Статистические данные неоспоримо свидетельствуют о том, что доля электроники в совокупном мировом производстве непрерывно возрастает, причем еще более высокими темпами растет продажа полупроводниковых устройств: поскольку новые технологии позволят не только существенно уменьшить размеры полупроводниковых устройств, но и перейти к принципиально новым элементам. Нет сомнений в том, что в обозримом будущем доминирующей останется полупроводниковая электроника
Однако имеется одна принципиальная проблема, которая ограничивает прогресс в этой области - это размер полупроводниковых элементов. До сих пор прогресс развивался по пути непрерывного уменьшения базовых структур, но это не может продолжаться бесконечно. Так ожидается, что размеры соответствующих элементов микроэлектроники будут доведены до 35 нанометров и ниже. Эти значения уже близки к ограничениям, которые на¬кладываются физикой микромира – квантово-механические эффекты и недетерминистское поведение носителей тока, а также технологическими причинами - трудности с отбором тепла, сложностью конструкции, возможными туннельными токами утечки и пр.
Наноэлектроника - принципиально новое направление, возникшее в конце теперь уже прошлого века на стыке многих наук - физики, химии, микротехнологии и пр. и стремительно развивающееся в настоящее время. Разработка новых методов литографии, которые дадут возможность продвинуться ниже 100 нанометров (а это уже область наноэлектроники), позволят организовать массовое производство столь миниатюрных элементов, что в них законы микромира будут не препятствовать, а, напротив, способствовать их функционированию.
"Нано" – это, прежде всего, исследование физических тел, в которых хотя бы один из размеров меньше 100 нанометров (нанометр - это одна миллиардная часть метра, которая в 80 тысяч раз меньше толщины человеческого волоса). Таким образом, объекты наноэлектроники - это нульмерные структуры, которые обычно называют квантовыми точками, одно- и двухмерные образования (квантовые провода). Во-вторых, это управление объектами с размерами порядка молекулярных и даже атомных. И, наконец, это контроль материалов на наноуровне.
Основная задача наноэлектроники - это создание новых миниатюрных электронных устройств и методов их интеграции в практически используемые схемы. Научные исследования в этой области охватывают различные области знаний: материаловедение, электронику, механику, биологию, физику, химию, медицину. Фактически их объединяет объект исследований - чрезвычайно маленькие структуры с необычными для "большого" мира свойствами. Нанотехнологии интегрируют в себе достижения различных наук и тем самым нарушают существующие между традиционными науками границы. Следует заметить, что фундаментальные исследования в этой области пошли еще дальше - в субнанометровую область, т.е. размеры меньше одного нанометра, требующие технологий атомного масштаба. Это направление названо пикоэлектроникой. Теперь уже не очень малые объекты, содержащие сотни атомов и более, а сами атомы выполняют роль элементарных электронных устройств. В частности, на их базе можно (пока только в принципе!) по¬строить квантовый суперкомпьютер с новыми возможностями, ранее недостижимыми для классических вычислительных систем.
На сегодня электронная промышленность не ощущает особой потребности в наноустройствах, но научные группы, специализирующиеся в области наноиссследований, существуют во всех государствах Европейского Союза, кроме Люксембурга. И все же усилий отдельно взятых стран оказывается недостаточно. Для того, чтобы реализовать концепции наноустройств, требуются совместные усилия экспертов из различных стран. Именно это обстоятельство и вынуждает европейских ученых объединять свои усилия в рамках межнациональных европейских проектов. В 1999 году начала формироваться совместная российско-украинская программа "Нанофизика и наноэлектроника". На конкурс было подано большое число проектов, в которых соруководителями были российский и украинский ученые, из которых были выбраны наиболее значимые предложения, способные обеспечить прорыв в данной области: основная идея работы квантовой вычислительной машины основана на использовании квантовых битов информации - кубитов. Одновременно в развитием теории таких ЭВМ идет интенсивный поиск их физической реализации, однако до сих пор нет единого мнения относительно этого; разрабатывается проект изготовления миниатюрных аналоговых и цифровых устройств и микросхем среднего уровня интеграции на основе контактов типа сверхпроводник - тонкая пленка изолятора - сверхпроводник. Необычные с точки зрения стандартной электроники характеристики таких структур были предсказаны в 1962 году Б. Джозефсоном, получившим впоследствии за это Нобелевскую премию по физике. Основная задача украинской стороны в настоящем проекте заключается во всестороннем изучении свойств таких объектов при облучении их сверхвысокочастотным электромагнитным полем.
В настоящее время наноэлектроника может развиваться только вместе с традиционной полупроводниковой техникой, используя достижения последней с тем, чтобы в нужный момент занять доминирующее положение.
НАНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТЫ
Это материалы, представляющие собой особое состояние конденсированного вещества - микроскопические ансамбли ультрамалых частиц с размерами до нескольких нанометров. Необычные свойства этих материалов обусловлены как особенностями отдельных зерен (кристаллитов), так и коллективным поведением, зависящим от характера взаимодействия между наночастицами и свойств матрицы, в которую они внедрены. Здравый смысл подсказывает, что частицы, например, резины отличаются от частиц стали. Но то, что свойства частицы стали - магнитные, оптические, механические и пр. - могут меняться в зависимости от ее размера и формы, стало откровением даже для специалистов. Это происходит, когда доля атомов, находящихся в границах зерен материала, составляет 20-30% и более от общего количества.
Средний размер зерен нанокристаллических материалов менее 40 нм. Самое простое (и полезное) применение наночастиц состоит в изготовлении прочной керамики при относительно низких температурах. Обычно прессование Частиц разной формы и размеров в монолитную керамическую массу проводится при высоких давлении и температуре. Если же использовать наночастицы, то они легко упаковываются вместе и "сплавляются" при значительно меньших температурах и давлении, благодаря тому, что поверхностные атомы, удерживаемые на своих местах меньшим количеством связей, чем глубинные, гораздо подвижнее.
Электронные свойства наночастиц также отличаются от электронных свойств объемных веществ. В структурах с такими наноразмерами размерами, получивших название "мезоскопических", квантовые явления начинают играть важную роль, т.к. эти размеры становятся сравнимыми с такими параметрами электронов, как длина волны де Бройля электронов на поверхности Ферми, длина свободного пробега, длина когерентности, длина сбоя фазы и радиус экранирования. Благодаря этому практически все термодинамические и кинетические свойства металлических систем претерпевают радикальные изменения. Наноэлектроника будет востребована промышленностью в полной мере уже через 10-20 лет Создание электронных приборов, включающих наночастицы, положило начало новой эре наноэлектроники. "Мезоскопические" приборы могут быть реализованы на основе на основе полупровод¬ников, металлов и сверхпроводников. В таких при¬борах можно наблюдать и исследовать явления квантования энергии, заряда и проводимости. Мезоскопические полупроводниковые структуры реализуются в виде гетероструктур с квантовыми ямами и туннельными барьерами, структур с двумерным электронным газом на интерфейсе гетероперехода, структур с 5-легированными слоями. "Сжатие" двумерного электронного газа потенциальными барьерами в одном или двух измерениях дополняет спектр квантово-размерных структур квантовыми нитями (одномерные структуры) и квантовыми точками (ноль-мерные структуры). Другая перспектива - металлическая наноэлектроника. Главный мотив развития исследований в этой области заключается в том, что плотность собственных носителей заряда в металлах на 4-5 по¬рядков больше, чем в полупроводниках.
Как изготовляются такие частицы? Один из эффективных способов - разложение органических соединений, содержащих атомы металлов, например, Fe. Пропускание тока между иглой туннельного микроскопа и подложкой в атмосфере Fe(CO)5 приводит к разложению этого соединения и высаживанию на поверхности подложки частичек чистого Fe. Этим способом удается создать частички с размерами около !0 нм в поперечнике.
Возможно, наиболее важной перспективой использования одноэлектроники - это применение ОТ в цифровых интегральных схемах, которые создаются как элементы памяти и логики. Эффект сохранения одиноких электронов в одноэлектронном элементе был продемонстрирован экспериментально и теперь интенсивно исследуется. Элемент состоит из цепочки туннельных контактов малой площади (не меньше 0.1x0.1 мкм2), которая присоединена к токопроводящему островку. Этот "островок памяти" находится в электростатическом поле управляющего электрода. Энергия электрона на каждом из промежуточных островков значи¬тельно превышает энергию электрона на внешнем электроде, что обусловлено присутствием электро¬статического барьера, который способен удержать на "островке" небольшое целое (как положитель¬ное, так и отрицательное число избыточных элек¬тронов). Из-за присутствия барьера зависимость изолированного на "островке" заряда от напряже¬ния на затворе имеет гистерезисный характер. При одном и том же напряжении на затворе, в границах петли гистерезиса, в зависимости от предыстории его изменения, заряд "островка памяти" способен принимать разные значения, которые отличаются на величину, кратную заряду электрона. Такие за¬рядовые состояния могут быть использованы, как логические уровни, а сама система - как одноэлектронная ячейка памяти. Одноэлектронные приспособления могут быть использованы в качестве нового стандарта для измерения малых токов (количества заряда) с большой точностью. Они дают возможность регистрировать ток в несколько пикоампер с точностью несколько фемтоампер.
Еще одно применение одноэлектронной технологии лежит в создании сверхчувствительных электрометров. Сегодня одноэлектронным методам нет равных в точности измерения величины заряда. С их помощью можно измерять чрезвычайно малые емкости. Для измерения емкости, как известно, необходимо определить отношение заряда к потенциалу. До этого с высокой точностью измерялитолько потенциал, а заряд - нет. одноэлектронные приборы типа "электронного насоса" или "турникета" способны переправлять на измеряемую емкость точное число электронов. Упоминалось про рекордные параметры "электронного насоса", который состоял из семи последовательных туннельных контактов. Ошибка измерения числа электронов в нем составляла 1СГ8. Время удержания электронов в этом приборе составляло 600 с, что было достаточным для точного измерения электрического напряжения. С помощью одноэлектронного электрометра можно измерять электрические заряды, в 104 раз меньшие элементарного заряда.
Однако, одноэлектроника обладает рядом проблем и недостатков: низкое быстродействие, высокая чувствительность к воздействию внешних электромагнитных полей, малая мощность и плохая репродуктивность характеристик, а также шумы. Разрешение этих проблем является важной задачей для специалистов, работающих в этой области.