нового технологического уклада
  7. Медицина и фармацевтика
  8. Военные применения и безопасность
  9. Частота обращений СМИ к тематике наноиндустрии. Общественное внимание к нанотехнологиям
  10. Предпосылки модернизации российской экономики
  11. Борьба за глобальное лидерство в формировании нового технологического уклада
  12. Приоритетные направления научно-технической политики
  13. Институты развития нового технологического уклада
  14. Всемерное стимулирование становления нового технологического уклада как основное направление антикризисной политики