<<
>>

Преодоление проблемы массового производства наноструктур

  Камнем преткновения нанотехнологии, основанной на зондовых методах, является невозможность организации массового производства высокотехнологичных товаров. Результаты, демонстрирующие потенциальные возможности нанотехнологии, уже достигнуты, но технологии массового производства тех же наноэлектронных схем (подобно планарной кремниевой) как таковой не существует.
Конечно, нанофабрика решила бы эту проблему в два счета, однако до ее создания, по- видимому, еще очень далеко. Тем не менее, уже сейчас развивается множество перспективных направлений массового производства наноструктур.

Электроосаждение

Группе российских ученых из МГУ под руководством Галины Цирлиной удалось разработать весьма любопытный способ получения наноструктур, пригодный для их массового промышленного производства. Наноструктуры здесь получают при комнатной температуре электроосаждением нанокристаллов различных оксидов.

Электроосаждение — очень простой процесс: ионы оксидов металлов в растворе электролита оседают на заряженный электрод под действием тока. Управляя изменениями тока во время осаждения, можно манипулировать ростом оксидов и получать нанокристаллы разной формы и структуры.

А ведь существует так много разных оксидов! Например, из оксидов рутения этим методом можно получить сверхъемкие конденсаторы удельной емкостью 100 Ф/г — в сто тысяч раз больше, чем у конденсаторов в обычной лампе дневного света! Чемоданчика таких наноконденсаторов хватило бы, чтобы сдвинуть с места огромный корабль или поразить его молнией.

Из оксидов вольфрама осаждают электрохимические сенсоры, чутко реагирующие на малейшее содержание нитратов (то есть можно выбирать экологически чистую репку на рынке), устройства электрохимической энергетики (помните мощный взрыв, вызванный маленькой топливной ячейкой из “Терминатора III”?).

Осаждая поочередно слои оксидов двух разных металлов, получают биметаллический нанокомпозит для устройств магнитной записи или электрохромные (меняющие цвет под действием тока) устройства.

Более того, осаждением нанооксидов нашим ученым удалось получить сверхтонкий высокотемпературный сверхпроводник.

Мягкая литография

Обычная фотолитография прекрасно зарекомендовала себя в случае, когда необходимо разместить как можно большее количество элементов на маленькой площади полупроводникового кристалла. Однако она совершенно не подходит для случаев, когда те же элементы нужно разместить по большой площади, на иных материалах или не на плоских поверхностях.

Технология размещения наноструктур на любых поверхностях, названа “мягкой литографией”. Она не требовательна к качеству и форме подложки, а потому применять её можно для неровных и гибких поверхностей и даже объёмных фигур.

В качестве примера, демонстрирующего возможности новой технологии, исследователи из Иллинойского университета (США) показывают полусферу, покрытую матрицей фоточувствительных транзисторов и способную сыграть роль основного элемента для широкоугольного цифрового фотоаппарата.

Делают ее так: сперва на выбранную поверхность наносят тонкие плёнки алюминия, кремния и нитрида кремния. Потом поверхность нагревают и методами зондовой микроскопии “рисуют” на ней определенную наноструктуру с характерными размерами в десятки нм. Затем штампуют ею мягкую полимерную матрицу, которую потом подвергают облучению для затвердения.

Минимальные размеры элементов, создаваемых этим способом, составляют около 10 нм, что позволяет, в принципе, осуществлять очень плотную запись, но производительность и надежность оставляют желать лучшего. Тем не менее, мягкую литографию ждёт большое будущее.

Рисование и печать

Очень удобный способ нанесения наноструктур на поверхности предложила компания NanoInk, выпускающая самые маленькие авторучки на Земле. Точки, линии и буквы, выходящие из-под их “пера”, примерно в десять тысяч раз меньше тех, что создаются с помощью обычной шариковой ручки. Но в отличие от макроскопических “коллег”, данная ручка представляет собой зонд АСМ с наконечником из нитрида кремния.

Когда АСМ используется по прямому назначению, возникает проблема: на наконечнике конденсируется влага из окружающего воздуха, что ухудшает качество измерений. Оказалось, частицы воды в образующейся капельке постоянно движутся — от наконечника к поверхности и наоборот. Это свойство решили использовать для перемещения вместе с водой молекул “чернил”. Меняя уровень влажности в приборе, задают размер капельки и ширину линии. Ширина линий составила всего несколько десятков молекул, а толщина - одну молекулу. Эту технологию окрестили “перьевой нанолитографией” (dip- pen nanolithography).

Рис 181. Cистема кантилеверов-«авторучек» и внешний вид установки DPN*

Перьевая нанолитография имеет много достоинств: в качестве "чернил" можно использовать все, что угодно, а писать можно на любой поверхности. "Атомная ручка" найдет применение в наноэлектронике: с ее помощью на площади в один квадратный дюйм можно прочертить до 1 млн. линий. Эксперты отмечают также относительную дешевизну устройства.

Авторучка — хорошо, а принтер лучше. Установки, содер- жашие матрицы управляемых зондов-авторучек (как в «многоножке») вполне могут пригодиться в серийном производстве наноэлектронных устройств. Обратите внимание, что, в отличие от обычной литографии, здесь не нужно трудоемкое изготовление фотошаблона, а значит, станки-«нанохудожники» смогут переключаться на производство все новых и новых наночипов сразу как только инженеры будут их разрабатывать. Таким образом, одна и та же фабрика сможет производить множество разных типов микросхем.

Биосинтез

Другой перспективный инструмент создания наноструку- тур — биологические наномашины. Нэд Симэн из Нью- йоркского университета уже создал из молекул ДНК “фабрику” по производству одного-единственного полимера. Размеры устройства составляют всего 110x30x2 нм. Оно состоит из двух [17] наномашин, которые Нэд изобрел, скомбинировав определенным образом цепи молекул ДНК.

Рис. 182. Схема и АСМ-изображение ДНК-наномашины*

Ученые заставили эту наномашину работать, добавив в раствор, содержащий ее, фрагменты все той же ДНК. Машина тут же начала собирать из них полимер, повторяющий структуру первоначальной “фабрики”. Эта наномашина работает подобно информационной РНК, управляющей синтезом белковой цепочки в организме.

Ученые хотят со временем создать наномашину, работающую подобно рибосоме. “Главное применение будущей искусственной рибосоме будет в синтезе новых материалов по заданной последовательности, закодированной в ДНК, — говорит Симэн. — В конце концов, мы научимся делать полимеры и новые материалы в больших количествах и за малый промежуток времени благодаря ДНК-машинам”.

Итак, повторим еще раз! На пути познания природы огромную роль играют инструменты получения информации о ней. Оптический микроскоп состоит из двух систем линз — окуляра и объектива. Объектив создает первое увеличенное изображение объекта, которое затем увеличивается еще и окуляром. С помощью таких микроскопов можно получать увеличение до 1000 крат. Открытие оптической микроскопии привело к бурному развитию многих наук. Были обнаружены микроорганизмы, более полно изучена работа и строение организма, создана клеточная теория, согласно которой все живое на Земле состоит и развивается из одних и тех же клеток. Предельное разрешение микроскопа, согласно “принципу Рэлея”, не может быть больше половины длины волны [18]

<< | >>
Источник: Мария Рыбалкина. НАНОТЕХНОЛОГИИдля всех. 2005

Еще по теме Преодоление проблемы массового производства наноструктур:

  1. Преодоление проблемы массового производства наноструктур