Раздел 1. Переход от микротехнологии к нанотехнологии.

В связи с этим неизбежным переходом возникает ряд технических, технологических и фундаментальных проблем, требующих своего разрешения. Их неординарность обуславливается исторически сложившейся особенностью нанотехнологии, заключающейся в том, что на одном поле нанонауки оперируют два совершенно разных и мало взаимодействовавших доселе научных направления: химическое, связанное с коллоидной химией и ультрадисперсным состоянием вещества, и физическое, связанное с развитием микроэлектроники и микротехнологии и базирующееся в основном на достижениях субмикронной технологии. Каждое направление имеет свои представления о приоритетах, устоявшуюся терминологию, методики работы, и, естественно, колоссальные амбиции и алчность руководства.

С физической точки зрения, это во-первых проблема создания функционирующего элемента с нанометровыми размерами, во-вторых это обеспечение его коммутации его с другими аналогичными элементами, и в третьих, это вопрос создания групповых методов обработки, позволяющих получать требуемую структуру как минимум сразу на всей поверхности подложки или достаточно большой ее локальной области.

С точки зрения химической - это гигантский комплекс проблем, связанный с получением и исследованием ультрадисперсных и наночастиц, размерные эффекты в нанохимии, многофазные комплексы в пределах одной наночастицы, нанореакторы и наноконтейнеры и многое другое. Особый интерес представляют "материалы с интеллектом", которые обладают способностью реагировать изменением своих физических характеристик на внешнее воздействие. Их характерной особенностью является наличие двух фазовых превращений. В нанохимии также просматриваются два стратегических направления, первое связано с изучением химических

свойств и реакционной способности наночастиц как функции их размера и числа образующих их атомов. Второе занимается более практическими вещами - применением нанохимии для получения и модификации отдельных наночастиц, реализацией принципов самоорганизации для построения из этих наночастиц более сложных конструкций микро и макромира и изучением свойств получаемых микро и макрообъектов как функции свойств образующих их наночастиц.

Переход к нанометровым размерам и необходимость практического освоения технологий, оперирующих с отдельными атомами и молекулами, означает также необходимость пересмотра некоторых воззрений в связи с полученными новыми данными, поскольку накопленный экспериментальный материал достиг объема, провоцирующего переход количества в качество. Не исключена возможность создания в перспективе "интеллектуальных материалов", способных к самодиагностике различных дефектов и их устранению, осуществлении сенсорной и исполнительной функции в процессе работы. По уровню внутриструктурной организации и сложности такие материалы будут приближаться к белковым структурам. А как хотелось бы, чтобы они их превзошли!

Необходимость приведения в порядок хотя бы терминологии, не говоря уже о большем, была наконец-то осознана и в "Концепции развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года", одобренной Правительством Российской Федерации (18 ноября 2004 г.), используются следующие термины:

"нанотехнология" - совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба; в более широком смысле - этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов;

"наноматериал"- материал, содержащий структурные элементы, геометрические размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, благодаря этому, обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданными функциональными и эксплуатационными характеристиками;

"наносистемная техника" - созданные полностью или частично на основе наноматериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройства, характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным технологиям;

"наноиндустрия" - вид деятельности по созданию продукции на основе нанотехнологий, наноматериалов и наносистемной техники.

С точки зрения технико-экономических показателей по оценкам многократно ошибавшихся американских специалистов международный рынок нанотехнологий через 10 - 15 лет достигнет ежегодного уровня порядка одного триллиона долларов при приоритете материаловедческой компоненты. При этом размеры структур, с которыми придется оперировать на производстве, будут лежать в нанометровом диапазоне. Примерно такие же результаты следуют из применения закона Мура, согласно которым к 2010 г. микроэлектронные устройства должны иметь размеры порядка 10              нм,              а к 2035              г.              порядка атома.              [В              1965              г.              один из основателей,              вернее

соучредителей, фирмы Intel, а ныне почетный председатель совета директоров этой компании, Гордон Мур подметил эмпирическую закономерность, с большой помпой названную законом - число транзисторов в микросхеме данного типа удваивается каждые два года (другая формулировка гласит - увеличение скорости обработки данных в два раза происходит каждые два года). Он же предсказал, что к 2006 г. Intel будет производить чипы с 1 млрд. транзисторов - так ждать праздника осталось недолго].

И если достижения микротехнологии привели к колоссальному скачку в области микропроцессорной техники и информационных технологий, существенно изменивших наш образ жизни, и без того нелегкий, то от развития нанотехнологии можно ожидать многого и разного. Некоторые исследователи, с точки зрения формальной логики, уже рассматривают такие феномены, как компьютерные вирусы, в качестве "живых" объектов новой, информационной формы жизни, созданной человеком. Поэтому от достижений нанотехнологии в будущем следует ожидать еще гораздо более экзотических феноменов или по крайней мере прогнозов.

Создание интегральных наноэлектронных квантовых схем является, по существу, конечной целью новой технологии - наноэлектроники, которую можно определить как совокупность способов и приемов создания функциональных элементов нанометровых размеров на поверхности подложек, в том числе элементов из отдельных молекул и атомов, с возможностью одновременной их визуализации и контроля.

Нанотехнология это создание новых оптических устройств, новые лекарства и красители, вещества для уничтожения опасных химических и биологических соединений. Для успешного решения этих задач необходимо развивать новые высокоточные методы анализа химического состава и структуры на основе новой измерительной техники. Использование низких температур открывает новые возможности в получении и изучении реакционной способности конденсированных пленок с включенными частицами металлов и их оксидов разных размеров. Это путь к новым хеморезистивным наносистемам. Определение зависимостей между числом атомов в частице на ее поверхности и ее реакционной способностью является одной из наиболее важных проблем нанохимии.

Крайне важно развитие новых термодинамических и кинетических моделей для описания реакционной способности частиц меньше 1 нм. Размеры таких частиц можно рассматривать как термодинамические величины, выполняющие функции температуры. Важнейшим вопросом является детальное изучение процессов стабилизации и самоорганизации атомов и небольших кластеров металлов. Экспериментальные и теоретические исследования должны дать представление о том, как происходит самоорганизация атомов. Идет ли этот процесс путем последовательного присоединения атома к предшествующей частице, или, например, тетрамер образуется при взаимодействии двух димеров и т.д.? При этом важно знать, сохраняются или изменяются, и как именно, в ансамбле частиц физико-химические свойства его индивидуальных составляющих. Установление особенностей самоассоциации и организации из небольших частиц более крупных ансамблей и сформулированные критерии таких процессов откроют новые возможности синтеза материалов с необычными свойствами.

Огромное значение имеют так называемые проблемы масштабирования. В настоящее время многие наноразмерные частицы с необычными свойствами получаются в миллиграммовых количествах. Синтез тех же соединений в больших, даже граммовых количествах приводит к другим, часто трудно воспроизводимым результатам. Как следствие, в нанохимии формируются две тенденции. Одна из них определяется получением и поиском возможных новых объектов, синтезируемых в небольших количествах. Такие объекты являются сенсорными материалами и наноэлектронными устройствами.

Вторая тенденция - использование нанохимии в процессах получения материалов, применяемых в больших объемах. Это новые промышленные реагенты, например оксиды металлов и катализаторы на основе наночастиц металлов; это порошки, композиты, керамики, гибридные, консолидированные и другие новые наноматериалы. Развитие фундаментальных знаний в области нанохимии позволит глубже понять процессы, которые происходят в различных наноматериалах при их применении в течение длительного времени и в разных температурных режимах. Методы экстраполяции и анализ химической активности сверху - от компактной системы к наночастице - малоперспективны для нанотехнологии. Более перспективен подход снизу - от индивидуальных атомов и молекул, являющихся нижней границей для синтезируемых наночастиц.

Перспективным направлением является также использование нанотехнологий в производстве конструкционных материалов. Это связано с тем, что свойства нанокристаллических материалов, включая конструкционные стали и сплавы, отличаются от обычных, для которых увеличение прочности приводит к снижению пластичности. Исследования в области нанокомпозитов показывают, что уменьшение размеров структурных элементов приводит к созданию новых типов материалов, сочетающих высокие прочность и пластичность. Изготовление наноструктурных керамических и композиционных изделий, разработка наноструктурных твердых сплавов для режущих инструментов с повышенной износостойкостью и ударной вязкостью, создание наноструктурных термо- и коррозионно-стойких покрытий, создание обладающих повышенной прочностью на растяжение волоконных структур на основе нанотрубок уже являются экономически оправданными.

Плотная наноструктурная керамика имеет повышенную пластичность при сравнительно невысоких температурах. Увеличение пластичности при уменьшении размера частиц вызвано сдвиговым перемещением нанокристаллических зерен относительно друг друга при наложении нагрузки. При этом отсутствие нарушения межзеренной связи объясняется эффективным диффузионным переносом атомов в приповерхностном слое частиц. Повышенная пластичность означает возможность сверхпластичного формования керамических и композиционных изделий, что исключает необходимость трудо- и энергозатрат на финишной обработки материалов высокой твердости. Разработка и внедрение в промышленное производство технологии создания нанокомпозитных изделий будет способствовать решению проблемы изготовления высококачественных режущих инструментов.

Удалось использовать скрытые резервы структуры гетерофазных материалов и получить новый класс композиционных конструкционных материалов следующего поколения, как альтернативу современной концепции "сборка в субмикронных масштабах из порошков". В основу разработки положено представление о гетерофазном металлическом материале (например, стали или твердом сплаве), как "интеллектуальной" структурной системе, способной к самоорганизации упрочняющих нанофаз как защитной реакции на термомеханическое воздействие среды. Природа прочности гетерофазного металлического материала связана с эволюцией матричной фазы в условиях статического, квазистатического и усталостного силового воздействия в направлении фрагментации метастабильной матричной фазы и формирования упрочняющих нанофаз. В размерном масштабе (1 - 100 нм) наночастицы находятся на границе квантового и классического микромиров и это крайне метастабильное и структурно-неоднородное состояние определяет уникальную прочность нановещества и исключительно высокий комплекс физикомеханических свойств материала с наноструктурными элементами. Уже разработаны нанотехнологии твердофазного наноструктурирования металлических материалов и самоорганизации иерархического ряда упрочняющих наноструктур на границах фрагментированных метастабильных фаз гетерогенных материалов, например, мартенсита в стали и Со-связки в твердом сплаве. При этом ресурс изделий конструкционного, инструментального, трибо- и теплотехнического назначения, изготовленных по новой методологии для авиации и космоса, машиностроения, строительной, горной, перерабатывающей, пищевой, медицинской и др. отраслей повышается от 200 до 500%.

Требует исследования и вопрос о влиянии формы наночастиц на их свойства и характеристики, причем не только переход от сферических частиц к стержнеобразным, но и свойства частиц, имеющих одно и то же число атомов, но разную форму. Изучение активности наночастиц в широком интервале температур позволяет получать важную информацию о совместном влиянии на активность температуры и размера. Можно много и красиво говорить о грядущих перспективах и направлениях исследований, оставляя вне рассмотрения вопрос о том, кто конкретно будет этим заниматься на одной восьмой суши (бывшей одной шестой).

В особой степени переход от микротехнологии к нанотехнологии затронет электронику, приведя к новому витку спирали познания на уровне наноэлектроники. Надо признать, что электроника является одной из самых динамично развивающихся междисциплинарных наук, вбирая в себя и используя самые последние достижения в области физики, химии, информатики и даже семантики. В отличие от традиционной микроэлектроники, потенциальные возможности которой в ближайшее десятилетие, по-видимому, будут исчерпаны, дальнейшее развитие электроники возможно только на базе принципиально новых физических и технологических идей. До настоящего времени рост функциональной сложности и быстродействия систем достигалось увеличением плотности размещения и уменьшением размеров элементов, принцип действия которых не зависел от их масштаба. При переходе к размерам элементов порядка десятков или единиц нанометров возникает качественно новая ситуация, связанная с определяющим влиянием на физические процессы в наноструктурах квантовых эффектов (туннелирование, размерное квантование, интерференционные эффекты).

Создание наноструктур базируется на новейших технологических достижениях в области конструирования на атомном уровне твердотельных поверхностных и многослойных структур с заданным электронным спектром и необходимыми электрическими, оптическими, магнитными и другими свойствами. Требуемая зонная структура таких материалов обеспечивается выбором веществ, из которых изготовляются отдельные слои структуры ("зонная инженерия"), поперечных размеров слоев (размерное квантование), изменением степени связи между слоями ("инженерия волновых функций"). Наряду с квантоворазмерными планарными структурами (двумерный электронный газ в квантовых ямах, сверхрешетки) исследуются одно- и нульмерные квантовые объекты (квантовые нити и точки), интерес к которым связан с надеждами на открытие новых физических явлений и, как следствие, на получение новых возможностей эффективного управления электронными и световыми потоками в таких структурах.

Особые надежды возлагаются на прорыв, который может обеспечить наноэлектроника в средствах коммуникации и связи, информационных технологиях и телекоммуникациях. Разработки в области нанотехнологий должны привести к повышению производительности вычислительных систем; увеличению пропускной способности каналов связи; увеличению информационной емкости и качества систем отображения информации; повышению чувствительности сенсорных устройств и расширению спектра измеряемых величин, что важно, в частности, для задач экологии; увеличению использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях.

Развитие нанотехнологии позволит сконструировать и принципиально новые элементы, такие, как "одноэлектронные" устройства, потребляющие предельно малые энергии на переключение, или сверхбыстродействующие биполярные транзисторы с базами толщиной в несколько нанометров. Устройства на основе наноструктур принципиально необходимы и для считывания информации в вычислительном процессе из-за предельно низких уровней сигналов. Примером могут служить магнитные считывающие устройства, основанные на эффекте гигантского магнето- сопротивления, возникающем в слоистых металлических магнито-упорядоченных средах с толщиной слоев в несколько нанометров.

Лазерные диоды для линий связи есть продукт нанотехнологии, поскольку они представляют собой квантово-размерные наногетероструктуры с характерной толщиной слоев в несколько нанометров. Эффективные фотоприемные устройства также базируются на таких полупроводниковых гетероструктурах. Дальнейшее развитие излучающих и фотоприемных приборов с неизбежностью связано с развитием нанотехнологии квантовых. Можно ожидать появления устройств принципиально нового типа, использующих квантово-механические закономерности.

Переход на наноуровень позволит существенным образом улучшить характеристики СВЧ транзисторов и создать приборы, основанные на квантовомеханических эффектах (например, резонансно-туннельные диоды и приборы на основе сверхрешеток). Полупроводниковые лазеры средней и большой мощности, изготовленные на основе наноструктур, эффективны для использования в проекционных системах различного назначения (в т. ч. для проекционных телевизоров). Наноструктурированные материалы чрезвычайно перспективны при создании эффективных катодов для плазменных панелей любой площади.

Можно прогнозировать создание принципиально новых приборов, основанных на возможности "калибровать" различные объекты (атомные кластеры и молекулы) в нанометровом диапазоне размеров и использовать высокую поверхностную чувствительность наноструктурированных материалов. Примером использования нанотехнологии для этих целей может служить создание на основе квантовых полу

проводниковых наноструктур лазеров дальнего и среднего ИК диапазонов, позволяющих контролировать загрязнение атмосферы с высокой чувствительностью и точностью.

На сегодняшний день самым прецизионным и точным инструментом обработки и контроля микросхем является пучок заряженных частиц - электронов или ионов. Законы, по которым подобные пучки взаимодействуют с твердым телом лежат в основе той области нанотехнологии, которая связана с получением поверхностных и объемных конфигураций в процессе производства ИС и методами контроля и метрологии. Переход от макротехнологий к микротехнологиям и нанотехнологиям есть следствие постепенного расширения наших знаний об окружающем мире и использования все более совершенных методов его познания. Всю информацию о наномире мы можем получать только опосредованно - через созданные нами инструменты познания этого мира - микроскопы, спектрометры, анализаторы и прочие достижения научной и технической мысли. Как изменится наша жизнь вследствие дальнейшего прогресса на пути проникновения вглубь материи - сказать трудно.

Прогнозы есть самые разные. Некоторые из них озвучил еще Р. Фейнман в своей знаменитой (в ограниченных кругах за пределами России) лекции о нанотехнологии, где якобы впервые и прозвучал этот термин. Надо признать, что его фантазии на темы наномира были весьма неоригинальными. Они напоминали прогнозы не лучших (мягко говоря) фантастов о результатах победного и неостановимого развития науки в будущем, причем с позиции гигантомании. Если на время выдачи прогноза фантастами имелись образцы воздушных шаров, подводных лодок или паровозов (список можно продолжить очень далеко), то в будущем предполагалось их повсеместное существование, но потрясающе громадных размеров. Будут летать гигантские шары и ездить чудовищных размеров паровозы. Уважаемый Ричард Филлипсович пошел по тому же пути, но с точностью до наоборот - по пути карликомании. В его наномире будут ездить маленькие автомобильчики, работать крохотные механизмики, крутиться крошечные моторчики и шустрить микроскопические роботы. Судя по всему, нынешнее поколение наших граждан будет жить при полном наномизме.