Наноматериалы и наноустройства в радиоэлектронике: учебное пособие - Казаков В.Д.

Автор: Казаков В.Д.
Теги: электротехника радиоаппаратура (радиоэлектронная аппаратура) радиоэлектроника полупроводниковые приборы учебное пособие наноматериалы
ISBN: 978-5-9729-1596-5
Год: 2024
Похожие
Механические воздействия и защита радиоэлектронных средств: Учебное пособие
Как освоить радиоэлектронику с нуля
Самоучитель по радиоэлектронике.
Микроэлектроника. Учебное пособие для вузов. Физические и технологические основы, надежность
Текст
                    В. Д. КАЗАКОВ

НАНОМАТЕРИАЛЫ
И НАНОУСТРОЙСТВА
В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Учебное пособие

Москва Вологда
«Инфра-Инженерия»
2024
УДК 621.38

ББК 32.844.2

К14

Рецензенты:

д-р техн, наук, профессор Ю. Ф. Казаков
(кафедра «Транспортно-технологические машины и комплексы»,
Чувашский государственный ахрарный университет);

канд. техн, наук, доцент В. Г. Медведев

Казаков, В. Д.

К14 Наноматериалы и наноустройства в радиоэлек-

тронике : учебное пособие / В. Д. Казаков. - Москва ;
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 164 с. : ил.,
табл.

18ВУ' 978-5-9729-1596-5

Изложены основные свойства применяемых в наноэлектро-
нике материалов; описаны методы применения их в полупроводни-
ковых приборах и системах. Показаны примеры применения нано-
структур в полупроводниковой технике: создание биполярных
транзисторов, диодов, цифровых устройств; в компьютерной тех-
нике. Рассматривается возникновение и развитие нанонауки и
нанотехнологий; перспективы развития нанотехнологии в электро-
нике; нанотехнология в микроэлектронике; новые технологии бу-
дущего: компьютерная технология, суперкомпьютеры в нанотех-
нологиях, лазерные видеотехники.

Для студентов факультета радиоэлектроники и автоматики.

УДК 621.38

ББК 32.844.2

18ВЫ 978-5-9729-1596-5 © Казаков В. Д„ 2024

© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024

© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
ВВЕДЕНИЕ

Понятие нанотехнологий. Нанотехнологии - это область,
находящаяся на стыке фундаментальной и прикладной науки и
техники, работающая с совокупностью теоретических обосно-
ваний, практических методов исследования, синтеза и анализа,
методов производства и применения продуктов с определенной
атомной структурой, полученной за счет контролируемого ма-
нипулирования отдельными молекулами и атомами. Нанотех-
нология занимается изучением нанометровых объектов. Прак-
тический аспект нанотехнологий заключается в производстве
устройств и их компонентов, которые необходимы для созда-
ния, обработки и манипуляций молекулами, атомами и наноча-
стицами. При этом не обязательно объект должен обладать ли-
нейным размером меньше 100 нм, он может представлять собой
макрообъект, атомарная структура которого подконтрольно со-
здается с разрешением на уровне атомов или содержит в себе
нанообъекты. I ермин нанотехнологии в более широком смысле
охватывает методы диагностики и исследований таких объек-
тов. Нанотехнологии отличаются от традиционных дисциплин,
так как на таких малых масштабах привычные нам макроскопи-
ческие технологии взаимодействия с материей чаще всего не-
применимы. При этом микроскопические явления, которыми
пренебрегают на привычных масштабах, становятся значитель-
ными. Нанотехнология, особенно ее часть - молекулярная техно-
логия, являются новыми и мало исследованными дисциплинами.
Основные открытия в этой области еще предстоит сделать. Но
проводимые исследования уже сейчас дают практические резуль-
таты. Применение в нанотехнологии современных научных до-
стижений дает право относить ее к области высоких технологий.

Что такое «нано»?

Когда-то на слуху были достижения микроэлектроники.
Сейчас мы перешли к новой эре нанотехнологий. Так что такое
это «нано», которое то тут, го там стали добавлять к привычным
словам, придавая им новое современное звучание: нанороботы,
наномашины, нанорадио и так далее? Приставка «нано-» при-
меняется в Международной системе единиц (СИ). Ее использу-
ют для образования обозначений десятичных дольных единиц.
Это одна миллиардная часть исходной единицы. В данном слу-
чае мы говорим об объектах, чьи размеры определяются в
нанометрах. Значит, один нанометр - это одна миллиардная
часть метра. Для сравнения, микрон (он же микрометр, давший
название микроэлектронике, а кроме того, микробиологии, мик-
рохирургии и т. д.) - это одна миллионная часть метра.

Если взять для примера миллиметры (приставка «милли» -
одна тысячная), то в миллиметре 1 000 000 нанометров (нм) и, со-
ответственно, 1 000 микрометров (мкм). Человеческий волос имеет
толщину в среднем 0,05.. .0,07 мм, то есть 50 000... 70 000 нм. Хотя
диаметр волоса и можно записать в нанометрах, это еще далеко не
наномир. Углубимся и посмотрим, что там есть уже сейчас.

Размеры бактерий составляют в среднем 0,5...5 мкм
(500-5000 нм) Вирусы, одни из главных врагов бактерий, еще
меньше. Средний диаметр большинства изученных вирусов со-
ставляет 20...300 нм (0,02...0,3 мкм). А вот спираль ДНК имеет
диаметр уже 1,8...2,3 нм. Считается, что самый маленький
атом - это атом гелия, его радиус 32 пм (0,032 нм), а самый
большой - цезия 225 пм (0,255 нм) В целом, нанообъектом бу-
дет считаться такой объект, размер которого хотя бы в одном
измерении находится в нанодиапазоне (1... 100 нм).

Можно ли увидеть наномир?

Конечно, все, о чем говорится, хочется увидеть своими глаза-
ми. Ну хотя бы в окуляр оптического микроскопа. Можно ли за-
глянуть в наномир? Обычным способом, как мы наблюдаем,
например, микробов, нельзя. Почему? Потому что свет с некото-
рой долей условности можно назвать нановолнами. Длина волны
фиолетового цвета, с которого начинается видимый диапазон, -
380...440 нм. Длина волны красного цвета - 620...740 нм. Длины
волн видимого излучения составляют сотни нанометров. При этом
разрешение обычных оптических микроскопов ограничивается ди-
фракционным пределом Аббе примерно на уровне половины дли-
ны волны. Большинство интересующих нас объектов еще меньше.

Поэтому первым шагом на пути проникновения в наномир
стало изобретение просвечивающего электронно! о микроскопа.
Причем первый такой микроскоп был создан Максом Кноллем и
Эрнстом Руска еще в 1931 году. В 1986 году за его изобретение
была вручена Нобелевская премия по физике. Принцип работы
такой же, как и у обычного оптического микроскопа. Только вме-
сто света на интересующий объект направляется поток электронов,
который фокусируется магнитными линзами. Если оптический

микроскоп давал увеличение примерно в тысячу раз, то электрон-
ный уже в миллионы раз. Но у него есть и свои недостатки. Во-
первых, это необходимость получить для работы достаточно тон-
кие образцы материалов. Они должны быть прозрачны в элек-

тронном пучке, поэтому их толщина варьируегся в пределах
20-200 нм. Во-вторых, это то, что образен под воздействием пуч-

ков электронов может разлагаться и приходить в негодность.

Другим вариантом микроскопа, использующего поток элек-
тронов, является сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
(рис. 1). Он не просвечивает образец, как предыдущий, а сканирует
его пучком электронов. Это позволяет изучать более «толстые»
образцы. Обработка анализируемого образца электронным пучком
порождает вторичные и обратноотраженные электроны, видимое
(катодолюминесценция) и рентгеновское излучения, которые улав-
ливаются специальными детекторами. На основании полученных
данных и формируется представление об объекте. Первые сканиру-
ющие электронные микроскопы появились в начале 1960-х годов.

Электронная пушка

Управление
процессом
сканирования

Электронный пучок

П Линза-
конденсор

------1 Отклоняющая

______I катушка

1 Линза-
объектив

Рис. 1. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ)
Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) (рис. 2) -
относительно новый класс микроскопов, появившихся уже
в 80-е годы. Сканирующие микроскопы позволяют скорее не
рассмотреть, а «ощупать» рельеф поверхности образца. Полу-
ченные данные затем преобразуются в изображение. В отличие
от сканирующего электронного микроскопа, зондовые исполь-
зуют для работы острую сканирующую иглу (рис. 3).

Рис. 3. Сканирование при постоянной силе взимодействия зонда
с образцом
Игла, острие которой имеет толщину всего несколько ато-
мов, выступает в роли зонда, который подводится на минималь-
ное расстояние к образцу - 0,1 нм. В ходе сканирования игла
перемещается над поверхностью образца. Между иглой и по-
верхностью образца возникает туннельный ток, и его величина
зависит от расстояния между ними. Изменения фиксируются,
что позволяет на их основании построить карту высот - графи-
ческое изображение поверхности объекта.

Похожий принцип работы использует и другой микроскоп
из класса сканирующих зондовых микроскопов - атомно-
силовой (АСМ) (рис. 4).

Блок упрал ляющей
для гканлровашл

Рис. 4. Схема работы атомно-силового микроскопа

Здесь есть и игла-зонд, и аналогичный результат - гра-
фическое изображение рельефа поверхности. Но измеряется
не величина гока, а силовое взаимодействие между поверхно-
стью и зондом. В первую очередь подразумеваются силы
Ван-дер-Ваальса, но также и упругие силы, капиллярные силы,
силы адгезии и другие. В отличие от сканирующего туннельно-
го микроскопа (СТМ) (рис. 5), который может применяться
только для исследования металлов и полупроводников, атомно-
силовой позволяет изучить и диэлектрики.
Рис. 5. Схема устройства сканирующего туннельного микроскопа

Но это не единственное его преимущество. Он позволяет
не только заглянуть в наномир, но и манипулировать атомами
(рис. 6).

Рис. 6. Молекула пентацена:

А - модель молекулы; В - изображение, полученное
сканирующим туннельным микроскопом;

С - изображение, полученное атомно-силовым микроскопом;
В - несколько молекул (АСМ); А, В и С в одном масштабе
ГЛАВА 1. НАНОМАТЕРИАЛЫ
И ИХ ПРОИЗВОДСТВО

1.1.	Наноструктуры - наноматериалы

Существует несколько подходов к определению понятия
«наноматериал».

Самый простой подход связан с геометрическими парамет-
рами. в соответствии с которыми материалы с характерным
размером структурных элементов в диапазоне от 1 до 100 нм
называют наноструктурными.

Нижняя граница диапазона обусловлена критическим раз-
мером существования нанокристаллического материала как
структурного элемента, имеющего упорядоченное строение,
т. е. кристаллическую решетку. Такой критический размер,
в частности, для железа, составляет примерно 0,5 нм.

Верхняя граница диапазона обусловлена тем, что заметные
и интересные с технической точки зрения изменения физико-
механических свойств материалов (прочности, твердости, коэр-
цитивной силы и др.) начинаются при размерах наноструктур-
ных элементов, существенно меньших 100 нм.

Второй подход связан со значительной ролью в формирова-
нии свойств наноматериалов многочисленных поверхностей
раздела. При этом наибольшее изменение свойств происходит
в случае, когда объемная доля площадей поверхностей раздела
в общем объеме материала составляет более 50 %.

Третий подход основан на понятии характерного размера
для определенного физического явления:

-	для прочностных свойств это будет размер бездефектного
кристалла;

-	для магнитных свойств - размер однодоменного кристалла;

-	для электропроводности - длина свободного пробега
электронов.

Считается, что если при уменьшении объема какого-либо
вещества но одной, двум или трем координатам до размеров
нанометрового масштаба возникает новое качество или это ка-
чество возникает в композиции из таких объектов, то эти обра-
9
зования следует отнести к наноматериалам, а технологии их
получения и дальнейшую работу с ними - к нанотехнологиям.

Итак, в науке используются следующие термины:

-	нанотехнологии;

-	наноматериалы (наночастицы, наноструктуры).

Материалы, разработанные на основе наночастиц с уни-
кальными характеристиками, вытекающими из микроскопиче-
ских размеров их составляющих.

Углеродные нанотрубки - протяженные цилиндрические
структуры диаметром от одного до нескольких десятков нано-
метров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из
одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных гра-
фитовых плоскостей (графенов), выложенные правильными ше-
стиугольниками, в вершинах которых расположены атомы
углерода, и обычно заканчивающиеся полусферической го-
ловкой.

Результат такой операции зависит от угла ориентации графи-
товой плоскости относительно оси нанотрубки.

Они обладают особой прочностью и упругостью. При ис-
пользовании определенных методов получения нанотрубок они
получаются малодефектными, с заранее заданной структурой
и направлением роста.

Нанотрубки имеют разную структуру: одностенные и много-
стенные нанотрубки (рис. 1.1, 1.2).

Рис. 1.1. Одностенная нанотрубка Рис. 1.2. Многостенная нанотрубка

Структура одностенных нанотрубок (рис. 1.1) во многих от-
ношениях отличается от представленной выше идеализирован-
ной картины. Прежде всего, это касается вершин нанотрубки,
форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной
полусферы.
Особое место среди одностенных нанотрубок занимают так
называемые нанотрубки с хиральностью. В нанотрубках такого
типа две из С-С-связей, входящих в состав каждого шестичлен-
ного кольца, ориентированы параллельно продольной оси труб-
ки. Нанотрубки с подобной структурой должны обладать чисто
металлической структурой.

Многостенные нанотрубки отличаются от одностенных
значительно более широким разнообразием форм и конфигура-
ций. Разнообразие структур проявляется как в продольном, так
и в поперечном направлении (рис. 1.2).

Структура типа «русской матрешки» представляет собой
совокупность коаксиально вложенных друг в друга цилиндри-
ческих трубок. Другая разновидность этой структуры пред-
ставляет собой совокупность вложенных друг в друга коакси-
альных призм. Наконец, последняя из приведенных структур
напоминает свиток. Для всех структур характерно значение
расстояния между соседними графитовыми слоями, близкое к
значению 0,34 нм, присущему расстоянию между соседними
плоскостями кристаллического графита.

Реализация той или иной структуры многостенных нано-
трубок в конкретной экспериментальной ситуации зависит
от условий синтеза. Анализ имеющихся экспериментальных
данных указывает, что наиболее типичной структурой много-
стенных нанотрубок является структура с попеременно распо-
ложенными по длине участками типа «русской матрешки».

Основу наноэлектроники составляют те же элементы, что
и в микроэлектронике, - транзисторы, но с нанометровым раз-
мером. Благодаря уникальным физическим свойствам и струк-
турным особенностям углеродные нанотрубки в данном случае
являются идеальными претендентами на роль элементов для
электронных микросхем.

То же происходит в биологии и медицине. Получение но-
вых наноматериалов позволяет создавать системы фильтрации и
опреснения воды, а также фильтры для очистки газов и воздуха.
Благодаря большой плотности нанотрубок на единицу площади
подобные фильтры намного быстрее и эффективнее проводят
очистку жидкостей, чем распространенные в настоящее время
поликарбонатные фильтры.
Фуллерены - молекулярные соединения, принадлежащие
к классу аллотропных форм углерода (другие - алмаз, карбин
и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые много-
гранники, составленные из четного числа трехкоординирован-
ных атомов углерода (рис. 1.3-1.5).

Такой замкнутый многохранник, построенный из п вершин,
образуется из пяти- и шестиугольных граней.

Рис. 1.3. Фуллерен Сео

Рис. 1.5. Бакибол Сео

Рис. 1.4. Фуллерен Сяо

Структурные свойства фуллеренов. В молекулах фул-
леренов атомы углерода расположены в вершинах правильных
пяти- и шестиугольников, из которых составлена поверхность
сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно
изученный представитель семейства фуллеренов - фулле-
рен Сео-

Следующим по распространенности является фуллерен С7о,
отличающийся от фуллерена Сео вставкой пояса из 10 атомов
углерода в экваториальную область Сео, в результате чего моле-
кула С7о оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч
для игры в регби, его иногда называют регбиболом (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Фуллерены:
а - Сео; б - Сто; в - Сео
Из чисто геометрических соображений возможным наи-
меньшим фуллереном является правильный додекаэдр С20. Свя-
зи в нем напряжены, и он нестабилен. Получены многооболо-
чечные фуллерены (углеродные «луковицы»), состоящие из не-
скольких вложенных друг в друга структур.

Молекулы высших фуллеренов Сто, С74, С-%, С-84, С-164, С1«,
С-216, вплоть до гигантов Сшо, имеют также замкнутую (но более
«угловатую») форму и существенно различные свойства. Фул-
лерен С28 имеет ту же валентность, что и атом углерода, и обра-
зует устойчивый кристалл со структурой алмаза - гипералмаз.

Высшие фуллерены, содержащие большее число атомов уг-
лерода (до 400), образуются значительно в меньших количе-
ствах и часто имеют сложный изомерный состав. Среди наибо-
лее изученных высших фуллеренов можно выделить С-74, С-76,
С-78, С-80, С-82 И С-84-

Фуллерены - это сильнейшие антиоксиданты из известных
на сегодняшний день. В фармакологии с ними связывают
надежды на создание новых лекарств. Производные фуллеренов
хорошо показывают себя в лечении ВИЧ. А при создании
наномашин фуллерены могут быть использованы в качестве
деталей.

Графён - двухмерная модификация углерода (рис. 1.7), об-
разованная слоем атомов углерода толщиной в один атом, со-
единенных в двухмерную кристаллическую решетку. Его мож-
но представить как одну плоскость графита, отделенную от
объемного кристалла.

Рис. 1,7. Графён - двухмерная модификация углерода

Двухслойный графен - двухмерная аллотропная модифика-
ция углерода, образованная двумя близко расположенными сло-
ями графена (рис. 1.8). Так как они расположены на расстоянии
меньше 1 нм друг от друга, электроны из одного слоя графена
могут туннелировать в другой, что приводит к появлению ново-
го закона дисперсии для носителей тока.

Рис. 1.8. Двухслойный графен

Ткань из нанотрубок - графен. Команда ученых из Манче-
стерского университета под руководством Эндрю Гейма создала
уникальную ткань в виде сверхгигантской плоской молекулы.
Толщина нового материала фантастически мала: он получился в
результате эксперимента но отделению атомарного слоя от кри-
сталла графита. Удалось осуществить на практике этот опыт,
и результат получился потрясающий: «отрезанные» от основно-
го куска вещества элементарные частицы сохранили связь друг
с другом, образовав «заплатку» толщиной в один атом.

При этом поперечник кусочка «ткани» в десять микрометров
выглядит охромным, но ученые говорят, что нет никаких принци-
пиальных ограничений для создания в лабораторных условиях об-
разца площадью в несколько квадратных сантиметров.

Чудо физики получило название «графен». Это близкий
родственник экзотических углеродных сверхмолекул - нано-
трубок и фуллеренов. Разница лишь в том, что, в отличие от уже
известных материалов, в графене все частицы расположены в
одной плоскости.

Как и его трехмерный прародитель (графит), графен - хо-
роший проводник, отличается высокой прочностью, эластично-
стью и отличной электропроводностью. При этом благодаря
двухмерности его удельное сопротивление при комнатной тем-
пературе ниже, чем у серебра, а теплопроводность в 10 раз вы-
ше, чем у меди. Стоит ли упоминать, что транзисторы на основе
графена намного быстрее кремниевых? И это все при том, что
материал прозрачный и гибкий.
Графен обладает также уникальными механическими свой-
ствами: он тверже и прочнее, чем алмаз, но при этом может
быть растянут на четверть своей длины. Так, по словам нобе-
левских лауреатов 2010 года, трафеновый гамак площадью в
квадратный метр способен выдержать вес 4-килограммового
кота и при этом сам будет весить меньше миллиграмма - как
кошачий ус (рис. 1.9).

Рис. 1.9. Графеновая пластина с 4-килограммовым котом

В довесок ко всем уникальным свойствам графена их можно
еще и регулировать, например, с помощью магнитного поля, раз-
личных подложек либо путем создания композитных материалов.
А если проделать в нем нанометровые отверстия, то из графена
можно делать эффективные фильтры для опреснения воды!

Графен можно использовать как детектор молекул (МОг),
позволяющий детектировать приход и уход единичных моле-
кул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной
температуре, благодаря чему, как только решится проблема
формирования запрещенной зоны в этом полуметалле, он как
перспективный материал заменит кремний в интегральных мик-
росхемах.

В отличие от многих других наноматериалов, массовое
производство графена относительно дешево и уже активно
осваивается ведущими производителями электроники.

Топологические изоляторы. Это материалы, являющиеся
диэлектриками внутри, но имеющие на поверхности атомы, в
которых электроны могут находиться близко к зоне проводимо-
сти. Поэтому движение электронов в топологических изолято-
рах возможно лишь по поверхности. Как следствие, возникаю-
щее сопротивление минимально, и электрон может легко разго-
няться практически до скорости света без обратного рассеяния
и разогревания проводящего слоя.
Принципиальная возможность их существования была пред-
сказана в 2007 году, и уже вскоре были получены материалы, об-
ладающие нужными свойствами: селенид и теллурид висмута.

Благодаря своим свойствам топологические изоляторы
(рис. 1.10) могут в недалеком будущем стать заменой полупро-
водникам. Дополнительным их преимуществом над полупро-
водниками является малая чувствительность к примесям. К то-
му же по сути они являются одновременно и проводниками,
и собственными изоляторами.

Рис. 1.10, Топологический изолятор теллурид висмута

Еще одной примечательной особенностью таких материалов
является то, что спин (магнитный момент) электронов в поверх-
ностном слое квантово-механически связан с его импульсом. До
сих пор на атомарном уровне физики могли манипулировать
лишь электрическими (но не магнитными) полями. Создание же
топологических изоляторов позволяет надеяться, что скоро этот
технологический пробел будет ликвидирован и откроется дорога
к принципиально новому классу устройств, основанных на «спин-
тронике» (по аналогии с электроникой). А это уже прямой путь к
созданию квантовых компьютеров, способных производить вы-
числения, для которых современным сунер-компьютерам потре-
бовалось бы астрономическое количество времени.

Мемристпоры - более 40 лет назад китайский физик Леон
Чуа теоретически предсказал существование «недостающего»
четвертого базового элемента электрической цепи, связываю-
щего электрический заряд и магнитный поток.

В дополнение к хорошо известным резисторам (связываю-
щим ток и напряжение), конденсаторам (напряжение и заряд) и
катушкам индуктивности (ток и магнитный поток) он описал
свойства гипотетического элемента - мемристора (рис. 1.11).
Рис. 1.11. Мсмристорская система

В 2008 году группа ученых из НеМей-Раскагс! сообщила в
журнале №1иге о первом реальном устройстве такого типа. Оно
состояло из нанопленки (50 нм) оксида титана, зажатой между
титановым и платиновым электродами (каждый в 5 нм толщи-
ной). Уникальным свойством прибора является его способность
изменять собственное сопротивление и таким образом хранить
информацию, а размеры (к 2010 году инженеры НР довели их
до 3x3 нм) и скорость работы (1 ГГц) делают очевидным их
огромный потенциал.

В дальнейшем (начиная с 2013) компания планировал
наладить серийный выпуск первых устройств памяти на базе
мемристоров, которые в скором времени призваны заменить
«громоздкие» Да811, 88Ь и т. д.

Что касается научной ценности мемристоров, то их откры-
тие потенциально может совершить переворот в нейронауке.
Дело в том, что собранные в достаточно несложную цепь
устройства ведут себя подобно человеческим нейронам. Первые
эксперименты уже показали, что такие цепи способны на «за-
поминание» и «забывание» информации, причем обучение про-
исходит по тому же принципу, по которому работают клетки в
нашем головном мозге. Ценность такого свойства для разработ-
ки искусственного интеллекта очевидна.

Метаматериалы - создавать что-то новое - в человеческой
природе. Если чего-то не существует самого по себе, то почему
бы это не сделать. Метаматериалы - это полностью искусствен-

г
ные устройства, обладающие свойствами, которых в природе
попросту нет. Они состоят из упорядоченных наноэлементов,
например, наноэлектрических цепей (рис. 1.12). Строгая орга-
низация усиливает свойства отдельных элементов и позволяет
метаматериалам проявлять их в макромире.

Рис. 1 12. Метаматериал

В результате метаматериалы проявляют ряд уникальных
электромагнитных, оптических, акустических, механических и
других свойств. Так, первая 10-микрометровая двухмерная «шап-
ка-невидимка» была создана именно с помощью метаматериала
на основе наноколец золота и полиметилметакрилата (оргстекла).
Наноэлементы «шапки» расположены таким образом, что свет,
падающий на ее поверхность, огибает материал но контуру и вы-
ходит с противоположной стороны без искажения (рис. 1.13).
Поэтому для наблюдателя и «шапка», и предмет в ней невидимы.
Похожий принцип может быть применен для защиты зданий
от землетрясений - путем обведения сейсмических колебаний
вокруг объекта, находящегося под защитой.

Источник света

Рис. 1.13. «Шапка» - невидимка из метаматериала
Другое применение мегаматериалов - это так называемые
суперлинзы (рис. 1 14). Они состоят из искусственного матери-
ала, имеющего отрицательный коэффициент преломления. Су-
перлинзы позволяют фокусировать свет на участке меньше
длины волны, открывая тем самым новые горизонты в оптиче-
ской микроскопии: они позволят непосредственно наблюдать
биологические макромолекулы (ДНК и белки) и создавать еще
более миниатюрные компьютерные чипы. Акустические анало-
ги суперлинз в будущем улучшат качество УЗИ-диагностики.

Рис. 1,14. Суперлинзы

Перечислять достижения нанотехнологий можно долго, так
же как и фантазировать на тему нашего нанобудущего. Но нужно
четко понимать, что нанотехнологии - это не волшебство и не па-
нацея. Технологическая революция - это непрерывный процесс, от
каменного века и до наших дней. Он происходит здесь и сейчас,
творится руками движимых любопытством людей и для людей.

Хотя область нанотехнологии еще мало изучена, она уже
выдала нам просто фантастические вещи. Обычно человеческо-
му глазу доступны для захвата объекты размером от 0,1 мм.
Ниже представлены изобретения, чьи параметры меньше еще на
шесть порядков (рис. 1.15).

С помощью электричества можно придать особому сплаву
галлия, иридия и олова любую форму, в том числе заставить его
бегать по кругу в чаше Петри. Этот мягкий сплав часто называ-
ют умным материалом, который в случае необходимости изме-
нять свою форму в соответствии с окружающей средой и усло-
виями огибающего ее пространства.

Рис. 1.15. Электропроводимый жидкий металл

Электропроводимый жидкий металл

Данный сплав является биомимитическим, что объясняет
воспроизведение им биохимических реакций, хотя сама его
природа далека от биологической.

Управление этим сплавом осуществляется с помощью элек-
трических зарядов. Однако при наличии дисбалансирующих
нагрузок, созданных разностью давлений между частями молекул
этого металла, сплав может изменять свою форму. По предполо-
жению некоторых ученых свойства этого сплава могут послужить
началом разгадки нюансов превращения внутренней энергии в
механическую. И хотя характеристики магериала напоминают
особенности одного терминатора, никто пока что не планирует
применять его в таком ключе, как минимум потому, что все реак-
ции возможно только в хлориде натрия или его же гидроксиде.

1.2.	Моделирование наноструктур

Чтобы создать любой нанообъект, будь то наноробот либо
новая молекула, нужно сначала в детально разработать ее
структуру и технологию создания. Но как это сделать, если та-
кие структуры даже невозможно увидеть? Чтобы избежать кон-
струирования многочисленных дорогих прототипов наноси-
стем, чтобы понять, какая из них будет работать, а какая нет,
инженеры используют модели. Молекулярные модели могут
быть разными. В самом простом случае это физические модели
из цветных шариков, украшающие школьные кабинеты химии.
Такие модели предельно просты и наглядны, однако их досто-
верность оставляет желать лучшего. Ведь атомы - это отнюдь
не твердые пластиковые шарики, а сложные физические систе-
мы, живущие по своим законам. Поскольку модели цветных
шариков плохо отражают реальные свойства молекул, нанотех-
нологи обычно используют компьютерные модели, в которых
можно задать настоящие законы квантовой физики. Что же
представляет собой компьютерное моделирование? Наверняка
многие читатели имеют представление о различных САПР -
системах автоматизированного проектирования (или по-
английски САБ - сотритег атбес! с1е81§п).

Обычно инженеры, дизайнеры и архитекторы давно исполь-
зуют преимущества компьютерного моделирования, применяя в
работе известные программы, такие как МаЙтСАП, АЩоСАП,
АгсЫСАП и т. и. Творчество молекулярного инженера очень по-
хоже на творчество архитектора, проектирующего здание, кото-
рый, в зависимости от назначения, рассчитывает его прочность,
устойчивость, удобство строительства, стоимость, влияние окру-
жающей среды и т. и. При этом большинство необходимых рас-
четов, основанных на теоретических данных, берет на себя ком-
пьютерная программа. При современном уровне знаний, позво-
ляющем судить о квантовых законах с большой достоверностью,
расчет и моделирование наноструктур стали вполне реальной
задачей, сходной с обычными задачами САП. Компьютерное мо-
делирование играет ключевую роль в разработке наносистем ос-
нованное на мощном математическом аппарате.

Существуют несколько основных типов математического
моделирования в нанотехнологии:

-	визуализационное - программа КаьМо!;

-	вычислительное - прохрамма СЬеш.ЗП.

-	инженерное - программа №поХр1огсг.

Визуализационное моделирование. Наиболее простая из со-
временных визуализационных программ - небольшая програм-
ма КазМо!, которая ничего не рассчитывает, но позволяет
наблюдать в трехмерном виде наноструктуры, созданные дру-
гими. В программе можно хорошенько рассмотреть нанострук-
туру, покрутить, увидеть химические элементы, связи и группы,
а также экспортировать результаты в графический файл.
Вычислительное моделирование. Смотреть чужие модели
наноструктур, конечно, интересно, но гораздо интереснее стро-
ить их самим. Для этого используют математическое моделиро-
вание методами квантовой механики, молекулярной динамики и
различные статистические подходы. С их помощью можно уви-
деть не только трехмерную модель объекта, но и его поведение
при воздействии температуры, электромагнитных полей, гамма-
квантов и др. Рассмотрим одну из популярных программ -
СйегпЗВ Графический интерфейс делает ее очень удобной
и понятной:

-	любую химическую формулу можно набрать на клавиа-
туре, после чего на экран автоматически выводится графическое
изображение молекулы;

-	существуют разные виды представления молекул: стерж-
невая, шаростержневая, ван-дер-ваальсова и другие (рис. 1.16);

Рис. 1.16. Модель серной кислоты Н28О4:
а - стержневая; б - шаростержневая; в - Ван-дер-Ваальса

-	можно «вручную» собрать наноструктуру, и СКстЗВ сам
оптимизирует ее, представляя реальное расположение атомов
(рис. 1 17);

Рис. 1.17. Так выглядела бы молекула этилена (С2Н4) на самом деле
-	молекулярная механика позволяет «нагреть» структуру,
повлиять на нее электромагнитными полями и посмотреть ди-
намику этих взаимодействий (рис. 1.18);

Рис. 1.18. Наш логотип нагретый до 1000 К

-	можно моделировать довольно сложные структуры
(рис. 1.19.);

Рис. 1.19. Модель сложного наномеханизма

-	или создавать группы и манипулировать ими (рис 1.20);

Рис. 1.20. Можно собирать, разбирать наноструктуры
и перемещать их по экрану
-	можно рассмотреть наноструктуру в «реалистичном» ви-
де, т. е. так, как бы она выглядела в атомносиловом микроскопе
(рис. 1.21);

Рис. 1.21. Картина Ван-дер-ваальсовых сил на поверхности нанообъекта

-	основные молекулы, необходимые для наномоделей, уже
созданы и хранятся в базе данных. Это общеизвестные вещества:
Н2О, С2Н2, СбН6, АТФ, а также молекулы посложнее от различных
современных лекарств до сложных биомолекул (рис 1.22);

Рис. 1.22. Примеры сложных и простых молекул

- если же необходимо построить структуру из отдельных
атомов и посмотреть, как она будет выглядеть в реальности (ес-
ли, конечно, эта структура не противоречит химическим зако-
нам природы), то можно создавать отдельные атомы, набирая
их символы, соответственно, таблице Менделеева, а потом со-
единить их химическими связями (рис. 1.23).
Рис. 1.23. Процесс построения наностержня диаметром
шесть атомов углерода

Можно видеть, что полученная структура не отличается
«упорядоченностью». Но это нам и не нужно. Все равно, как бы
точно мы ни располагали атомы относительно друг друга, ком-
пьютер сделает это точнее, решая уравнения квантовой механи-
ки. Теперь это не просто плод нашей фантазии, а вполне реаль-
ное расположение атомов с соответствующими химическими
связями между ними.

Такая структура не противоречит законам природы, а зна-
чит ее можно будет когда-либо создать (рис. 1.24).

Рис, 1.24. Минимизация энергии - реальный вид структуры

Таким образом, копируя и добавляя необходимые связи,
можно добиться любой длины стержня

Минимизируя энергию, получаем следующую структуру
(рис. 1.25).

Здесь рассмотрены только некоторые из возможностей,
предоставляемых СйетЗО. Программа «умеет» также многое
другое: от визуализации структуры белков до расчета электро-
химических потенциалов и молекулярных орбиталей.

Рис. 1.25. Наностержень на основе четырех атомов углерода

Инженерное моделирование. Есть разичные программы,
помогающие инженеру-нанотехнологу создавать наносистемы,
которые за тем можно испытать, подвергая различным тестам.
С тех пор, как алхимики начали обозначать таинственными
символами химические элементы, человечество изобрело мно-
жество способов записи информации о веществе: от химических
формул до компьютерных файлов, содержащих координаты
каждого атома. Так, например, для описания продукта микрон-
ных размеров необходимо учесть взаимное расположение трил-
лионов атомов, составляющих продукт. Однако после создания
различных «шаблонов» и готовых узлов описание можно свести
к файлу малого размера, содержащего набор и описание шабло-
нов, деталей и их взаимосвязей. Если необходимо заполнить
определенный объем, то это можно описать с помощью «шаб-
лона» элементарной единицы объема и использовать за тем этот
шаблон столько раз, сколько необходимо для заполнения иско-
мого объема. Описание дизайна нанодеталей должно быть па-
раметрическим. То есть если нужно построить нанотрубку,
то необходимо создать модель одной секции нанотрубки, указав
ее длину. Задаем затем длину всей нанотрубки, и программа
самостоятельно дублирует модель одной секции нужное ко-
личество раз. Компания ХапоТйап разработала иерархический
язык описания наноструктур папоМЕ (на основе языка ХМЕ).
С его помощью можно описать наносистему на молекулярном
уровне, а также определить ее основные электрические, опти-
ческие, физические свойства, информацию о применении, ав-
26
торских правах изобретателя и др. Модель наноустройства опи-
сывается отдельными наносистемами и молекулярными ма-
шинами, которые, в свою очередь, разворачиваются в набор
молекул, нанотрубок, других деталей и взаимосвязей между
ними. Для облегчения работы с языком папоМЬ и создана про-
грамма №поХр1огсг, позволяющая создавать модели нано-
устройств по примеру программы АЩоСАО. Различия, разу-
меется, есть, однако проектировать наноустройства в програм-
ме №поХр1огсг гораздо легче, чем, например, в СИст ЗЮ, кото-
рая ограничивается моделированием отдельных узлов нанома-
шин.

Установив программу на своем компьютере, пользователь
получает доступ к всемирной базе данных наноструктур. С ее
помощью можем использовать в своей разработке уже создан-
ные модели наноподшипников, валов, компьютеров, двигате-
лей, манипуляторов и пр. С другой стороны, создав свою соб-
ственную структуру, можно через 1п1ете1 закачать ее в базу
данных для использования такими же изобретателями.
Настройка свойств нанотрубки в ЫапоХр1огег, таким образом
база данных постоянно пополняется новыми моделями нано-
структур. С помощью программы можно создать разнообразные
модели: от биочипов и искусственных энзимов до нанороботов.
С помощью программы ХапоХр1огег разработано уже немало
сложных и функциональных наносистем (рис. 1.26).

Рис. 1.26. Модели наносистем:
а - наноманипулятор; б - нанонасос для атомов Ме
Прогресс компьютерного моделирования наноструктур
очень сильно зависит от мощности имеющихся компьютеров и
эффективности вычислительных алгоритмов. Чем мощнее ком-
пьютер и чем оптимальнее его программа, тем более сложную
наносистему можно спроектировать. Поскольку, согласно зако-
ну Мура, производительность компьютеров со временем растет
экспоненциально, с каждым годом ученым становятся доступны
все новые и новые возможности. Достижения наноэлектроники,
основанной на точных компьютерных моделях квантовых явле-
ний, позволят создать еще более мощные компьютеры, способ-
ные быстро рассчитывать сверхсложные наносистемы, напри-
мер, нанороботов из миллиардов атомов. Сегодня, чтобы смо-
делировать несколько атомов, компьютер перегоняет миллиард
раз в секунду неимоверные количества электронов по запутан-
ным и гигантским лабиринтам макроскопических микросхем.
Совершенно нелепо для расчета нескольких атомов бросаться
триллионами электронов. Поэтому в квантовых компьютерах
будущего квантовые процессы будут моделировать сами себя.

1.3.	Механосинтез и нанофабрика

В последнее время бурное развитие электронной, атомно-
силовой и туннельной микроскопии, равно как и развитие ин-
формационных технологий, привело к тому, что сегодня наблю-
дения за поведением отдельных агомов стали доступны широ-
кому кругу исследователей. Кроме того, современная преци-
зионная техника позволяет не только визуализировать отдель-
ные атомы, но даже манипулировать ими - катать по поверхно-
сти, переставлять с места на место и т. д. Об успехах в этом
направлении говорит популярность так называемой «нанолито-
графии» - выкладывания из атомов различных «рисунков» на
поверхности подложки. Выкладывать по подложке различные
«атомные рисунки», конечно, интересно, но имеет ли это какой-
нибудь практический смысл? Ведь одна из главных идей нано-
технологии состоит в том, чтобы производить обычные, необ-
ходимые человеку вещи, такие как еда, одежда, мебель, оргтех-
ника и т. и., но улучшенного качества и из простого сырья.
Поэтому, несмотря на успехи микроскопии, до настоящей нано-
технологии в том виде, в котором ее описывал Дрекслер, скани-
рующим методам еще далеко. Согласитесь, сложно представить
себе массовое производство какого-нибудь продукта, основан-
ное на работе сканирующего микроскопа, поатомно собираю-
щего каждый предмет. Даже если мы будем размещать атомы со
скоростью один атом в секунду (что соответствует скорости со-
временных нанотехнологических установок), то сборка малю-
сенькой батареечки для наручных часов заняло бы более
1617 лет, что в десять миллионов раз превышает возраст нашей
Вселенной! Конечно, при виде подобных чисел может показать-
ся, что нанотехнология по Дрекслеру невозможна в принципе.
Но ведь это происходит только оттого, что мы подходим к ней с
привычной для нас точки зрения: измеряем расстояние и время
в макроскопических величинах - метрах и секундах. Но в нано-
мире действуют совсем иные величины: миллиардные доли
метра и миллиардные доли секунды. Если б мы были наномет-
ровыми человечками, то вращение сверла бормашины в зубном
кабинете казалось бы нам таким же медленным, как обычному
человеку - вращение Земли вокруг Солнца. А ведь Земля вра-
щается не так уж и медленно - 30 км/с! А за то время, пока
обычный человек успел бы моргнуть своим «громадным» гла-
зом, мы бы успели основать и построить наноскопический
Санкт-Петербург, такой же, как тот, на сооружение которого у
обычных людей ушло около 300 лет! Таким образом, наномет-
ровые инструменты и манипуляторы, в отличие от современных
макроскопических, могли бы быть очень быстрыми. Если дви-
жение большой и тяжелой «руки» макроскопического робота-
сборщика занимает секунды и тратит киловатты энергии, то
наноробот способен перебирать своими «ручонками» за милли-
ардные доли секунды, затрачивая всего лишь миллиардные до-
ли ватт. Кроме того, промышленная установка весом всего
1 грамм, как показывают расчеты, может иметь более
1017 наноманипулягоров. С помощью такой установки те же ба-
тареечки, которые при макроскопическом подходе нереально
собрать из атомов, можно будет «штамповать» десятками тысяч
штук в секунду! Возможность производить любую вещь по же-
ланию ее владельца издревле будоражила умы людей. Вспомни-
те хотя бы мечты алхимиков о философском камне. И вот в
конце XX века, имея за плечами более основательный багаж
знаний о природе, чем в Средние века, человечество вновь воз-
вращается к своей древней мечте, предлагая в качестве подоб-
ной «скатерти-самобранки» идею нанофабрики - небольшой
установки, способной на молекулярном уровне создавать раз-
личные предметы (рис 1.27).

Схематический план нанофабрики

Механос интез и контролируемая
компьютером сборка частей

Сырье

Рис. 1.27. Схема процесса сборки продукции в нанофабрике

Впервые о подобной нанофабрике упоминал еще основа-
тель нанотехнологии Э. Дрекслер. Впоследствии другими уче-
ными было предложено огромное количество проектов молеку-
лярной нанофабрики, среди которых наибольшую популярность
получили проекты, основанные на конвергентной и параллель-
ной сборке. Идея конвергентной сборки принадлежит Крису
Фениксу - директору Центра ответственных нанотехнологий
СКХ (Сеп1ег Рог КезропДЫе Мапо1ес11гю1о§у, США). Ее суть за-
ключается в том, что конечный продукт составляется из ма-
леньких кубиков, последовательно объединяющихся во все бо-
лее крупные «строительные блоки». Весь процесс осуществля-
ется с помощью так называемых фабрикаторов, способных за-
хватывать отдельный блок, перетаскивать его в нужное место и
соединять химичекими связями с другими.

Инструменты нанотехнологии Фабрикатор, являясь ключе-
вым устройством нанофабрики, представляет собой управляе-
мое устройство, способное комбинировать атомы друг с другом,
создавая различные химические связи между ними. Фактически,
фабрикатор - это наноманипулятор, связанный с компьютером
и линией доставки сырья. В отличие от мобильного наноробота
ассемблера, он не подвижен и привязан к какой-либо основе.
Итак, процесс конвергентной сборки выглядит следующим об-
разом: сначала самые маленькие фабрикаторы создают из ато-
мов элементарные «кирпичики». Затем фабрикаторы побольше
берут эти «кирпичики» и соединяют их друг с другом в более
крупные блоки. Эти блоки, в свою очередь, также соединяются
между собой фабрикаторами третьего уровня и т. д. Весь про-
цесс повторяется до тех пор, пока необходимый продукт с за-
данной пользователем формой, структурой, размерами и пр.
не будет собран полностью (рис. 1.28).

Рис. 1.28. Схема конвергентной сборки

Весь процесс напоминает роботизированную сборку изде-
лия на обычной фабрике. За счет того, что сборка на самом деле
происходит не поатомно, а все возрастающими блоками, время
производства конечного продукта не выходит за рамки разум-
ного. Суть параллельной сборки еще проще: матрица из множе-
ства одинаковых наноманипуляторов, работающих одновре-
менно, создает необходимый предмет, как бы наращивая его
слой за слоем (рис. 1.29).
Рис. 1.29. Схема параллельной сборки

Если мы хотим произвести продукт высотой 1 мм, это по-
требует укладки 100 тысяч атомных слоев. Если один сборщик
будет обслуживать поверхность около 5000 атомов и уклады-
вать 4 слоя в секунду, сборка полного продукта займет несколь-
ко часов. Таким образом, скорость работы сборщиков должна
быть не меньше 20 000 атомов в секунду. Конечно, ломать не-
строить, но, как мы уже писали, современный атомный томо-
граф разбирает поверхность с такой же скоростью, успевая за-
писывать параметры каждого атома. Предполагается, что пер-
вые примитивные нанофабрики смогут строить предметы на
основе алмазоида, благодаря относительной легкости образова-
ния ковалентных связей между атомами углерода. Теоретиче-
ские расчеты показывают, что создание алмазоидных поверхно-
стей и структур методами механосинтеза вполне осуществимо.
Необходимо только иметь поагомное описание вещи, которую
надо собрать (оно должно включать как взаимное расположение
атомов и их типы, гак и химические связи между атомами).
Чтобы выпускать продукт в больших количествах, производ-
ство должно быть автоматизировано и поставлено на поток. Ес-
ли на сегодняшний день НЭМС-системы изготавливаются долго
и с большим трудом, то нанофабрика значительно облегчит их
производство и тиражирование. Также нанофабрика сможет де-
лать свои копии, т. е. реплицироваться. Ну а как же сделать са-
му нанофабрику, состоящую из триллионов отдельных фабри-
каторов? Построить нанофабрику с помощью одного фабрика-
тора будет сложновато. Скорее всего, несколько фабрикаторов
обьединят в блоки минифабрик, которые соберут фабрику но-
больше, и так до тех пор, пока это производство не достигнет
макроскопического уровня. Результатом этого «производствен-
ного роста» и будет искомая нанофабрика. На первый взгляд,
идея саморепликации механизмов, пусть даже молекулярных,
вызывает некоторое недоверие - как такое возможно? Но при-
рода создала множество разнообразных «репликаторов» (ДНК,
вирусы, животные), а последние исследования НАСА (Нацио-
нального аэрокосмического агентства США) показали, что ис-
кусственные машины, делающие свои копии, могут быть не
сложнее, чем существующий чип Реппшп IV. Компания Степега!
Нупаш1С8 совместно с НАСА провела исследования возможно-
сти постройки реплицирующихся клеточных автоматов. Мате-
матическое моделирование этих систем продемонстрировало
возможность постройки репликаторов вообще и нанореплика-
торов в частности. Интерес НАСА к репликаторам объясняется
просто: для освоения Луны и тем более Марса потребуется
огромное количество оборудования и рабочих рук - даже боль-
ше, чем люди использовали для освоения Земли (другие плане-
ты ведь надо еще терраформировать - переделать атмосферу,
построить дороги и т. п.). Запускать туда миллионы кос-
мических кораблей с миллиардами тонн грузов нереально и до-
рого. Зато небольшая команда макроскопических роботов-
репликаторов весом всего 20 тонн сможет размножиться и са-
мостоятельно построить все необходимые рудники, электро-
станции, заводы и фабрики. Для участия в этом проекте НАСА,
кстати, пригласила Роберта Фрайтаса - известного специалиста
по нанороботам. А самих репликаторов придумал в 1960-х ос-
нователь кибернетики фон Нейман, правда, только в теории -
тогда никто не ожидал, что вскоре они вплотную приблизятся к
реальности. По предварительным расчетам, построение первого
репликатора займет около 1015 лет. Нанофабрика будет иметь
блочную конструкцию, чтобы можно было легко сделать ее ко-
пию с помощью другой нанофабрики. Блочная система также
будет удобна для производства различных компонентов НЭМС-
систем, нанокомпьютеров и нанороботов. Каждый фабрикатор
должен быть способен произвести наноблок размерами
200x200x200 нанометров. Эта структура принимается К. Фе-
никсом как элементарный «кирпичик» нанофабрики. Подобный
наноблок может содержать нанокомпьютер (механический или
квантовый) или системы привода нанофабрики, генераторы,
части конвейеров и наноманипуляторов. Для изготовления од-
ного такого наноблока фабрикатору понадобится несколько ча-
сов. По теоретическим расчетам Криса Феникса, одна готовая
нанофабрика сможет всего за два дня произвести свою точную
копию. На первый взгляд - долго. Но посмотрим, сколько пона-
добится дней, что бы каждый житель земли получил в подарок
по нанофабрике, при условии, что каждая вновь произведенная
фабрика начинает в гот же момент строить свои копии.

1.4.	Разработка нановеществ и наномашины

Разработка наноструктурированных веществ

В настоящее время ученые используют два основных под-
хода для получения наноструктурированных веществ: разработ-
ка «снизу вверх» и «сверху вниз». Как можно догадаться, пер-
вый подразумевает сборку наноматериалов из отдельных ато-
мов, а второй, наоборот, основан на дроблении более крупных
агрегатов (рис. 1.30).

Рис. 1.30. Разработка «сверху вниз» и «снизу вверх»

Оба подхода имеют свои недостатки. Если в случае разра-
ботки «снизу вверх» главной проблемой будет неупорядоченная
организация получаемых частиц, то подход «сверху вниз» обес-
печивает высокую точность, но очень трудозатратен. Поэтому
в настоящее время внимание большого количества ученых
направлено на изучение управляемой самоорганизации наноча-
стиц. Особенно большие надежды связывают с разработкой
принципов неравновесной самоорганизации. А это не что иное,
как принцип устройства живых организмов. Нужно признать,
что в создании наноструктур и наномеханизмов природа все
еще далеко впереди нас.

В природе на наноуровне, то есть на уровне атомов и моле-
кул, происходит множество процессов. Нанотехнологии - это
современные разработки на микроуровне. В мире появилось
много самых удивительных изобретений в этой сфере.

Наномашины - это адресный инструмент для работы
в наномире, это устройства, позволяющие манипулировать оди-
ночными атомами и молекулами (рис. 1.31). До недавнего вре-
мени только природа могла создавать их и управлять ими.
Мы в шаге от того дня, когда тоже сможем делать это.

Рис. 1.31. Наномашины

Что могут наномашины? Возьмем, к примеру, химию. Син-
тез химических соединений основан на том, что мы создаем не-
обходимые условия для протекания химической реакции. В ре-
зультате на выходе имеем некое вещество. В будущем химиче-
ские соединения можно будет создать, условно говоря, механи-
ческим путем. Наномашины смогут соединять и разъединять
отдельные атомы и молекулы. В результате будут образовы-
ваться химические связи или, наоборот, имеющиеся связи будут
рваться. Наномашины-строители смогут создавать из атомов
нужные нам молекулярные конструкции. Нанороботы-химики -
синтезировать химические соединения. Это прорыв в создании
материалов с заданными свойствами. Одновременно это прорыв
в деле защиты окружающей среды. Несложно предположить,
что наномашины - прекрасный инструмент для переработки
отходов, которые в обычных условиях сложно поддаются ути-
лизации. Тем более если говорить о наноматериалах. Ведь чем
дальше заходит технический прогресс, тем сложнее окружаю-
щей среде справляться с его результатами. Слишком долго про-
исходит разложение в природной среде новых материалов, при-
думанных человеком. Всем известно, как долго разлагаются
выброшенные пластиковые пакеты - продукт предыдущей
научно-технической революции. Что будет с наноматериалами,
которые рано или поздно окажутся мусором? Их переработкой
должны будут заняться те же наномашины (рис. 1.32).

Рис. 1.32. Наномашина с фуллереновыми колесами

Ученые давно уже говорят о механосинтезе. Это химиче-
ский синтез, который осуществляется благодаря механическим
системам. Его преимущество видится в том, что он позволит
позиционировать реагирующие вещества с высокой степенью
точности. Вот только пока не существует инструмента, который
позволил бы эффективно осуществлять его. Конечно, такими
инструментами могут выступать существующие сегодня атом-
но-силовые микроскопы. Да, они позволяют не только загля-
нуть в наномир, но и оперировать атомами. Но они как объекты
макромира не лучшим образом подходят для массового приме-
нения технологии, чего нельзя сказать о наномашинах. В буду-
щем на их основе будут создавать целые молекулярные конвей-
еры и нанофабрики.

Но уже сейчас имеются целые биологические нанофабрики.
Они существуют в нас и во всех живых организмах. Вот поэто-
му от нанотехнологий ожидают прорывов в медицине, биотех-
нологиях и генетике. Создав искусственные наномашины и
внедрив их в живые клетки, мы можем добиться впечатляющих
результатов. Во-первых, наномашины могут быть использованы
для адресной переноски лекарственных препаратов к нужному
органу. Нам не придется принимать лекарство, понимая,
что только часть его попадет к больному органу. Во-вторых,
уже сейчас наномашины берут на себя функции редактирова-
ния генома. Технология СК18РВ/Са89, подсмотренная у приро-
ды, позволяет вносить изменения в геном как одноклеточных,
так и высших организмов, и в том числе человека. Причем речь
идет не только о редактировании генома эмбрионов, но и гено-
ма живых взрослых организмов. И займутся всем этим нанома-
шины.

Группа исследователей из университета Гронингена в Ни-
дерландах и Швейцарской научно-исследовательской лаборато-
рии материаловедения и технологии создала прототип нанораз-
мерного «авто», представляющего собой большую молекулу,
с четырьмя симметричными элементами, которые играют роль
колес. Топливом ему служит электрический заряд, поступаю-
щий от щупа электронного микроскопа.

Наномашина размерами 4 на 2 нанометра помещается на
медную подложку и подзаряжается током от расположенного
над ним щупа электронного микроскопа каждые пол-оборота
«колес». Стекающие со щупа электроны вызывают структурные
изменения в моторных элементах молекулы и заставляют их
вращаться. Вращаются они только в одну сторону, так что зад-
него хода у наномобиля нет.
ГЛАВА 2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА
И НАНОТЕХНОЛОГИИ

В ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ТЕХНИКЕ

2.1.	Наноэлектроника

Уже в начале нашего века появились серьезные преграды
на пути развития электроники. Прежде всего, это касается роста
степени интехрации и быстродействия ИС. Планарная техноло-
гия приближается к фундаментальным пределам, определяемым
самой природой. Ведущие производители ИС уверенно осваи-
вают технологию 90 нм. Казалось бы, «еще немного, еще чуть-
чуть», и будет технология в 50 нм, но... в силу вступают кван-
товые законы и эффекты. Например, пробел между проводящи-
ми дорожками шириной 50 нм будет насквозь «простреливать-
ся» в поперечном направлении электронами за счет туннельного
эффекта. Другие проблемы - отвод тепла, выделяемого элемен-
тами ИС, сверхплотно расположенными в микрообъеме кри-
сталла, а также уровень собственных шумов, равный полезному
сигналу или превышающий его. В связи с этим рассматривают-
ся различные пути преодоления трудностей, связанных с нано-
метровыми масштабами. Один из возможных путей дальнейше-
го прогресса - разработка миниатюрных интегральных
устройств, в которых роль электронов частично или полностью
передана фотонам. Это должно привести к созданию вычисли-
тельной техники, превосходящей по быстродействию и инфор-
мационной емкости современные электронные устройства. Для
реализации приборов с квантовой связью или устройств оптиче-
ской обработки информации могут быть использованы кванто-
вые плоскости на основе множества чередующихся сверхтонких
(толщиной в один атом) полупроводниковых пленок. Замена
электронов на фо гоны породило новое направление в электро-
нике - нано-фотонику. Союз магнитных полупроводников с фо-
тоникой позволит создать запоминающие устройства на ядрах
атомов. А благодаря интеграции традиционных составных ча-
стей компьютера на одном магнитнополупроводниковом опти-
ческом чипе мы получим сверхбыстрые и сверхэффективные
нанокомпьютеры и другие устройства обработки, передачи и
хранения данных. Свою лепту в повышение быстродействия
внесет также отказ от необходимости изменять способ пред-
ставления информации в памяти, процессоре, канале передачи
данных. Использование на чипе магнитооптоэлектронных
структур позволит изготавливать очень быстрые переключатели
и коммутаторы сигналов, способные работать на частотах в не-
сколько терагерц. Следует также отметить, что магнитооптиче-
ские полупроводники дадут возможность осуществлять прямое
преобразование квантовой информации из электронного пред-
ставления в оптическое и обратно минуя процесс детектирова-
ния. Еще одна альтернатива - углеродная наноэлектроника, где
ведущая роль принадлежит уже знакомым нам углеродным
нанотрубкам. Одним из уникальнейших свойств нанотрубок
является возможность управления их физикохимическими
свойствами посредством изменения хиральности - скрученно-
сти решетки относительно продольной оси. Всего лишь пра-
вильно изогнув нанотрубку в нужном месте, можно с легкостью
получить проволоку нанометрового диаметра как с металличе-
ским, так и с полупроводниковым типом проводимости.
При этом соединение двух таких нанотрубок образует диод, а
трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пла-
стины, - канал нанотранзистора. Идет производство 65 нм чи-
пов. Такие наноэлектронные устройства уже созданы и доказа-
ли свою работоспособность. 8атьип§ намерен применить нано-
и биотехнологии в мобильных телефонах для передачи сигнала
нейронам и считывания эмоций. РЫйрз делает энергонезависи-
мую наноэлектронную память. Исследователям из японского
Национального Института материаловедения удалось перенести
старую технологию механоэлектрических выключателей на
квантовый уровень. Они создали миниатюрный механический
выключатель, подобный тем, которые по сей день используется
во многих бытовых приборах. Принцип работы выключателя
прост - при подаче напряжения на устройство между двумя
нанопроводниками возникает или распадается мостик из сереб-
ра, который выполняет роль проводника. Длина мостика, ио
которому протекает ток, - всего 1 нанометр. На отрезке дли-
ной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Тран-
зистор, изготовленный на основе этого ключа, будет вдесятеро
меньше транзистора, используемого в процессоре Репйшп IV.
Поэтому наноэлектроника на основе новых квантовых переклю-
чателей может вытеснить современную уже через 10-15 лет.
Е отличие от обычных механоэлектрических переключателей,
у наноаналога нет движущихся механических частей. Перемыч-
ка из серебра возникает между шинами просто от подачи на них
напряжения. Мостик, состоящий из атомов серебра, формирует-
ся, когда между шинами возникает небольшая положительная
разность потенциалов А когда это напряжение меняет знак, мо-
стик разрушается (рис. 2.1).

Прототип, изготовленный учеными, переключается с ча-
стотой около 1 мегагерц (или миллион раз в секунду) при раз-
нице потенциалов между шинами 0,6 В. Частота переключений
устройства связана с толщиной шин, если их еще уменьшить, то
можно достичь частоты в 1 гигагерц. Этот частотный предел

использует современная электроника.

Рис. 2.1. Матрица квантовых наноключей

Расскажем, как происходит формирование серебряного мо-
стика. Весь секрет состоит в составе нанопроводников - шин.
Один проводник состоит из сульфида серебра, покрытого тон-
ким слоем чистого серебра. Второй - из платины, гоже покры-
той чистым серебром. При возникновении между шинами по-
ложительной разности потенциалов атомы серебра «собирают-
ся» в мостик длиной 1 нанометр, а при изменении знака напря-
жения мостик разрушается, и атомы возвращаются в прежнее
состояние. Преимущество нового ключа состоит в том, что бла-
годаря конструкции устройства емкость памяти на его основе
будет больше той, которая существует сейчас. Если же исполь-
зовать каждый ключ в качестве элемента памяти, то емкость
одного слоя составит 2,5 гигабит на квадратный сантиметр, в то
время как самые «сверхплотные» чипы памяти характеризуются
емкостью в 1 гигабит на квадратный сантиметр. То, что новое
устройство работает по законам квантовой физики, позволяет
создавать на его основе многобитную намять. Как известно,
в квантовой физике различные энергетические состояния кван-
туются, принимая определенные дискретные состояния. Иссле-
дователи смогли сконструировать логические ячейки И, ИЛИ
и ИЛИ-НЕ на основе нового ключа. Все логические устройства
показали хорошие рабочие характеристики. Теперь ученые раз-
рабатывают методы серийного производства матрицы кванто-
вых ключей. Компания ИР объявила стратегию наноэлектрони-
ки, основанную на подобных молекулярных ключах. Эта стра-
тегия приведет к массовому производству многослойной нано-
электроники. Руководство компании объявило, что хочет сде-
лать производство нанокомпьютеров главным направлением
бизнеса компании. Наиболее революционные достижения нано-
электроники приближаются к квантовым пределам, установ-
ленным самой природой. Основу таких устройств составляет,
например, работа одного электрона, имеющего два дискретных
спиновых состояния. На этой основе можно было бы построить
квантовый компьютер, ведь для оперирования в двоичной си-
стеме исчисления достаточно реализовать элементы, способные
иметь два устойчивых, стабильных во времени состояния,
условно соответствующих логическим «О» и «1», и допускать
достаточно быстрые переключения между ними. Такие функции
может выполнять электрон в двухуровневой системе (например,
в двухатомной молекуле - переход с одного атома на другой).
Другая возможность - переориентировать спин электрона из
одного устойчивого состояния в другое с помощью, например,
воздействия на него электромагнитного поля (этими исследова-
ниями занимается научное направление спинтроника). Магнит-
ним спином обладают не только электроны, но и некоторые
другие элементарные частицы, а также ядра атомов. В наше
время спинтроника изучает магнитные и магнитооптические
взаимодействия в полупроводниковых структурах, динамику
и когерентные свойства спинов в конденсированных средах,
а также квантовые магнитные явления в структурах нанометро-
вого размера. В обычной твердотельной микроэлектронике ин-
формация представляется с помощью электрического заряда.
Состояние магнитного момента при этом не задано - собствен-
ные моменты частиц ориентированы хаотично (рис. 2.2, а).
0^3	ффф

а	б

Рис. 2.2. Возможные направления ориентация спинов:
а - собственные моменты частиц ориентированы хаотично;
б - собственные моменты частиц ориентированы
с помощью магнитного момента квантовых частиц

Спинтроника же использует дополнительную возможность
представления информации с помощью магнитного момента
квантовых частиц (рис. 2.2, б). Одно из явлений спинтроники,
названное гигантским магнитным сопротивлением (6МВ),
в конце 1990-х было использовано в магнитных головках жест-
ких дисков. В результате емкость дисков за пять лет выросла в
сто раз! В будущем развитие спинтроники сулит производство
компьютеров с быстродействием порядка 1 ТГц (1012 операций
в секунду), плотность записи информации порядка 10 Тбит/см2,
что на много порядков выше, чем сегодня. При такой плотности
записи на диске размером с наручные часы можно было бы раз-
местить базу данных, включающую фотографии, отпечатки
пальцев, медицинские карты и биографии абсолютно всех жи-
телей Земли!

Третье перспективное направление развития нанотехни-
ки, - переход, как это ни кажется парадоксальным, от электрон-
ных устройств к механическим компьютерам. Обычный меха-
нический компьютер с элементами макроскопического масшта-
ба, разумеется, очень громоздок и работает чрезвычайно мед-
ленно Однако с компонентами размером в несколько атомов
такой механический компьютер оказался бы в миллиарды раз
компактней современной микроэлектроники. И хотя механиче-
ские сигналы передаются в 100 тыс. раз медленнее, им нужно
было бы «преодолевать» путь в 1 млн раз меньший, чем элек-
тронам в современных микросхемах. Поэтому простой механи-
ческий нанокомльютер был бы более быстродействующим.
Прототип такого устройства уже существует. Компанией 1ВМ
создана удивительная «многоножка», которая стала первым
квантовым коммерческим устройством хранения данных.
Устройство состоит из записывающей матрицы манипуляторов
и среды хранения информации. Устройство состоит из матрицы,
включающей в себя 4096 «ножек», выполненных как устройства
чтения/записи (подобные «ножки» кантилеверы используются
сейчас в электронных и атомносиловых микроскопах) (рис. 2.3).
«Многоножка» не простой жесткий диск, где головки не прика-
саются к магнитной поверхности, она представляет собой «чи-
стую» цифровую технологию. Принцип ее работы можно срав-
нить с работой старых проигрывателей граммпластинок, в кото-
рых считывающая вибрирующая игла скользила по борозде,
несущей информацию, только у «многоножки» есть ряд канти-
леверов, которые скользят но поверхности хранения данных, на
которой есть углубления, кодирующие «1» и «0». Таким образом,
отклонения кантилеверов от равновесного положения переводят-
ся в набор «0» и «1». Ведутся исследования и в области биоэлек-
троники. В отличие от обычных, биологические компьютеры мо-
гут выполнять одновременно не одну, а много программ.

Рис. 2.3. «Многоножка» под оптическим микроскопом
2.2.	Нанотехнология в полупроводниковой технике

Пожалуй, наиболее масштабно современные нанотехноло-
гии применяются в электронике. Именно благодаря им каждый
из нас имеет возможность пользоваться мощными компьютера-
ми и ноутбуками, а потенциал карманных смартфонов уже дав-
но превзошел вычислительные возможности любых компьюте-
ров 90-х годов. Если раньше размер транзисторов, необходимых
для производства любой электроники, измерялся в миллиметрах
и микрометрах, то в XXI в. этот показатель удалось снизить в
сотни раз, а самые маленькие современные транзисторы изго-
тавливаются размером в 10...20 нм и содержат считанное коли-
чество атомов. Благодаря этому в процессоры (такие как 1п1е117
и др.) их помещается больше миллиарда, и с каждым новым го-
дом этот масштаб применения нанотехнологий в электронике
только увеличивается.

Лидерами в области наноэлектроники, и электроники во-
обще, сегодня являются Тайвань, Южная Корея, Сингапур,
Китай, Германия, Англия и Франция.

Самую современную электронику производят сегодня
в США, а самый массовый производитель высокотехнологич-
ной электроники - Тайвань, благодаря инвестициям японских
и американских компаний.

Китай - традиционный лидер в сфере бюджетной электро-
ники, но и здесь ситуация постепенно меняется: дешевая рабо-
чая сила привлекает инвесторов от высокотехнологичных ком-
паний, которые планируют наладить в Китае свои нанопроиз-
водства.

Хороший потенциал есть и у России. База в области СВЧ,
излучательных структур, фотоприемников, солнечных батарей
и силовой электроники позволяет в принципе создавать науко-
грады наноэлектроники и развивать их.

Этот потенциал требует экономических условий и органи-
зации для проведения фундаментальных исследований и науч-
ных разработок. Все остальное есть: технологическая база, пер-
спективные кадры и научная квалифицированная среда. Необ-
ходимы лишь крупные инвестиции.
Что такое наноэлектроника?

Область электроники, занимающаяся разработкой техноло-
гических и физических основ построения интегральных элек-
тронных схем с размерами элементов менее 100 нанометров,
называется наноэлектроникой. Сам термин наноэлектроника
отражает переход от микроэлектроники современных полупро-
водников, где размеры элементов измеряются единицами мик-
рометров, к более мелким элементам - с размерами в десятки
нанометров. Вся история электроники - стремление к уменьше-
нию размеров, увеличению быстродействия и массовость про-
изводства. Этим тенденциям она будет следовать постоянно.

Как утверждают производители микросхем, они давно уже
находятся в области нанотехнологий, поскольку имеют дело
с малоразмерной литографией и т. п. Иначе говоря, для них
нанотехнологии - это обычная эволюция размеров в сторону
уменьшения до наноразмеров, не более того.

Второй подход связан с длиной волны - как порог перехо-
да к нанообласти. Например, если размеры частиц становятся
сравнимыми с длиной волны фотона (кванта колебательной
энергии), в ней могут возникать новые режимы передачи тепла
и электричества.

В третьем переход в нанообласть связан с качественным
изменением свойств материалов. Например, углеродные нано-
грубки (графены) резко отличаются от обычных представлений о
физико-механических свойствах электротехнических материа-
лов - переход в нанообласть резко меняет качественные харак-
теристики материалов.

Можно полагать, что для понятия нанотехнология еще не
существует исчерпывающего определения, но по аналогии с
существующими ныне микротехнологиями следует иметь вви-
ду, что нанотехнологии - это технологии, оперирующие вели-
чинами порядка нанометра. Это ничтожно малая величина,
в сотни раз меньшая длины волны видимого света и сопоста-
вимая с размерами атомов. Поэтому переход от «микро»
к «нано» - это уже не количественный, а качественный пере-
ход - скачок от манипуляции веществом к манипуляции от-
дельными атомами.
Новые эффекты нанотехнологий связаны не только с
уменьшением размеров компонентов систем. Благодаря более
малым размерам ученые надеются выйти на новый качествен-
ный уровень полупроводниковой электроники и создать совер-
шенно новые поколения процессоров.

На мономолекулярном уровне нанотехнологии позволяют
получать качественно новые результаты:

-	например, разбивка сплошного материала на наночасти-
цы увеличивает общую площадь поверхности в миллио-
ны раз. Большая площадь поверхности означает увели-
ченную реактивную способность;

-	наноматериалы плавятся, воспламеняются и абсорбиру-
ют гораздо легче, чем их сплошные массивные аналоги.
Например, массивный брусок золота является химиче-
ски инертным, а золотое нанокольцо действует как ката-
лизатор,

-	бессвинцовые припои могут плавиться при меньших
температурах за счет введения в них определенных на-
ночастиц;

-	некоторые наноматериалы с уменьшением размеров
(менее длины волны видимою света) становятся про-
зрачными. Благодаря этому эффекту ученые научились
передавать свет через такие непрозрачные материалы,
как, например, кремний;

-	другие материалы становятся чрезвычайно прочными.
Например, углеродные нанотрубки обладают очень вы-
сокой прочностью и гибкостью, поскольку их атомарная
структура - это структура алмаза.

Таким образом, развитие электроники в современном мире
идет по пути уменьшения размеров электронных устройств. Се-
годня классические методы производства электроники подошли
к своему экономическому и технологическому барьеру. Сегодня
размер устройств уже уменьшается незначительно, а экономиче-
ские затраты на их производство возрастают экспоненциально.

Нанотехнология становится следующим логическим шагом
в развитии электроники и иных наукоемких производств. Нано-
технология - это логическое продолжение и развитие микро-
технологий. Микротехнология стала в свое время основой для
создания современной микроэлектроники, представленной ком-
пьютерами, сотовыми телефонами и т. д., которая неузнаваемо
изменила мир и человека. Также сильно способны изменить мир
и нанотехнологии.

Сегодня в нанотехнологиях управление атомами стало воз-
можным только с помощью лазерного луча. Уже используется
недорогой и простой метод объединения наночастиц в более
крупные структуры с управлением лазером. Метод оптически
направленной сборки позволяет собирать из наночастиц более
крупные структуры произвольной формы.

Технологии манипулирования веществом на молекулярном
уровне затронули все отрасли промышленности. Не избежала
этого и электроника, в первую очередь, технологии создания
микропроцессоров и интегральных схем. Ведущие страны вкла-
дывают значительные средства в развитие данной сферы. Даль-
нейшее развитие микроэлектроники в наши дни немыслимо без
использования нанотехнологий. Одним из наиболее очевидных
направлений в наноэлектронике является дальнейшее уменьше-
ние электронных микросхем.

Согласно закономерности Мура, количество транзисторов
на кристалл будет удваиваться каждые полтора года, и чтобы
это происходило, необходимо создавать полупроводники на
атомарном уровне.

Нанотехнологии требуют огромных вычислительных мощ-
ностей для моделирования поведения атомов, высокоточных
электрических и механических приспособлений для упорядочи-
вания атомов и молекул различных материалов в новом поряд-
ке. Так создается новая материя. Впервые при помощи нанотех-
нологий создаются материалы с новыми, полезными для чело-
века свойствами. Это прозрачный, гибкий материал, который
обладает твердостью стали и легкостью пластика; пластиковое
гибкое покрытие, которое представляет собой солнечную бата-
рею; материал для электродов электрических батарей, которые
в сотни раз сильнее батареи обычной. Нанотехнологии позво-
ляют создавать легкие и очень гибкие строительные и кон-
структивные материалы; фильтры для воздуха и воды, облада-
ющие высокой эффективностью; лекарства и косметику, кото-
рые действуют на более глубоком уровне. Следует отметить,
что на сегодняшний день нанотехнологические материалы стоят
достаточно дорого, но массовое производство способно приве-
сти к резкому снижению цен.

С переходом к наноразмерам, в схемах начинают домини-
ровать квантовые эффекты, открывающие множество новых
свойств, и, соответственно, знаменующие собой перспективы их
полезного использования. И если для микроэлектроники кван-
товые эффекты зачастую оставались паразитными, ведь, напри-
мер. с уменьшением размера транзистора его работе начинает
мешать туннельный эффект, то наноэлектроника напротив -
призвана использовать подобные эффекты как основу для нано-
гетероструктурной электроники.

Каждый из нас ежедневно пользуется электроникой, и
наверняка многие люди уже замечают некоторые однозначные
тенденции. Память в компьютерах увеличивается, процессоры
становятся производительнее, размеры устройств уменьшается.

С чем это связано?

С уменьшением размеров разных устройств.

В первую очередь - с изменением физических размеров
элементов микросхем, из которых все электронные устройства
по сути и строятся. Хоть физика процессов остается на сего-
дняшний день приблизительно такой же, размеры устройств
становятся все меньше и меньше. Крупный полупроводнико-
вый прибор работает медленнее и потребляет больше энергии,
а наногранзистор работает быстрее, и энергии потребляет
меньше.

Известно, что все вещественные тела состоят из атомов.
И почему бы электронике не достичь атомного масштаба? Эта
новая область электроники позволит решать такие задачи, кото-
рые на обычной кремниевой базе просто принципиально невоз-
можно решить.

Собственно говоря, нанотехнологии в электронике приме-
няются уже не первый год, просто мы не задумываемся об этом.
В 2007 году компания 1ше1 заявила о разработке процессора,
наименьший структурный элемент которото составлял 45 нм.
В дальнейшем компания намерена достичь размеров структур-
ных элементов до 5 нм.

С этим размером сейчас также работает конкурент 1Ше1,
компания АМО. Компания 1ВМ в 2010 году заявляла, что скоро
перейдет на размер 32 нм, и, согласно открытым данным, рабо-
чие образцы процессоров с транзисторами размером 32 нм и
даже опытные образцы на 22 нм уже существуют. Пределом
умень-шения кремниевых транзисторов становится размер
в 10-11 нанометров, после чего уменьшение усложняет кон-
троль за движением электронов внутри кремниевого канала.

Развитие современной полупроводниковой электроники и
переход к наноэлектронике связаны с использованием полупро-
водниковых наноматериалов и нанотехнологий. Ожидается, что
их применение в наноэлектронике приведет к созданию нано-
структурных микропроцессоров, мультитерабитных схем памя-
ти, увеличению пропускной способности схем памяти, появле-
нию нового поколения роботизированных систем, новые воз-
можности предоставятся при объединении устройств наноэлек-
троники с наноструктурными сенсорами и т. д. Развитие нано-
электроники предусматривает использование достижениях фи-
зики квантоворазмерных систем и включает применение нано-
технологий, которые обладают атомной точностью при получе-
нии полупроводниковых наноструктур с необходимым химиче-
ским составом и конфигурацией и включают методы комплекс-
ной диагностики наноструктур, в том числе контроль в процессе
изготовления и управление на этой основе технологическими
процессами. Можно рассмотреть перспективы развития различ-
ных областей наноэлектроники и возможности применение
нанотехнологий для решения основных задач современной по-
лупроводниковой электроники.

До некоторого времени считалось, что для создания какого-
либо устройства нужно произвести детали, а потом их собрать.
Свойства прибора определялись размером и формой его дета-
лей. Это касалось всего без исключения, пока не придумали по-
лупроводниковые приборы, которые постепенно заменили,
например, триоды на транзисторы. Разница заключается в том,
что полупроводниковые приборы делаются не из деталей, а из
отдельных слоев. Эти слои образуют так называемые полупро-
водниковые гетероструктуры - структуры из полупроводников,
различающихся «шириной запрещенной зоны», из которых де-
лают транзисторы. Если посмотреть на такую структуру нево-
оруженным глазом, мы ничего не поймем: то ли это один про-
водник, то ли его слои чуть-чуть отличаются. За гетерострукту-
ры в 2000 году Жорес Алферов получил Нобелевскую премию.
Он поделил ее с американским коллегой Джоном Килби, кото-
рый еще в 50-х годах придумал, что одну полупроводниковую
пластину можно использовать для изготовления сразу несколь-
ких устройств. Жорес Алферов сделал целых два транзистора,
несколько резисторов и конденсаторов на одном куске полу-
проводника. Таким образом, у него получилась первая в мире
микросхема радиоприемника. Со временем плотность «упаков-
ки» транзисторов становилась все больше, сейчас на одной по-
лупроводниковой пластине их может быть десятки и сотни
миллиардов. Именно благодаря этому мы можем очень быстро
обрабатывать информацию на компьютерах, лазать по интерне-
ту или пользоваться высокоскоростной связью.

Сейчас происходит аналогичная революция, правда в обла-
сти использования света. Например, все мы пользуемся лампами
накаливания, хотя знаем, что они очень неэффективны, потому
что светятся благодаря раскаленному кусочку металла. Соответ-
ственно, большая часть излучения этих лампочек находится
в инфракрасной области, которую мы не воспринимаем зрением.

Большой интерес вызывает сейчас графен и подобные ему
монослойные материалы. Такие материалы в один атом толщи-
ной обладают замечательными свойствами, которые можно
комбинировать для создания различных электронных схем.

Нанотехнологии в электронике получили мощный импульс
за счет использования углеродных нанотрубок.

Углеродные нанотрубки не только могут преодолеть барьер
уменьшения транзисторов, но и придать электронным схемам
революционные механические и оптические свойства, или, го-
воря простым языком, сделать электронику гибкой и прозрач-
ной. Даже на современном этапе развития нанотехнология поз-
воляет изготавливать гибкие пластиковые экраны толщиной с
бумажный лист и высокой яркостью; компактную электронику
на базе соединений углерода, обладающую размерами и энерго-
емкостью значительно ниже современных.

Нанотрубки более подвижны и не задерживают свет в тон-
ком слое, так что опытные матрицы с интегральными схемами
можно изгибать без потери электронных свойств. Оптимисты
предсказывают, что не за горами день, когда ноутбук можно
будет носить в заднем кармане джинсов, потом, сев на скамей-
ку, развернуть до размера газеты, причем вся его поверхность
станет экраном высокого разрешения, а после этого снова свер-
нуть и, скажем, превратить в браслет на запястье.

Плазмотроника

Не обошла наноэлектроника и плазмотронику. В начале
2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изго-
товления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию но-
вой области нанотехнологии - наноплазмонике.

Выяснилось, что электромагнитное излучение можно пере-
давать вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью
возбуждения плазмонных колебаний (плазмоны представляют
собой коллективные колебания свободных электронов в метал-
ле) (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Плазмоны
Плазмоны - коллективные колебания свободных электро-
нов внутри металла. Характерной особенностью возбуждения
плазмонов можно считать так называемый плазмонный резо-
нанс. Длина волны плазмонного резонанса порядка 400 нм.
Длина волны плазмонного резонанса, например, для сфериче-
ской частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно
400 нм, что указывает на возможность регистрации наночастиц
далеко за границами дифракционного предела (длина волны
излучения много больше размеров частицы). И развитие нано-
плазмоники, можно считать, началось в 2000 году, когда уско-
рился прогресс в совершенствовании технологии создания на-
ночастиц.

Так электромагнитную волну можно передавать вдоль це-
почки металлических наночастиц, возбуждая плазмонные ос-
цилляции, то такая технология позволит внедрить в компьютер-
ную технику логические цепочки, способные работать намного
быстрее и пропускать больше информации, чем традиционные
оптические системы, причем размеры систем будут значительно
меньше принятых оптических. Эта технология может стать за-
меной традиционных технологий, используемых в современных
компьютерах.

Квантовомеханический эффект сверхвысокого магнитного
сопротивления

Еще одна перспектива для приложения нанотехнологий и
применения наноматериалов - разработка и создание жестких
дисков нового поколения. Альберт Ферт и Питер Грюнберг
в 2007 году получили нобелевскую премию за открытие кванто-
вомеханического эффекта сверхвысокого магнитного сопротив-
ления (СМК-эффекта).

Толщина нанослоев достаточно мала, чтобы обменное вза-
имодействие действовало не только внутри каждого магнитного
нанослоя Ре, но и между слоями, разделенными проводящим
нанослоем Сг.

При этом был обнаружен эффект гигантского магнитосо-
противления (ГМС).

На рис. 2.5 представлена магнитная сверхрешетка с чере-
дующимися нанослоями Ре и Сг.
Рис. 2.5. Магнитная сверхрешетка с чередующимися нанослоями Ее и Сг.
а - в отсутствии магнитного поля; б - при большом по величине поле

Электрическое сопротивление поперек такой сверхрешетки
зависит от относительного направления намагниченности
соседних магнитных слоев. Изменить направление намагничен-
ности можно за счет приложения внешнего магнитного поля
(рис. 2.6).

Рис. 2.6. Эффект сверхвысокого магнитного сопротивления

Разница между сопротивлениями структуры при парал-
лельном и антинараллельном направлении намагниченности в
соседних слоях называется ГМС-соотношением. В используе-
мых в настоящее время структурах при комнатных температу-
рах эффект составляет 20 и более процентов. Причина ГМС-
эффекта заключается в разной степени рассеяния электронов со
спинами, направленными по и против направления намагничен-
ности. Величина ГМС-соотношения зависит от материалов сло-
ев, их количества, температуры.

Именно применение эффекта ГМС позволило за несколько
последних лет резко увеличить информационную плотность
жестких дисков и открыло возможности создания новых видов
магнитной операционной памяти. В конце 90-х гг. емкость
жесткого диска составляла в среднем 20 Гбайт при плотности
записи информации около 4,1 Гбайт/кв. дюйм, а сегодня ем-
кость жестких дисков возросла до сотен Гбайт, а плотность за-
писи достигла 100 и более Гбайт/кв. дюйм.

Информация на современном жестком диске заключена в
доменной структуре. Считывающая головка содержит ГМС-
структуру, в которой один магнитный слой имеет постоянную
намагниченность, другой магнитный слой, контактирующий с
диском, - меняет намагниченность в зависимости от тою,
как намагничен домен, т. е. какая на нем записана информация
(«да» или «нет»). Между ними нанослой полупроводника. Элек-
трический ток в ГМС-структуре реагирует на перемену намаг-
ниченности в гом же двоичном коде.

Завтрашние микросхемы - системы нанотранзисторов

Ученые из Университета штата Иллинойс (США) создали
биполярный транзистор, который способен работать с частотой
600 ГГц. Они предполагают в скором времени создать транзи-
стор, который сможет преодолеть терагерцовый барьер и стать
основой для высокоскоростных вычислений. Имея меньший
размер, терагерповый нанонроиессор будет содержать в 25 раз
больше транзисторов, работать в 25 раз быстрее и потреблять
меньше энергии, чем чип РспШт-4. Компания 1п1е1 планирует
создать такой чип на основе нанотразисторов. Полевой транзи-
стор на основе фосфида индия и арсенида галлия содержит кол-
лектор, базу и эмиттер. Именно на таком транзисторе ученым
удалось получить частоту 604 ГГц и славу создателей самого
быстрого транзистора в мире.

Работающие на высоких скоростях транзисторы переносят
ток высокой плотности и сильно перегреваются, настолько, что
при этом может происходить плавление их отдельных компо-
нентов.

В новых композитных биполярных транзисторах поддер-
живается более низкая плотность тока. С помощью новых мате-
риалов ученые и инженеры стремятся повысить вероятность
успешного создания терагерцового транзистора уже в недале-
ком будущем. Более быстрые транзисторы позволят создать бо-
лее быстрые микропроцессоры, а значит, более мощные компь-
ютеры и эффективные электронные системы для связи, про-
мышленности и армии.

Как все эти достижения связаны с нанотехнологиями?
За последние годы специалисты компании I пГс! научились со-
здавать все более миниатюрные чипы и их компоненты.
В настоящее время отдельные компоненты этих чипов уже вы-
шли за пределы микрометрового диапазона в сторону нанораз-
меров, то есть стали меньше 100 нм. Сейчас ученые и инженеры
компании 1п1е1 планировали перейти рубеж в 20 нм. Это дости-
жение позволит компании 1п1е1 стать самой крупной нанотехно-
логической компанией в мире.

Нанотехнологии и микросистемная техника - это новое
направление в науке и технике, рожденное на стыке нескольких
традиционных направлений: механики и микромеханики, элек-
троники и микроэлектроники. Специалист в области нанотехно-
логий и микросистемной техники занимается разработкой, ис-
следованием и применением электронных устройств с размера-
ми элементов от микрометра до нанометра. Примерами подоб-
ных систем являются сенсоры подушек безопасности в автомо-
билях, микроскопические управляемые зеркала, нашедшие
применение в известных ВБР-проекторах, в том числе для до-
машних кинотеатров. Также это всевозможные датчики различ-
ных физических величин: ускорения, изменения угла поворота
(гироскопы), температуры, микрофоны. Уже сейчас очень мно-
гие люди пользуются датчиками, разработанными специалиста-
ми микросистемной техники (МЕМБ-устройства), хотя боль-
шинство об этом даже не догадывается. В современные сотовые
телефоны встраивают МЕМБ-гироскопы и акселерометры, с
помощью которых, например, можно определить траекторию
перемещения обладателя такого телефона или при транспорти-
ровке ответственных грузов определить - подвергался ли груз
критическим механическим воздействиям, где и в каком месте.

Наногетероструктуры. Прогнозируется, что электроника
еще долгое время будет основываться преимущественно на
гетерострукт) рах.

Соединение двух различных по химическому составу (и с
разной зонной структурой) полупроводников получило назва-
ние гетероперехода. Полупроводниковая структура с несколь-
кими гетеропереходами именуется гетероструктурой (приня-
тое обозначение гетероструктур на основе соединений А и В -
А/В, при этом соединения А и В называют гетеропарой).

Таким образом, гетероструктура представляет собой кри-
сталл, в котором направленно изменяется химический состав и,
соответственно, физические свойства. В итоге получается твер-
дое тело, обладающее совершенно иными свойствами, чем
исходный материал. Если вышеуказанные изменения происхо-
дят в наномасштабах, то говорят о наногетероструктурах.
Ведущим исследовательским центром в области полупроводни-
ковых наноструктур в России является Физико-технический ин-
ститут РАН.

Даже в классических гетероструктурах, где квантово-
размерные эффекты еще не действуют, минимальные изменения
химического состава уже позволяли направлять движение пото-
ков электронов и фотонов в другое русло, что дало возможность
создавать приборы с принципиально новыми свойствами.

Компоненты, основанные на гетероструктурах, использу-
ются почти во всех современных устройствах: в мобильных те-
лефонах и солнечных батареях, в Интернете, светодиодах и т. д.

Гетероструктуры не только служат основой многих совре-
менных устройств и приборов, но и широко используются в фи-
зическом эксперименте, и с их помощью уже сделан ряд откры-
тий в квантовой электронике.

Свойства гетероструктуры, т. е. геометрическую ширину
потенциальных барьеров и ям, их высоту и глубину по энергии,
регулируют за счет размеров наноструктур, их химического со-
става, формы, а также прикладывая различные внешние поля
(электрические, магнитные, электромагнитные) (рис. 2.7).
8!

слой 200 нм

СаРЫ

СаР

31

Рис. 2.7. Поперечное сечение полупроводниковой гетеронаноструктуры

слой 600 нм

слой 20 нм
подложка

Ученые научились управлять основными параметрами по-
лупроводника (ширина запрещенной зоны, сродство к электро-
ну, эффективная масса носителей тока, показатель преломления
и т. д.) внутри единого монокристалла. Изучение свойств гете-
роперехода СаАз/АЮаАь и усовершенсгвование технологии
выращивания структур (жидкофазной эпитаксии) позволило
осуществить непрерывную лазерную генерацию при комнатной
температуре (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схематическое изображение полупроводникового лазера

Достижения физиков дали мощный толчок стремительно-
му развитию технологий полупроводниковых гетероструктур
и квантовой полупроводниковой микроэлектроники.

Современная технология позволяет формировать наногете-
роструктуры с атомарной точностью, что позволяет ввести тер-
мины «инженерия зонной структуры» и «инженерия волновых
функций».

В 1970 г. будущий нобелевский лауреат Л. Эсаки и Р. Цу
создали первую искусственную полупроводниковую сверхре-
шетку, периодически расположенные в полупроводнике кван-
товые ямы и барьеры. Это было началом практической инжене-
рии зонной структуры.

Современные полупроводниковые сверхрешетки представ-
ляют собой системы потенциальных ям, разделенных сравни-
тельно узкими потенциальными барьерами с заметной туннель-
ной прозрачностью (рис. 2.9). На их основе созданы приборы с
отрицательной (М-образпой) вольт-амперной характеристикой,
способные усиливать и генерировать электромагнитные
колебания, а также эффективные светоизлучающие приборы.
Между квантовыми ямами в сверхрешетках возможно тунне-
лирование электронов. Энергетическая диаграмма (потен-
циальный профиль) (рис. 2.9, а) - это совокупность возможных
значений энергии частицы для композиционной решетки
А1лСа1-лА8-СаА8 в направлении, перпендикулярном слоям.
Вследствие периодического изменения ширины запрещенной
зоны АЕе создается последовательность прямоугольных кванто-
вых ям, разделенных барьерами. Ямы образуются в узкозонном
полупроводнике: для электронов в зоне проводимости, для ды-
рок - в валентной зоне. Обычно толщина барьерного слоя состав-
ляет 2-5 нм, а ширина ямы 3-6 нм.

В структурах модулированно-легированной композицион-
ной сверхрешетки сильно легируются широкозонные слои и не
легируются узкозонные (рис. 2.9, б).

Рис. 2.9. Энергетические диаграммы - простой композиционной (а)
и модулированно-легированной (б) сверхрешеток
Электроны с донорных уровней широкозонного материала
переходят в квантовые ямы узкозонного, пространственно разде-
ляясь с ионизованными донорами. Чередование зарядов вызывает
периодические изгибы краев зон. Мини-зоны (период сверхрешет-
ки) значительно больше посгоянной кристаллической решетки,
поэтому возникает более мелкое дробление энергетических зон
исходных полупроводниковых кристаллов, на которые разбивают-
ся валентная зона и зона проводимости. Электроны и дырки ока-
зываются пространственно разделенными: дырки находятся в по-
тенциальных ямах валентной зоны р-слоя, электроны - в потенци-
альных ямах зоны проводимости и-слоя. Это приводит к сниже-
нию примесного рассеяния и увеличению подвижности.

Дополнительный периодический потенциал сверхрешетки
изменяет зонную структуру исходных полупроводников. По-
этому сверхрешетку можно рассматривать как новый, синтези-
рованный полупроводник, не существующий в природе и обла-
дающий необычными свойствами. Подбором материала и со-
става чередующихся слоев можно в широких пределах варьиро-
вать зонную структуру сверхрешетки. Совокупность методов
получения материалов с модифицированной зонной структурой
лежит в основе «зонной инженерии».

В начале 1990-х гг. лауреат Нобелевской премии академик
Ж. И. Алферов и его коллеги вплотную занялись получением
и исследованием свойств полупроводниковых наноструктур
пониженных размеров: квантовых проволок (20-структур)
и квантовых точек (Ю-структур).

В 1993-1994 гг. впервые в мире были созданы гетеролазе-
ры на основе структур с квантовыми точками - «искусствен-
ными атомами». А год спустя был продемонстрирован инжек-
ционный гетеролазер на квантовых точках, работающий в не-
прерывном режиме при комнатной температуре. Важным ша-
гом стало расширение спектрального диапазона лазеров с ис-
пользованием квантовых точек на подложках СаАз. Так разви-
валась «зонная инженерия» - принципиально новый тип элек-
троники, основанный на гетероструктурах с очень широким
диапазоном применения. В частности, были разработаны тех-
нологии нового поколения квантово-размерных лазеров на ко-
роткопериодных сверхрешетках с рекордно низкой пороговой
59
плотностью тока; созданы концепции получения полупровод-
никовых наноструктур с размерным квантованием в двух
и трех измерениях; осуществлена демонстрация уникальных
физических свойств структур на основе квантовых точек,
созданы на их базе инжекционные лазеры.

Гетероструктура, по сути, представляет собой монокри-
сталл, в который вставлен слой, отличающийся от состава
матрицы химическим составом. Именно это и считалось не-
возможным - вставить в полупроводник слой из другого мате-
риала так, чтобы граница между разными материалами была
бездефектной. Тогда вставал вопрос, не будет ли сама эта гра-
ница оказывать нежелательные воздействия на свойства при-
бора? Считалось также, что материалы с различными свой-
ствами, например, длиной волны излучаемого света, обяза-
тельно отличаются и характерным размером своей кристалли-
ческой решетки, и если их попытаться состыковать, то неиз-
бежно возникнут трещины или другие дефекты. Предполага-
лось также, что границу между материалами будет трудно сде-
лать достаточно резкой и все ожидаемые преимущества ниве-
лируются. Кроме того, полагали, что на границе могут форми-
роваться микрочастицы паразитных соединений. Все эти про-
блемы были решены в лаборатории Ж. И. Алферова с исполь-
зованием процессов самоорганизации. Появилась возможность
«зажать» носители заряда в слое узкозонного материала, орга-
низовать волноводный эффект, получать сверхвысокие плот-
ности носителей заряда в тонком слое без того, чтобы сильно
легировать всю структуру, и многое другое.

Квантовые явления в наногетероструктурах. В наногете-
ро-структурах начинают проявляться квантово-размерные эф-
фекты, суть которых заключается в следующем: в областях,
имеющих наноразмеры, поведение электронов или дырок
определяется отражением электронов от границ раздела таких
областей, интерференцией электронов, прохождением элек-
тронов сквозь потенциальные барьеры (туннелированием). Эти
эффекты становятся возможными, так как размеры нанообла-
стей становятся сравнимыми с длиной волны де Бройля для
электронов (или дырок).
Изображения наноструктур на основе сверхрешеток
(рис. 2.10) получены на сканирующих туннельных и атомно-
силовых микроскопах. Атомно-силовой микроскоп дает
изображение реальной поверхности (рис. 2.10, а), сканирую-
щий туннельный микроскоп - плотности электронных состо-
яний (рис. 2.10, б).

Энергетический спектр электронов имеет зонный характер; в
зоне столько уровней, сколько ям в структуре. Чем меньше ши-
рина ямы, тем больше расстояние между мини-зонами и больше
эффективная ширина запрещенной зоны, чем меньше ширина
барьера, тем шире мини-зоны. Так можно перестраивать энерге-
тический спектр сверхрешетки простым изменением толщины
слоев.

Рис. 2.10. Изображения наноструктур:

а - сверхрешетки ОаАк и ОаА1А8, полученное сканирующим туннельным
микроскопом;

б - АЮаК/ОаК сверхрешетки, полученное на атомно-силовом микроскопе

Поскольку носителям заряда (электронам и дыркам) энерге-
тически выгодно находиться в узкозонном среднем активном
слое, генерация излучения и происходит в этом слое (электрон-
ное ограничение).

Из-за различия показателей преломления активного слоя и
граничащих с ним слоев в такой структуре реализуется оптиче-
ский волновод, удерживающий фотоны и обеспечивающий их
направленное распространение (оптическое ограничение). Фо-
тоны, генерируемые в активной области, распространяются
вдоль волновода с многократным отражением от границ с огра-
ничивающими слоями. Достаточное оптическое ограничение
излучения достигается различием показателей преломления
волновода и ограничивающих слоев до 0,15-0,2. Вследствие
эффекта оптического ограничения резко уменьшаются дифрак-
ционные потери излучения, а также сужается диаграмма
направленности излучения в направлении, перпендикулярном
плоскости т?-и-перехода. Сужение диаграммы направленности
излучения позволяет повысить эффективность ввода излучения
в волокно в системах оптической связи.

Еще один путь улучшения характеристик излучения - огра-
ничение активной зоны по ширине (токовое ограничение). Один
из окружающих активную зону слоев (типа р-п) служит для ин-
жекции электронов, а второй (типа р-р) отражает инжектирован-
ные электроны, препятствуя их диффузионному растеканию из
активного слоя. При одинаковом токе накачки в активном слое
гетероструктуры достигается большая концентрация электронно-
дырочных пар и, следовательно, большее оптическое усиление.

Наиболее известный способ токового охраничения состоит
в формировании /^-электрода в виде узкой полоски, для чего вся
структура предварительно сверху, за исключением этой узкой
полоски, закрывается оксидной изоляцией (рис. 2.10, б). Типич-
ная длина кристалла полупроводника 100-500 мкм, ширина по-
лоски - до нескольких десятков микрометров. Свет в результате
излучается через маленькую площадку.

Малая излучаемая светодиодом мощность обусловлена тем,
что в этом приборе отсутствует резонатор, фотоны хаотично
распространяются в самых различных направлениях (спонтан-
ное излучение) и наружу выходит только их небольшая часть.
В лазерах же имеется резонатор, образуемый сколотыми граня-
ми кристалла (резонатор Фабри - Перо). Спектр излучения ла-
зера представляет собой серию полос, интервал между которы-
ми обратно пропорционален длине резонатора. Эти полосы от-
носятся к различным продольным модам (т. е. стоячим волнам
разной длины волны, кратной длине резонатора). Чем меньше
размер области излучения, тем оно монохроматичнее.

Это определяет и свойства излучения: длину волны, шири-
ну линии, число линий. В обычной гетероструктуре активный
слой имеет толщину 300-500 нм, и в нем наблюдаются эффек-
ты, присущие объемному кристаллу. Формируя узкую потенци-
альную яму (тонкий, в один - два десятка нанометров, слой уз-
козонного полупроводника, сопоставимый с дебройлевской
длиной волны электрона или дырки), обеспечивают довольно
узкую линию излучения и низкий пороговый ток. Действитель-
но, число разрешенных состояний в активной области квантово-
размерной структуры значительно меньше, чем в обычной, и
при этом облегчается создание инверсной заселенности.

Если классические гетероструктуры открыли новые техно-
логические горизонты, то использование низкоразмерных полу-
проводниковых наногетероструктур дает исследователям, тех-
нологам и инженерам практически неограниченную свободу
действий. Можно сказать, что это своего рода «конструктор».
Поскольку в наноструктурах существенную роль играют кван-
тово-механические эффекты, можно даже сказать, что это
«квантовый конструктор». Путем подбора параметров гетеро-
структуры (материалов, толщины, последовательности распо-
ложения слоев и т. д.) исследователи теперь в состоянии полу-
чать структуры с требуемыми свойствами. Например, просто
меняя номинальную толщину слоя СсГГе в матрице /пТе с 0,3
до 1,2 нм, мы изменяем длину волны излучения (при темпера-
туре 5 К) с 5.30 до 620 нм, т. е. переходим из зелено-желтой об-
ласти видимого спектра в красную.

Светодиоды - это новые источники света, которые делают-
ся на основе полупроводниковых структур, излучающих свет.
Они уже достигли уровня натриевых, самых эффективных сре-
ди ламп накаливания, и продолжают бурно развиваться. Напри-
мер, из одинаковых на вид кристалликов полупроводника мож-
но получать любой свет: красный, синий, зеленый, т. к. цвет
свечения полупроводника определяется не температурой нагре-
ва, а шириной запрещенной зоны в полупроводнике.

Для каждого полупроводника ширина запрещенной зоны
своя, поэтому можно подбирать цвет свечения по нашему жела-
нию. С помощью светодиодов можно получать свет разных цве-
тов, они очень долго светят, примерно 100 тыс. часов. То есть
около 11 лет, тогда как обычные лампочки перегорают за год.
Соответственно, это может быть новой концепцией освещения:
например, светильник покупается с полупроводниковой лам-
почкой-светодиодом, и вместе с ней и выбрасывается.

Еще одно необычное применение. Дело в том, что есть та-
кое «магическое» определение «оптический пинцет». Это не тот
пинцет, которым можно погнуть оптическую ось. Скорее это
касается закона преломления: свет, проходя через какую-либо
поверхность, например, через стекло, преломляется. Свет,
введенный в какое-то вещество, например, в так называемое
«оптическое волокно» входит и распространяется, не выходя
наружу.

Устройство «оптическое волокно». Сердцевина его имеет
большой показатель преломления, чем периферийная часть.
Л свет может преломляться в неоднородной среде в сторону
среды с большим показателем преломления (рис. 2.11).

Рис, 2.11. Устройство оптического волокна

В этом случае световые лучи будут отклоняться к центру
волокна и никогда не выйдут наружу. В зависимости от техно-
логии изготовления волокна показатель преломления может из-
меняться либо плавно, либо скачкообразно, если в процессе из-
готовления «сердцевину» волокна покрыть одним слоем стекла.
В этом случае свет будет испытывать полное внутреннее отра-
жение на границе раздела слоев.

Стекловолокно можно сделать очень тонким, теоретически
до половины длины волны, т. е. 0,25 мкм. Торцы стекловолокна
шлифуют, к ним присоединяют светодиод или полупроводни-
ковый лазер с одной стороны и фотодиод - с другой.
2.3.	Полупроводниковая техника
на основе углеродных нанотрубок и графена

Многие открытия и перспективные исследования в нано-
технологиях связаны с нанотрубками. Несмотря на кажущуюся
простоту и даже примитивность, нанотрубки обладают множе-
ством уникальных электрических и механических свойств.

Они могут служить как материалом для постройки сверх-
прочных конструкций, гак и основой для создания высокоча-
стотных транзисторов и миниатюрных радиопередающих си-
стем.

Так как нанотрубка является, по сути дела, одной длин-
ной молекулой, ее прочность определяется не межмолекуляр-
ными взаимодействиями, которые на порядки сильнее, а меж-
атомными. Не исключено, что на основе нанотрубок в ближай-
шем времени будут созданы материалы, во много раз прочней
стали.

Особый интерес для зарождающейся наноэлектроники пред-
ставляет удивительная универсальность нанотрубок как основы
для создания сверхминиатюрных радиокомпонентов и даже при-
емопередающих систем.

Полупроводниковые гетероструктуры

В частности, в зависимости от ориентации графитовой ре-
шетки относительно оси нанотрубки (хиральности), она может
быть и проводником, и полупроводником.

В наноэлектронике возникают полупроводниковые гетеро-
структуры, т. е. структуры типа металл/полупроводник или
стык двух разных полупроводников.

Металлические нанотрубки проводят электрический ток
даже при абсолютном нуле температур, в то время как прово-
димость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолют-
ном нуле, и возрастает при повышении температуры. В частно-
сти, к металлическим относятся все трубки типа «кресло». Ска-
занное верно для простейших однослойных нанотрубок. В ре-
альных условиях трубки нередко получаются многослойными,
т. е. представляют собой несколько однослойных нанотрубок,
вложенных одна в другую.
Более того, если в процессе роста в каркасе нанотрубки со-
здать структурный дефект, т. е. заменить шестиугольную ячей-
ку пятиугольной, то одна часть такой нано трубки будет метал-
лической, а другая - полупроводниковой, что позволит созда-
вать структуры «металл - полупроводник» без «сваривания»
двух различных материалов. Таким образом можно изготовить,
например, простейший нанодиод (рис. 2.12).

Энергия
п

б

Рис. 2.12. Полупроводниковые гетероструктуры:
а - структурный дефект роста нанотрубки; б - энергия подвижных электронов

Получаемые нанотрубки наиболее пригодны для использо-
вания в наноэлектронике, нанобиологии, зондовой микроскопии
и других новых областях науки и техники.

Транзисторы на углеродных нанотрубках

Постоянно убыстряющийся темп современный жизни тре-
бует создания новых приборов - более быстродействующих,
более мощных и более компактных.

Однако полупроводниковая кремниевая электроника прак-
тически подошла к пределу своих возможностей, связанному с
фундаментальными физическими ограничениями, не позволя-
ющими в дальнейшем на ее основе создать все более произво-
дительные и миниатюрные устройства. Традиционный эмиттер
с диэлектриком из диоксида кремния (8Ю2) имеет толщину все-
го в несколько атомных слоев (~ 1,2 нм). Дальнейшее уменьше-
ние его толщины приведет к значительным утечкам за счет тун-
неявного тока (проявление квантовых эффектов) и, как след-
ствие, к увеличению потребления энергии и тепловыделения
транзистора (рис. 2.13).

База Эмиттер Коллектор

Рис. 2.13. Устройство полупроводникового транзистора

Качественным выходом из сложившегося «тупика» может
быть только переход к электронным приборам и схемам, по-
строенным на совершенно иных принципах. Разработка новых
функциональных наноматериалов позволяет шагнуть далеко за
пределы традиционной полупроводниковой технологии изго-
товления транзисторов.

Основу наноэлекгроники составляют те же компоненты,
что и в микроэлектронике, - транзисторы, но с нанометровыми
размерами.

В результате экспериментов с различными молекулярными
структурами исследователи смогли достичь высочайшей прово-
димости для транзисторов на углеродных нанотрубках. Чем
выше проводимость, тем быстрее работает транзистор и тем бо-
лее мощные интегральные схемы можно построить на его осно-
ве. Кроме того, исследователи обнаружили, что проводимость
транзисторов на углеродных нанотрубках более чем вдвое пре-
восходит соответствующий показатель для самых быстрых
кремниевых транзисторов того же размера.

Благодаря уникальным физическим свойствам и структур-
ным особенностям углеродные нанотрубки в данном случае яв-
ляются идеальными претендентами на роль компонентов для
электронных микросхем.

Необычные электрические свойства нанотрубок делают их
одним из основных материалов наноэлектроники (рис. 2.14).
Контакты	Углеродная нанотр'. ока

Коллектор \

81О? Ь_______—.=>

81

Затвор

Рис. 2.14. Транзистор на основе углеродных нанотрубок

Полевой транзистор на основе нанотрубки

Нанотрубки со свойствами полупроводников могут исполь-
зоваться в полевых транзисторах подобно тому, как в них при-
меняется кремний (рис. 2.15). Если приложить к затвору, роль
которого играет кремниевая подложка, напряжения от +6
до -2 В меняет величину проводимости канала почти в 105 раз.

Напмтрубка

Исток (Аи)	Сток (Аи)

8Ю2

Затвор (кремниевая подложка)

Рис. 2.15. Полевой транзистор на основе углеродной нанотрубки

Созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе
одной полупроводниковой наногрубке (рис. 2.16).

На кремниевой под-
ложке, покрытой изоли-
рующим оксидным слоем
толщиной 300 нм, фор-
мировали параллельные
платиновые полоски ши-
риной по 200 нм, разне-
сенные на расстояние до
600 нм между их осями.

Рис. 2.16. Полевой ранзистор на
полупроводниковой нанотрубке
Нанотрубку диаметром 1,4 нм и длиной до 1 мкм уклады-
вали поверх полос так, чтобы она соединяла две или три
Р1-ПОЛОСКИ, образуя с ними туннельные контакты. Это позволя-
ло носителям заряда (дырки - в углеродной нанотрубке) участ-
вовать в создании тока между соседними Р1-электродами, слу-
жащими истоком и стоком в полученном таким способом поле-
вом транзисторе с изолированным затвором, роль которого
играла 81-подложка.

В результате экспериментов с различными молекулярными
структурами исследователи смогли достичь высочайшей на се-
годняшний момент проводимости для транзисторов на углерод-
ных нанотрубках. Чем выше проводимость, тем быстрее работа-
ет транзистор и тем более мощные интегральные схемы можно
построить на его основе. Кроме того, исследователи обнаружи-
ли, что проводимость транзисторов на углеродных нанотрубках
более чем вдвое превосходит соответствующий показатель для
самых быстрых кремниевых транзисторов того же размера.

Исследователи из корпорации 1п1е1 представили прототип
транзистора, который, как считается, позволит всей полупровод-
никовой индустрии продержаться еще десятилетие. Транзистор,
разработанный 1п1е1 и британской компанией Р1пе1:ц, по структу-
ре аналогичен традиционным: у него есть исток и сток, соеди-
ненные каналом, потоком электронов в котором управляет за-
твор. Однаков отличие от традиционных полупроводниковых
приборов канал выполнен не из кремния, а из антимонида индия,
который состоит из атомов индия 1п и сурьмы 8Ъ (рис. 2.17).

Рис. 2.17. Транзистор на наноматериале
Интересное решение - реализация полевого транзистора на
нанотрубке, выращенной в форме буквы У.

Такая структура сама по себе может выполнять функции
транзистора без каких-либо дополнительных конструктивных
элементов.

На основе нанотрубки учеными из Калифорнийского уни-
верситета НС8В и университета Клемсона был построен -
У-транзистор. Для этого была разработана специальная техно-
логия выращивания нанотрубок: сначала ученые вырастили
обычную нанотрубку, затем на ее поверхность были нанесены
наночастицы титана. Они послужили катализатором, и в резуль-
тате на уже сформированной трубке была выращена еще одна
ветвь (рис. 2.18). При исследовании свойств такой нанотрубки
выяснилось, что при подаче отрицательного потенциала на
ствол нанотрубки протекание электронов между ветвями при-
останавливается. И наоборот, при подаче положительного по-
тенциала на ствол протекание возобновляется. В случае
У-нанотрубки мы имеем транзистор, а в нем существуют два
р-и-перехода, сформированные двумя ветвями. Диод имеет
один р-я-переход. Если удастся сформировать отдельную труб-
ку с характеристиками р-л-перехода, то получим нанодиод. Эта
проблема была решена в компании (лепега! Е1ес1пс. Ученые воз-
действовали на нанотрубку специальным электрическим полем,
в результате чего получился р «-переход.

Рис. 2.18. Полевой транзистор на нанотрубке, выращенной в форме буквы У

Простейший наноприемник

Еще одно очень интересное свойство нанотрубок - способ-
ность вибрировать под действием радиоволн - позволило со-
здать миниатюрные приемопередающие системы.
Типичный радиоприемник состоит из нескольких основных
компонентов - антенны, которая принимает радиосигнал, филь-
тра для выделения из всего спектра принятых сигналов нужно-
го, усилителя и демодулятора, который отделяет информацион-
ный сигнал от высокочастотного спектра.

Замечательной особенностью нанонриемника является то,
что одна нанотрубка может выполнять функции селективной ан-
тенны, усилителя и демодулятора одновременно. В отличие от
«традиционного» радио, где процессы приема и обработки сиг-
нала полностью электрические, в наноприемнике электромагнит-
ные колебания преобразуются в механические, и наоборот.

Частоты механического резонанса наногрубок лежат в пре-
делах 50 МГц - 5 ГГц, что перекрывает спектр частот, исполь-
зуемых в беспроводных системах связи.

Принимать нанорадиоприемник может как ГМ, так и АМ
волны с частотой от 40 до 400 МГц. Использовать устройство,
по словам разработчиков, можно не только для приема радио-
сигнала, но и для его передачи.

Устройство простейшего наноприемника (рис. 2.19). Осно-
ва - нанотрубка, жестко закрепленная одним концом на основа-
нии. На некотором расстоянии от ее конца расположен элек-
трод. Конструкция находится внутри стеклянного баллона, из
которого откачан воздух.

Рис. 2.19. Устройство простейшего наноприемника

Источник постоянного напряжения (200 В) создает разность
потенциалов между трубкой и электродом. Из-за электронной
71
эмиссии на конце трубки в цепи начинает течь ток (аналогич-
ный процесс имеет место в электронных лампах). Кроме того,
на конце нанотрубки появляется отрицательный заряд, который
делает ее чувствительной к электромагнитным колебаниям.

Нанотрубка начинает вибрировать на резонансной частоте
под действием приходящего извне радиосигнала в случае, если
частота этого сигнала совпадает с частотой собственных коле-
баний трубки.

Таким образом, выполняется «настройка» на частоту прие-
ма. В зависимости от девиации частоты принимаемого ЧМ-
сигнала изменяется амплитуда механических колебаний нано-
трубки - в этом случае она играет роль узкополосного фильтра.

Из-за нелинейности поля эмиссии ток в цепи тоже изменяет-
ся. Так, сигнал демодулируется. Поскольку ток эмиссии вызыва-
ется источником питания, а не маломощным принятым радио-
сигналом, можно говорить и об усилении принимаемого сигнала.

Для успешной организации радиосвязи в наномире необхо-
димо разрешить ряд принципиально важных проблем. В первую
очередь, это касается источников питания, так как на сегодняш-
ний день проблематично создать вписывающийся в наномас-
штаб источник питания с требуемыми параметрами.

Возможности применения нанотрубок в наноэлектронике
очень широки. Благодаря уникальным физическим свойствам и
структурным особенностям углеродные нанотрубки - идеаль-
ные претенденты на роль компонентов для электронных схем
(нано-транзисторов, нанодиодов, нанокатодов). Впрочем, рабо-
та этих элементов отлична от работы аналогичных элементов в
микроэлектронике. По мере приближения размеров твердотель-
ных структур к нанометровой области все больше проявляются
квантовые свойства электрона. В его поведении преобладаю-
щими становятся волновые закономерности, характерные для
квантовых частиц. С одной стороны, это приводит к нарушению
работоспособности классических транзисторов, использующих
закономерности поведения электрона как классической части-
цы, а с другой - открывает перспективы создания новых уни-
кальных переключающих, запоминающих и усиливающих эле-
ментов для информационных систем.
Углеродные нанотрубки с нанопочками обладают большей
площадью поверхности и большим числом точек - источников
эмиссии электронов. Поэтому на их основе могут быть созданы
новые типы экранов. Зерно изображения при этом получается
крайне малым, что обеспечивает непревзойденную четкость
изображения. Появление нанопочки на поверхности углеродной
нанотрубки изменяет электронные свойства трубки в данной
области, что может быть использовано в различных приложени-
ях, таких как квантовые точки и устройства памяти терабитного
диапазона на их основе.

Прозрачные проводящие поверхности из нанотрубок также
пригодятся для создания антенн, волноводов и замедляющих
структур. Замедление волн поверхностью применяется в элек-
тронике для достижения взаимодействия с электронным пото-
ком.

За несколько лет совершенствования удалось значительно
улучшить характеристики нанотрубчатых полевых транзисторов и
приблизить их к таковым у лучших «кремниевых» при намного
меньших размерах. На этих принципах (по существу, кремниевых)
удалось построить экспериментальные логические приборы и
ячейки памяти. Число идей и практических вариантов использова-
ния нанотрубок в наноэлектронике множится с каждым годом.

Японские физики смогли получить сверхпроводимость в
многослойных углеродных нанотрубках при температуре 12 К.
Явление сверхпроводимости, как известно, наблюдается у ряда
металлов и сплавов (сверхпроводников) и заключается в том, что
электрическое сопротивление сверхпроводника обращается в
ноль при доведении его до значения ниже некоторого критиче-
ского значения температуры.

Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших
сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для
обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с уль-
травысокой чувствительностью - при адсорбции на поверхности
нанотрубки молекул ее электросопротивления, а также характе-
ристики наногранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики
могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в
военных, медицинских и биотехнологических целях; служить
тросом для космического лифта, так как нанотрубки теоретиче-
ски могут держать и больше тонны, но получить достаточно
длинные углеродные трубки с толщиной стенок в один атом до
сих пор не удавалось; листы из углеродных нанотрубок можно
использовать в качестве плоских прозрачных тромкоговорителей.

Большие надежды возлагаются на создание технологии по-
лучения нанопроводников, предусматривающей использование
однослойных НТ в качестве литьевых форм и контейнеров, со-
держащих наноэлектролровод. Ожидается, что решение этой
проблемы, а также родственных ей задач создания на осно-
ве таких проводников электронных схем приведет к уменьше-
нию минимальных размеров элементов микроэлектронных
устройств на один - два порядка и в конечном счете к прорыву
в технологиях обработки и передачи информации.

Углеродные НТ могут использоваться в качестве источника
инфракрасного излучения необычайно высокой эффективности.
Такое применение связано с открытием механизма электрости-
муляции эмиссии света единичной молекулой-нанотрубкой. Бла-
годаря малым размерам источник света характеризуется большой
яркостью. На рис. 2.20 показана схема электролюминисцентного
источника оптического излучения, изготовленного на основе НТ.

Нанотрубки диаметром 2...3 нм были сформированы на
81-подложке методом химического осаждения из паров. Элек-
трические контакты создавались методами электронной лито-
графии и последующим осаждением слоя палладия толщи-
ной 3 нм. При разности потенциалов 3 В ( дырочной проводимо-
сти) и 2,1 В (электронной проводимости) трубки генерировали
ИК-излучение с длиной волны 1...2 нм. При токе 3 мкА наблю-
дался лоток излучения 10 фотонов с площади 1 нм2 за 1 с, что
в 105 раз больше потока фотонов, снимаемых с полупроводни-
ковых светодиодов.

Рис. 2.20. Схема ИК-излучателя на основе углеродных нанотрубок
Компьютерная индустрия. Разработано несколько приме-
нений нанотрубок в компьютерной индустрии. Углеродные
нанотрубки с нанопочками обладают большей площадью по-
верхности и большим числом точек - источников эмиссии элек-
тронов. Поэтому на их основе могут быть созданы новые типы
экранов. Зерно изображения при этом получается крайне ма-
лым, что обеспечивает непревзойденную четкость изображения.
Появление нанопочки на поверхности углеродной нанотрубки
изменяет электронные свойства трубки в данной области, что
может быть использовано в различных приложениях, таких как
квантовые точки и устройства памяти терабитного диапазона
на их основе.

Популярна разработка так называемых холодных эмитте-
ров на нано трубках. Холодные эмиттеры - ключевой элемент
плоского телевизора будущего, они заменяют горячие эмиттеры
современных электронно-лучевых трубок, к тому же позволяют
избавиться от гигантских и небезопасных разгонных напряже-
ний 20-30 кВ. При комнатной температуре нанотрубки способ-
ны испускать электроны, производя ток такой же плотности, как
и стандартный вольфрамовый анод при почти тысяче градусов,
да еще и при напряжении 500 В (а для получения рентгеновских
лучей нужны десятки киловольт при значении температуры
1500 °С).

Например, созданы и опробованы прототипы тонких плос-
ких дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок (рис. 2.21).

Под действием напряжения, прикладываемого к одному
из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться
электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран
и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом
зерно изображения будет фантастически малым: не более мик-
рометра.
Дырки

[рО51*,Ув

Электроны
-*-Е1ес»гоп5
|пе0оЬ.. -Ьаг8М

Е1ес1гоНе

нацотрУбка

п кремния
ОксиД кр

Рис. 2.21. Полупроводниковый пиксель из нанотрубки

Память на углеродных трубках. Технологии памяти на уг-
леродных нанотрубках являются лишь небольшой частицей ис-
следований, посвященных хранению информации. Разные ком-
пании вели разработки нового типа энергонезависимой памяти
на базе углеродных нанотрубок. К созданию нового устройства
были привлечены существующие производственные техноло-
гии. Началось производство чипов на базе углеродных нанотру-
бок с использованием традиционного оборудования.

Примером применения НТ в электронной технике являет-
ся создание на базе НТ энергонезависимой памяти МКАМ
(№пошЬс Капбогп Ассезз Метогу) (рис. 2.22).

Рис. 2.22. Структура матрицы памяти ККАМ
В настоящее время проведено тестирование опытных пар-
тий МКАМ. произведенных по 22-нанометровому технологиче-
скому процессу. Память сочетает в себе лучшие качества запо-
минающих устройств: дешевизну ВВАМ (динамической опера-
тивной памяти), энергонезависимость флэш - памяти, кроме
того, обладает высокой стойкостью к воздействию температуры
и магнитных полей.

По заявлению разработчика, МВАМ-память может серийно
выпускаться на оборудовании, предназначенном для производ-
ства сегодняшних микропроцессоров по КМОП-технологии
(технология «кремний - металл - оксид - полупроводник»).
Нанотрубки размешены на поверхности кремниевой пластины и
образуют мостики между электродами на подложке. Под цен-
тром каждого такого мостика сформирован электрод. На крем-
ниевой подложке выращена пленка оксида кремния, вдоль ко-
торой размещены токопроводящие электроды шириной 1.30 нм,
отделенные друг от друга изолирующими слоями. Над электро-
дами перпендикулярно к ним находятся массивы НТ.

В данной конструкции важную роль играют гибкость и
упругость НТ. В состоянии «1» трубки не касаются электродов
и находятся над ними на высоте ~13 нм. Если к нижнему элек-
троду приложить напряжение, то трубка под воздействием
электрического поля начнет изгибаться и коснется нижнего
электрода, который «считывает» положение углеродного мо-
стика. Такое состояние (состояние «0») оказывается устойчи-
вым за счет баланса между возникающим механическим
напряжением и силами Ван-дер-Ваальса между НТ и электро-
дом.

Таким образом, меняя напряжение на электроде, можем пе-
реходить между двумя стабильными механическими состояни-
ями трубок, в одном из которых имеется контакт с электродом
(«0»), а в другом - нет («1»). То есть реализуется запись инфор-
мации в двоичном коде. Достигаемая длительность цикла запи-
си чтения ~0,5 нс.

Принцип действия МВ АМ-памяти следующий. Электриче-
ский заряд, возникающий на нижней подложке, притягивает к
ней группу НТ. Притянутые трубки удерживаются в этом со-
стоянии под действием ван-дер-ваальсовых сил до появления
следующего электрического заряда. Благодаря такому устрой-
ству свисающие НТ могут играть роль битов памяти: «подня-
тое» состояние - «1», «опущенное» - «О». Так как в каждом от-
дельном переходе между указанными состояниями участвуют
несколько десятков НТ, создается избыточность, предохраняю-
щая систему от случайных потерь информации. В «замкнутом»
и «разомкнутом» состояниях система из НТ имеет разные элек-
трические сопротивления, за счет чего возможно считывание
информации.

Для того чтобы прочитать содержимое элементарной ячей-
ки памяти, между нижним электродом и контактом, к которому
подсоединены НТ, отвечающие выбранной ячейке памяти,
подается напряжение. Если ячейка памяти находится в состоя-
нии «1», электрическая цепь оказывается разомкнутой и напря-
жение будет высоким, что соответствует логической единице.
Если же ячейка памяти находится в состоянии «О», т. е. имеется
контакт между трубкой и нижним электродом, то цепь замыка-
ется и напряжение будет низким, что соответствует логическо-
му нулю.

Разработан способ нанесения наногрубок на кремниевую
подложку с использованием такого известного метода, как
8рт-соаГт§, после чего применяются традиционные для полу-
проводникового производства литография и травление. Одним
из достоинств М КАМ-памяти называются высокие скорости
чтения/записи.

В отличие от многих подобных разработок, функциониру-
ющих лишь при очень низких температурах, устройство, со-
зданное физиками Джайеном Даем (.11 у ап Оа1) и Лу (X. В. Би),
может работать и при комнатной температуре.

Довольно оригинальное решение предложили корейские
ученые Ион Вон Кан (1еоп§ УУоп Кап») и Кин Янь ((Дп^ Лап§).
Им удалось разработать память на базе так называемых теле-
скопических нанотрубок. Ее авторам удалось установить, что
нанотрубка с вложенной в нее другой нанотрубкой меньшего
диаметра образуют осциллятор, достигающий частоты колеба-
ний порядка гигагерц.
Высокая скорость скольжения нанотрубок, вложенных в
другие нанотрубки, обуславливает быстродействие нового типа
памяти и ученые утверждают, что их разработка может приме-
няться не только как флэш-память, айв роли быстродействую-
щего ОЗУ (рис. 2.23).

Электроды

Рис. 2.23. Быстродействующее ОЗУ на нанотрубках

Как видно, пара вложенных одна в другую нанотрубок по-
мещаются между двумя электродами. При подаче заряда на
один из электродов внутренняя нанотрубка перемещается в ту
или иную сторону под действием сил Ван-дер-Ваальса. Этой
разработке присущ один существенный недостаток: образец
такой памяти может работать только при очень низких темпера-
турах. Впрочем, ученые уверены, что эти проблемы временные
и их можно будет преодолеть на следующих этапах исследова-
ний.

Процессоры. Уменьшение размеров полупроводниковых
элементов и огромная плотность размещения их на кристалле
каждый раз ставит очень сложную задачу уменьшения токов
утечки. Основными направлениями решения подобных проблем
являются поиск новых материалов для использования в полу-
проводниковых приборах и изменение самой их структуры.
Компании 1ВМ и I пГс! создали транзисторы, которые будут
использоваться в процессорах следующего поколения. В каче-
стве подзатворного диэлектрика вместо диоксида кремния были
предложены материалы с высоким значением диэлектрической
постоянной (ИщИ-к) на базе графина (рис. 2.24). При создании
электрода затвора кремний будет вытеснен металлическими
сплавами.

Рис, 2.24. Транзисторы:
а - стандартный кремниевый;
б - с 1й”1т-1< диэлектриком и металлическим затвором

Уже сегодня наблюдается постепенное замещение кремния
и материалов на его основе более перспективными соединения-
ми. Многие компании уже давно задумываются над заменой
кремния. Одними из крупнейших спонсоров исследовательских
проектов в области углеродных нанотрубок и графена являются
компании 1ВМ и 1п(е1, которые создали электронные интеграль-
ные схемы на базе всего одной углеродной нанотрубки.

Эта схема имеет толщину в пять раз меньшую диаметра че-
ловеческого волоса и может наблюдаться только через мощный
электронный микроскоп.

Исследователи 1ВМ сумели достичь скоростей, почти в
миллион раз превышающих полученные ранее на схемах с
множеством нанотрубок. Хотя эти скорости все еще ниже тех,
на которых работают современные кремниевые чипы, ученые
1ВМ уверены, что новые нанотехнологические процессы в ко-
нечном счете позволят раскрыть колоссальные потенциальные
возможности электроники углеродных нанотрубок. Разработан
прототип чипа, где в качестве межсоединений используются
углеродные нанотрубки.

Кстати, уже как известно, переход на более прецизионные
нормы влечет за собой увеличение электрических сопротивле-
ний соединительных проводников. В конце 90-х годов произво-
дители микросхем перешли на использование медных провод-
ников вместо алюминиевых. Но уже в последние годы даже
медь перестает удовлетворять производителей процессоров,
и постепенно они готовят ей замену.

Одним из перспективных направлений видится применение
именно углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки не
только имеют лучшую по сравнению с металлами проводи-
мость, но и могут играть роль полупроводников. Таким обра-
зом, реальной видится возможность в будущем полностью вы-
теснить кремний в процессорах и других микросхемах и созда-
вать чипы, сделанные целиком из углеродных нанотрубок.

Эффективный отвод тепла, выделяющегося в интеграль-
ной микросхеме, представляет собой актуальную техническую
задачу, от решения которой зависит быстродействие и надеж-
ность работы интегральных схем. Для теплоотвода используют-
ся радиаторы, изготовленные из металлов с высоким коэффици-
ентом теплопроводности, таких как алюминий или медь.

Серьезную конкуренцию традиционным радиаторам, при-
меняемым для охлаждения полупроводниковых микросхем, мо-
гут составить охлаждающие элементы, выполненные из масси-
вов НТ. Опи способны рассеивать тепло так же эффективно, как
и тяжелые, дорогостоящие медные радиаторы. В то же время
эти радиаторы более устойчивы к пластическим деформациям
и на порядок легче любого другого материала, который исполь-
зуется для охлаждения.

Компания ОС2 освоила серийный выпуск процессорного
кулера 11ус1го)сг на основе углеродных НТ (рис. 2.25). Основа-
ние Нубго]е1, выполненное из углеродных НТ, передает тепло
при помощи циркулирующей внутри жидкости медным радиа-
торам (каждый из которых заключен в пластиковый кожух),
рассеивающим тепло в атмосфере. Внутри Нус1го]'е1 установлено
бесшумное устройство (помпа или вентилятор), которое помо-
тает силам конвенции двигать жидкость внутри системы охла-
ждения. Углеродные НТ создают множество микроканалов
толщиной в единицы нанометров, через которые посредством
жидкости медные пластины «получают» тепло.

Рис. 2.25. Процессорный кулер Ну<1го)с1 на основе углеродных нанотрубок

Кулер Нус1го)еГ рассчитан на охлаждение процессоров, по-
казатели тепловыделения которых достигают 350.. .400 Вт.

В 2008 г. были продемонстрированы системы охлаждения для
видеокарт. Основным рабочим органом новой системы охлажде-
ния по-прежнему остается процессорный кулер 11ус1го)с(. В данной
конструкции к нему подключены водоблоки для охлаждения ви-
деокарт (рис. 2.26).

Рис. 2.26. Система охлаждения для системного блока компьютера (слева)
и дополнительно с двумя видеокартами (справа)

Уменьшение размеров полупроводниковых элементов и
огромная плотность размещения их на кристалле каждый раз
ставит очень сложную задачу уменьшения токов утечки. Ос-
новными направлениями решения подобных проблем являются
поиск новых материалов для использования в полупроводнико-
вых приборах и изменение самой их структуры.

Наногенератор. Вскоре достаточно будет просто носить
гаджет в кармане и он подзарядится от движений - с таким за-
явлением выступили создатели плоских «наногенераторов», ко-
торые при сжатии, сгибании или тряске вырабатывают то же
напряжение, что и обычная батарейка АА или ААА. Исследова-
тели из Технологического Института Джорджии добились зна-
чительного успеха в области понижения размеров пьезоэлек-
трических генераторов, при это сохраняя их высокую энергоем-
кость. Ученые разработали два типа наногенераторов, поме-
щенных в полимер. Каждый из них представляет собой стопку
тонких листков, соединенных нанопроводами из пьезоэлектри-
ческого оксида цинка, толщиной в несколько сотен нанометров.

В одном прототипе пространство между нанопроводами
заполнено пластиком, а вся конструкция находится между дву-
мя пластинами электропроводного материала. При небольшом
сжатии он вырабатывает напряжение около 0,24 В. Другой ге-
нератор содержит больше нанопроводов и вырабатывает 1,26 В,
то есть приближается к напряжению стандартной батарейки или
аккумулятора.

Зарядное устройство. Создание этого устройства ожидает,
наверное, каждый, так как его свойства позволят избавиться от
использования огромного количества старых зарядников.
Принцип работы нового приборы схож с губкой, однако в дан-
ном случае впитывается не какая-либо жидкость, а сама кине-
тическая энергия из окружающей среды. Применение будет от-
личаться сравнительной простотой: устройство будет достаточ-
ным прикрепить к смартфону, планшету или любому другом
прибору, которому необходима периодическая подзарядка для
нормального функционирования.

В основу такого устройства лег пьезоматериал, способный
создавать электрический ток под механическим напряжением.
Материал обеспечивают большим количеством наноскопиче-
ских пор, что и делает его схожим с губкой.
Чаще всего устройство такого типа сейчас называют нано-
генератором. Ученые прогнозируют, что их применение широко
развернется как от смартфонов, так и до замены обеспечения
автомобилей горючим топливом.

Графен обладает набором уникальных качеств: высокой
прочностью (он в 200 раз крепче стали); высокой подвижностью
электронов; идеальным сочетанием электронных и тепловых
характеристик; идеальными оптическими свойствами.

Транзистор на графене. Что касается графена - первый
важный момент работы - это электронные схемы на основе
графена можно производить традиционным оборудованием,
которое используется в полупроводниковой промышленности.

При облучении графена электромагнитными волнами он
испускает излучение более высокой частоты и, таким обра-
зом, может работать как умножитель частоты. Такое преобразо-
вание частоты можно использовать для получения излучения в
диапазоне частот, для которых не существует подходящих ис-
точников излучения. Одним из таких диапазонов является гера-
герневый диапазон (от 100 ГГц до 10 ТГц). Это открывает перед
конструкторами действительно неисчерпаемые возможности
(рис. 2.27).

Рис. 2.27. Транзистор на графене
Флюорографен - это полностью фторированный графен -
мономолекулярная пленка, которая по своим качествам (в том
числе химической инертностью и термической стабильностью)
во многом превосходит тефлон. Исследователи считают, что
флюорографен может быть использован не только в качестве
более тонкого и легкого заменителя тефлона, но и в области
электроники (например, для создания новых типов светодиод-
ных устройств). Пенографит применяется для производства
уплотнительных материалов на основе графитовых фолы. По-
скольку углерод - высокотемпературный материал (его темпе-
ратура плавления превышает 3500 °С). Уплотнительные мате-
риалы используются в автомобильной, нефтедобывающей и
энергетической промышленности. Оксидная пленка графена
может быть не менее полезна в технике, чем сам графен (одно-
атомный слой молекул углерода, образующих двухмерную гек-
сагональную кристаллическую решетку). Во-первых, она опти-
чески прозрачна, т. е. может использоваться в тех местах, где
необходимо обеспечить пропускание света, например, при кон-
струировании солнечных батарей. Во-вторых, электрические
свойства оксидной пленки в зависимости от ее толщины могут
быть «настроены» в диапазоне от полупроводящего состояния
до полноценного проводника.

Многие ученые и сами исследователи говорят о том, что
они заложили фундамент (базу) графеновой электроники.

Отмечается, что углеродные нанотрубки являются лишь
первой ступенью к миру наноэлектроники, в будущем в элек-
тронике видят именно графен.

Метод получения графена и графеновых микросхем, предло-
женный Вальт де Хиром и его коллегами. Нагревая подложку
карбида кремния в высоком вакууме, ученые заставляют атомы
кремния покинуть подложку, в результате чего остается только
тонкий слой атомов углерода (графен). На следующем этапе они
наносят фоторезистивный материал (фоторезист) и применяют
традиционную электронно-лучевую литографию для вытравлива-
ния требуемых «узоров», то есть используют повсеместно приме-
няемые сейчас производственные технологии. Это и является су-
щественным преимуществом графена перед нанотрубками.
Уникальные свойства графена создают предпосылки для
успешного использования его в ряде областей, в том числе
в электронной технике. Одним из вариантов применения, про-
ходящим в настоящее время стадию активных исследований,
является создание на базе фрагментов графеновых листов тран-
зистора.

2.4.	Одноэлектронные транзисторы

Кремниевые одноэлектронные транзисторы. Кремние-
вые одноэлектронные приборы появились в результате кон-
структивного и технологического прорыва при создании
МОП-транзисторных структур.

На рис. 2.28 представлен кремниевый одноэлектрон-
ный транзистор, сформированный на базе инверсионного слоя
МОП-транзистора.

Ьтвз<0

Квантовая точка

Рис. 2.28. Конструкция кремниевого одноэлектронного транзистора
с двумя затворами и одиночной квантовой точкой

Затвор состоит из двух частей, которые электрически раз-
вязаны. При подаче на нижний затвор положительного напря-
жения в подложке р-типа формируется инверсионный и-канал.
При подаче на верхний П-образный затвор отрицатель-
ного напряжения С/вз канал разрывается областями обеднения,
возникают потенциальные барьеры и формируется квантовая

точка.
Другая конструкция одноэлектронного транзистора с элек-
тронным либо дырочным типом проводимости представлена на
рис. 2.29.

Транзистор изготовлен по технологии «кремний на изоля-
торе». Канал с квантовой точкой сформирован в верхнем крем-
ниевом слое подложки.

С помощью процесса термического подзатворного окисле-
ния удалось уменьшить размеры квантовой точки и одновре-
менно увеличить высоту потенциальных барьеров между кван-
товой точкой и контактами.

Рис. 2.29. Схема квантовоточечного

транзистора с поликремниевым затвором

Одноэлектронные транзисторы на основе гетерострук-
тур. Основной идеей транзисторов на основе гетероструктур
является формирование в области двухмерного электронного
газа (ДЭГ) квантовых точек, который можно создать в гетеро-
структуре типа СаАз/АЮаАз. В таких структурах осуществля-
ется ограничение ДЭГ и формирование островков различными
методами. По способу такого ограничения можно выделить ряд
разновидностей структур.

Рассмотрим их на примере конкретных приборов.

На рис. 2.30 показан прибор, который представляет собой
двойной туннельный переход на основе гетероструктуры
6аАй/А1СаА8.
Металл

Коцложка

Рис. 2.30. Схема транзистора с расщепленным затвором Шоттки

Ограничение ДЭГ и формирование квантовых точек осу-
ществляется посредством прикладывания напряжения к метал-
лическим расщепленным затворам Шоттки, расположенным на
поверхности структуры. ДЭГ формируется на границе раздела
слоев СаАз и А1СаАз, его плотность контролируется напряже-
нием, приложенным к проводящей подложке. Отрицательное
напряжение на расщепленных затворах формирует объеднен-
ный ДЭГ. В ДЭГ формируется канал с малыми сегментами
(островками) между обедненными участками (барьерами). Ра-
бочая температура прибора около 0,5 К.

Формирование квантовых точек в гетероструктурах СаАз/
АЮаАз, а также в области затворов, истока, стока и канала
можно осуществлять путем электронно-лучевой литографии и
реактивного ионного травления канавок в исходной пластине.
В результате таких технологических процессов происходит
ограничение ДЭГ в этих областях.

В структуре с расщепленным затвором электрическое поле
приложено перпендикулярно ДЭГ. При приложении горизон-
тального электрического поля вызванное напряжение на пла-
нарном затворе Шоттки действует на электроны в направлении,
параллельном ДЭГ, вызывая его дополнительное ограничение.
Затвор изготовляется из поликремния, который располагался
над каналом. В зависимости от типа канала рабочая температу-
ра лежит в пределах от 80 К (/?-81) до 100 К (л-81). На основе
таких транзисторных структур можно реализовать комплемен-
тарные нары и соответствующие электронные схемы.
Транзисторы этого типа отличает малое энергопотребление
порядка 10°..,10'12 Вт. В настоящее время разработано боль-
шое количество типов кремниевых одноэлектронных транзи-
сторов. В зависимости от нужного типа проводимости исток,
сток и канал изготовляется из кремния электронного (и-8'1) или
дырочного (р-81) типов.

Затвор изготовляется из поликремния, который располагал-
ся над каналом. В зависимости от типа канала рабочая темпера-
тура лежит в пределах от 80 К (р-81) до 100 Л' (л-81). На основе
таких транзисторных структур можно реализовать комплемен-
тарные пары и соответствующие электронные схемы

Одноэлектронные металлические структуры. Металличе-
ские одноэлектронные транзисторы являются одним из видов
одноэлектронных транзисторов. В таком типе транзисторов ис-
пользуются структуры типа Ме/МехОу/Ме, которые получают
используя технологические процессы электроннолучевой лито-
графии, напыления и локального окисления. В качестве металла
Ме чаще используют А1, ГМ1, Сг, 11.

Транзистор на основе туннельных переходов в структуре
ТйТЮх/Т! представлен на рис. 2.31.

Рис. 2.31. Одноэлектронный транзистор на основе структуры Т1/ТЮх/Т1

Транзисторную структуру формируют методом окисления
с помощью туннельного микроскопа. После нанесения пленки
металла (Т1) ее поверхность окисляется анодированием с ис-
пользованием острия СТМ в качестве катода. Конфигурации
затвора у транзисторов различные: одни имеют встречно-
гребенчатую конфигурацию, другие в виде параллельных плос-
костей. Такой транзистор может работать при комнатной тем-
пературе.
Существует конструкция транзисторов на основе туннель-
ных переходов А1/А10х/А1, сформированных методом линейно-
го самосовмещения. Основная идея метода заключается в том,
что туннельные переходы формируются по краям базового элек-
трода (островка), ограничивая один из размеров переходов его
толщиной. Формируя очень узкую полоску базового электрода
распылением и взрывной литографией, второй из размеров тун-
нельных переходов получают также малым.

Транзистор на основе туннельных переходов Сг/СггОз/Ст,
изготовленный методом ступенчатого торцевого среза, пред-
ставлен на рис. 2.32.

Рис. 2.32. Транзистор на основе туннельных переходов Сг/Сг203/Сг

Основная идея метода заключается в том, что пленка про-
водника толщиной «//напыляется на предварительно изготов-
лен-ную ступеньку диэлектрического материала толщиной 42.
При 41 <42 электроды не имеют контакта на торцах ступеньки,
а ток через структуру течет за счет процесса туннелирования.
Рабочая температура такого транзистора составляет примерно
15 Л'. Описанные выше транзисторные структуры можно отне-
сти к разновидности пленочных структур.

К другому типу металлических одноэлектронных структур
относятся приборы на основе цепочек коллоидных частиц золо-
та с молекулярными связями. Частицы золота осаждаются
на подложку с использованием аминосиланового адгезион-
ного средства с предварительно изготовленными металличе-
скими (Ап) электродами истока, стока и затвора, при этом они
формируют островки (органические молекулы служат туннель-
ными барьерами).
В результате соответствующей обработки образуются ор-
ганические молекулы, связывающие осаждаемые коллоидные
частицы и электроды истока и стока. Электронный транспорт
в такой структуре осуществляется за счет туннелирования элек-
тронов через цепочку коллоидных частиц. Таким образом, дан-
ный прибор представляет собой многоостровковую цепочку.
Рабочая температура прибора около 4,2 К, хотя при 77 К нели-
нейность ВАХ сохраняется.

Молекулярный одноэлектронный транзистор. Большая
часть экспериментов по изучению одноэлектронных струк-
тур, полученных с помощью литографии, выполнялась при
температуре около 1 К. Для повышения рабочей температу-
ры необходимо уменьшить характерный размер структуры <1,
чтобы понизить типичное значение емкости С (для работы
при Т = 300 К требуется С < 10 8 Ф. соответствующее с! < Знм),
и это довольно серьезная проблема. Технология, позволяющая
легко получать низкие значения емкости, которая фактически
и была первой методикой, примененной для исследования од-
ноэлектронного туннелирования при высоких температурах,
основана на использовании сканирующего туннельного микро-
скопа (СТМ).

Игла СТМ, малая проводящая частица и подложка пред-
ставляют собой простейшую одноэлектронную цепь из двух
последовательных туннельных переходов. Для достаточно ма-
лых металлических частиц одноэлектронный заряд сохраняется
вплоть до комнатной температуры.

Недостатком этой технологии было отсутствие управ-
ляющего электрода, с помощью которого можно было бы
воздействовать на электронный транспорт. С помощью этой
технологии создан действующий макет молекулярного одно-
электронного транзистора с металлическим затвором, кото-
рый управляет туннелированием единичных электронов с иг-
лы СТМ на подложку через кластерную молекулу (рис. 2.33).
к

1	400 нм ।

р»----------

Рис. 2.33. Схема одноэлектронного транзистора на основе единичной
кластерной молекулы:

1 - подложка; 2 - изолирующая прослойка (АЬОз);

3 - золотой электрод затвора; СТМ - сканирующий туннельный микроскоп

Ленгмюрблоджеттовские (ЛБ) монослои стеариновой кис-

лоты с внедренными в них металлоорганическими кластерами
осаждались на подложку из пиролитического графита с заранее
сформированным управляющим электродом (рис. 2.34).

Электрод изготовлен с помощью стандартной техники
электронной литографии и представляет собой систему тонких
(50 нм) и узких (400 нм) золотых полосок, отстоящих друг от
друга на расстоянии 400 нм.

Рис. 2.34. Изображение золотого электрода затвора,
сформированного перед осаждением монослоя лестницей

Все полоски соединены последовательно и отделены от
подложки изолирующей прослойкой (А1гОз) толщиной 50 нм.
Среднее расстояние между кластерами составляет около 20 нм.

Размер и форма не являются абсолютно воспроизводимы-
ми, что может объясняться, например, различной ориентацией
кластерных молекул в монослое.
Устройства на одноэлектронных транзисторах

Аналоговые устройства. Одним из первых предложений
использования явления одноэлектронного туннелирования было
создание стандарта постоянного тока. В устройство на основе
одиночного перехода, который вводится в режим одноэлек-
тронных колебаний, подается высокочастотный сигнал с часто-
той /< 0.1т1, где г = КС - постоянная времени одноэлектронно-
го перехода с сопротивлением К и емкостью С. Синхрониза-
ция осуществляется основной частотой /или одной из ее гармо-
ник м/.

I = 1п = нс]/,

где п - целое число.

Стандарт постоянного тока строится на анализе ступенек на
вольтамперной характеристике при условии точного задания ча-
стоты внешнего сигнала. Одноэлектронные туннельные транзи-
сторы могут служить в качестве электрометрических усилителей,
чувствительность которых ограничивается флуктуациями напря-
жения. Оценки показывают, что чувствительность такого усили-
теля по напряжению V может составить 10 В/Гц, а к заряду
= СОС = 4 - 10б ц/Гц - при Со ~ 6-10 8 Ф и входном сопротивле-
нии (сопротивлении утечки) порядка 1018 Ом.
ГЛАВА 3. НАНО ТЕХНОЛОГИЯ

В СОЗДАНИИ НОВОЙ ТЕХНИКИ -
ТЕХНОЛОГИЯ БУДУЩЕГО

3.1. Технология будущего

Проводимые исследования в области нанотехнологий уже
позволили выработать технологии производства устройств и их
компонентов, необходимых для создания, обработки и манипу-
ляции атомами, молекулами и частицами, имеющих размеры
в пределах 1... 100 нм.

Использование в нанотехнологиях передовых научных ре-
зультатов позволяет относить ее к высоким технологиям.

Частицы вещества размерами 1... 1 000 нм, обычно называ-
емые «наночастицами», могут иметь совершенно новые свой-
ства. Так, например, наночастицы одних материалов имеют
очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства,
а других материалов приобретают удивительные оптические
свойства. Примером тому служат сверхтонкие пленки органиче-
ских материалов, которые используются для производства сол-
нечных батарей. Такие батареи, хотя и обладают сравнительно
низкой квантовой эффективностью, зато более дешевы и меха-
нически гибкие. Искусственные наночастицы могут взаимодей-
ствовать с природными объектами, имеющими наноразмеры, -
белками, нуклеиновыми кислотами и др. Тщательно очищенные
наночастицы могут самовыстраиваться в определенные струк-
туры. Такая структура, содержащая строго упорядоченные на-
ночастицы, также способна проявлять необычные свойства.

Одним из важнейших вопросов, стоящих перед нанотехно-
логией, - как заставить молекулы группироваться определен-
ным способом, самоорганизовываться, чтобы в итоге получить
новые материалы или устройства. Супрамолекулярная химия
изучает не отдельные молекулы, а взаимодействия между моле-
кулами, которые, организовываясь определенным способом,
могут образовать новое вещество. В природе существуют такие
системы и осуществляются подобные процессы. Так, известны
биополимеры, способные организовываться в особые структу-
ры.

Кроме атомной сборки молекул нанотехнология позволяет
производить новые методы записи и считывания информации.

Нанотехнологии уже играют решающую роль в компью-
терной индустрии - ведь размеры транзисторов измеряются
нанометрами. В 2007 г. промышленность вышла на 45-нано-
метровый рубеж, в 2009 г. предполагается 32-нанометровый,
а в 2011 г. - 22-нанометровый. Возможно, 16-нанометровый
станет последним шагом к миниатюризации, т. к. сформировать
транзистор в более тонком слое полупроводника (для суще-
ствующих технологий, основанных на полевых транзисторах)
очень сложно по фундаментальным физическим причинам. Од-
ним из перспективных направлений в наноэлектронике является
применение нанопроводов, нанометровых нитей.

В развитии нанотехнологии наступил этап, когда первые
рекордные результаты, показывающие скорее потенциальные
возможности в этой области, достигнуты, а технология, которой
можно пользоваться для создания наноэлектронных схем, пока
отсутствует. Главной причиной является невозможность полу-
чения проводящих наноструктур на изолирующей поверхности
диэлектрической подложки. Тем не менее, определенные до-
стижения имеются.

Для содействия реализации государственной политики в
сфере нанотехнологий, развитию инновационной инфраструк-
туры в сфере нанотехнологий, реализации проектов создания
перспективных нанотехнологий и наноиндустрии в РФ в 2007 г.
была создана «Российская корпорация нанотехнологий (ГК
«Роснанотех»), утверждена Федеральная целевая программа
«Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Феде-
рации на 2008...2010 гг.». Цель программы: создание в Россий-
ской Федерации современной инфраструктуры национальной
нанотехнологической сети для развития и реализации потенци-
ала отечественной наноиндустрии. В 2008 г. финансирование
России на развитие нанотехнологий достигло уровня США.
Пока в области нанотехнологий самым лучшим в России
остается проект Российской корпорации нанотехнологий
(РОСНАНО) и «СИТРОНИКС» по производству чипов.

Б электронике будут создаваться сверхбыстродействующие
компьютеры не только с обычными архитектурами, но и нейро-
компьютеры, сверхбыстродействующие функциональные
устройства с рекордной производительностью, в оптоэлектро-
нике будут синтезированы давно ожидаемые излучатели с пере-
страиваемым спектром и широкополосные фотоприемники,
имеющие КПД десятки процентов.

Мир совершенствуется каждый день, изобретая и открывая
что-то новое, и без этих достижений мы бы не продвинулись

так далеко.

Ученые, исследователи, разработчики и дизайнеры со всего
мира пытаются воплотить то, что упростит нашу жизнь и сдела-
ет ее интереснее.

Вот несколько технологий будущего, которые поднимают
нашу жизнь на совершенно другой уровень:

1.	Несомненный интерес вызывают разработки мемристо-
ров - резисторов, которые запоминают силу протекающего че-
рез них гока (рис. 3.1).

средней величины	сопротивление	сопротивление

Рис. 3.1. Схема работы мемристора

Мемристор можно сравнить с трубой, диаметр которой за-
висит от напора жидкости и направления потока. Пока жид-
кость не подается, труба «помнит» свое предыдущее состояние.
Мемристор может стать основой для «памяти» устройств искус-
ственного интеллекта - он будет организовывать нейронные
сети, создавая и разрывая связи между наноустройствами.
2.	Сверхбыстрый 5С интернет от беспилотников с сол-
нечными панелями (рис. 3.2). Компания 6оо§1е работает над
дронами на солнечных панелях, раздающими сверхскоростной
интернет в проекте, названном Рго]ес1 8куЪепс!ег. Теоретиче-
ки беспилотники будут предоставлять Интернет-услуги в 40 раз
быстрее, чем в сетях 46, позволяя передавать гигабайт данных в
секунду.

Рис. 3.2, Солнечный панель с сверхскоростным интернетом

Проект предусматривает использование миллиметровых
волн для предоставления сервиса, так как существующий
спектр для передачи мобильной связи слишком заполнен.

Однако эти волны имеют более короткий диапазон, чем
мобильный сигнал 46. Компания 6оо§1е работает над этой про-
блемой, и если удастся решить все технические проблемы,
вскоре может появится Интернет небывалой скорости.

3.	5Б-диски для вечного хранения терабайтов данных
(рис. 3.3). Исследователи создали 5В-диск, который записывает
данные в 5 измерениях, сохраняющиеся миллиарды лет. Он мо-
жет хранить 360 терабайт данных и выдержать температуру до
1000 градусов.

Рис.. 3.3. 50-диск для вечного хранения терабайтов данных

Файлы на диске сделаны из трех слоев наноточек. Пять из-
мерений диска относятся к размеру и ориентации точек, а также
97
их положению в пределах трех измерений. Когда свет проходит
через диск, точки меняют поляризацию света, которая считыва-
ется микроскопом и поляризатором.

4.	Экраны с высокой разрешающей способностью. Изобра-
жение на экране компьютера передается пикселями - крошеч-
ными точками. Из-за количества таких точек, а не от их размера
или формы, зависит качество изображения. Если увеличить ко-
личество пикселей на традиционных мониторах, то автоматиче-
ски необходимо увеличивать и размер самого экрана. Ведущие
производители как раз заняты тем, что продают экраны боль-
ших размеров потребителю. Понимая перспективы использова-
ния нанопикселей, исследователи из Оксфордского университе-
та придумали способ, как создать пиксели в несколько со-
тен нанометров в диаметре. Во время эксперимента, когда уче-
ные зажали между прозрачными электродами несколько слоев,
300 на 300 нанометров каждый, материала С8Т в качестве пик-
селя, то получили изображение высокого качества и высокой
контрастности. Нанопиксели благодаря своим крошечным раз-
мерам будут намного практичнее традиционных и могут стать
основой развития оптических технологий, например, умные оч-
ки, искусственная сетчатка и складной экран. Кроме этою,
нанотехнологии не энергозатратны, так как способны обновлять
только часть экрана для передачи изображения, на что требует-
ся меньше энергии.

5.	Зарядка телефона. Какой бы модели или марки не был
телефон или смартфон, 1РЬопе или 8атьип§, у каждого из них
есть существенный недостаток - ресурс аккумулятора и время
его зарядки. Израильским ученым удалось создать аккумулятор,
зарядка которого длится 30 секунд благодаря открытию в обла-
сти медицины. Дело в том, что при изучении болезни Альцгей-
мера в Университете Тель-Авива ученые обнаружили способ-
ность молекул пептидов, которые вызывают болезнь, аккумули-
ровать электрический заряд. Компания ЕЙогеПот заинтересова-
лась этим открытием, гак как давно работает в сфере практиче-
ских применений нанотехнологий, и ее исследователи разрабо-
тали технологию УапоПоТя для эффективной и более длитель-
ной работы батарейки смартфонов.
6.	Коммуникация на уровне молекул. Электромагнитные
волны, основа современных коммуникационных технологий, не
являются надежным средством, гак как любой электромагнит-
ный импульс, может не только нарушить работу спутника связи,
но и вывести его из строя. Неожиданное решение данной про-
блемы было предложено учеными Университета в Уорвике, Ан-
глия, и Университета в Йорке, Канада. Решение было подсказа-
но ученым самой природой, а именно тем, как животные обща-
ются на расстоянии при помощи запаха, которым они кодируют
послание. Ученые тоже попробовали закодировать молекулы
испаряющегося спирта, применив революционную коммуника-
ционную технологию, и отправили сообщение, которое содер-
жала следующее: «О, Канада». Для кодирования, передачи и
приема подобного сообщения необходимо наличие передатчика
и приемника. На передатчике набирается текстовое сообщение с
помощью А Мито Опе (микроконтроллера для кодировки), ко-
торый преобразует текст через двоичный код. Это послание
распознается электронным распылителем со спиртом, который
«1» он заменяет на один впрыск, а «О» - как пробел. Затем при-
емник с химическим сенсором улавливает спирт в воздухе и
декодирует его в текст. Сообщение преодолело путь в несколь-
ко метров на открытом пространстве. Если технологию усовер-
шенствовать, то человек будет способен передавать сообщения
в труднодоступные места, например, туннели или трубопрово-
ды, где электромагнитные волны бесполезны.

7.	Запоминающее устройство. Компьютерные технологии за
последнее десятилетие сделали огромный скачок в развитии от-
носительно мощности и емкости хранения информации. В свое
время, 50 лет назад, такой скачок предсказывал Джеймс Мур. Его
именем даже был назван соответствующий закон. Но современ-
ные физики, а именно Мичио Каку, заявляют, что закон прекра-
тит свою работу, так как мощь и емкость вычислительной техни-
ки не соответствует существующим производственным техноло-
гиям. Ученые сейчас вынуждены искать альтернативные реше-
ния данной проблемы. Например, исследователи из Университе-
та КМ1Т в Мельбурне во главе с Шаратой Шрирамой уже на пути
создания таких устройств, которые будут имитировать работу
человеческого мозга, а именно отдела хранения информации.
В роли «мозга» выступает нанопленка, химически запрограмми-
рованная на хранение электрических зарядов по принципу
«включен», «выключен». Пленка, в 10 000 раз тоньше человече-
ского волоса, станет ключевым фактором в развитии революци-
онных устройств хранения информации.

8.	Быстрые роботы. Нет сомнений, что в ближайшем бу-
дущем роботы будут нас окружать: в качестве помощников, пи-
томцев, возможно, друзей и даже партнеров. Не так давно уче-
ные создали роботов, которые способны сохранять баланс, хо-
дить и бегать по неровной и неустойчивой поверхности. Такие
роботы более пригодны для адаптации к нашей человеческой
среде. Безусловно, это шаг вперед на пути к нашему будущему
сосуществованию с роботами.

9.	Нейроморфные чипы. Вам известно, что человеческий
мозг - самый совершенный процессор во Вселенной из тех, что
мы знаем? Он способен обрабатывать информацию со скоро-
стью света, не затрачивая при этом много энергии (и практиче-
ски не занимая места). Нейроморфная инженерия - это попытка
имитировать функции головного мозга человека. Ученые созда-
ли искусственную систему обработки данных, которая состоит
из небольших плат играющих роль нейронов нашего мозга. По
мощности, размерам и потреблению энергии технология срав-
нима с человеческим мозгом. Разработка нейроморфных чипов
поможет создать сверхскоростной и сверхэффективный процес-
сор, который будут использовать смартфоны, компьютеры и,
возможно, роботы.

10.	Смартфон, состоящий только из дисплея, - давняя меч-
та разработчиков. С каждым годом, с каждой новой моделью
площадь дисплея мобильных устройств все увеличивается. По
слухам, следуя по стопам Хтаопп, следующий телефон 8атзпп§
из серии Са1аху 8 будет состоять из дисплея на 95 %. Оставши-
еся 5 % придутся на фронтальную камеру. Скорее всего, иде-
альный телефон будет состоять только из дисплея, без каких-
либо «рамок».

11	Аккумулятор на органических радикалах. Смартфоны
стали нашими ближайшими друзьями, с каждым годом они ста-
новятся все более и более мощными. Основной их недостаток -
время автономной работы, которое сокращается параллельно с
развитием мощностей. Аккумулятор на органических радикалах
(ОКБ) приближается к решению этой проблемы. Подобные ба-
тареи появились в 2005 году. Пока что они не доступны для
массового потребителя, однако работа над этой технологией
уже близится к тому моменту, когда чудо-батарейки, наконец,
начнут выпускаться в продажу. В основе такого аккумулятора -
полимеры из органических радикалов, гибкий пластик, который
способен заменить привычные металлические батареи. Твердые
органические радикалы преобразуются в гель и смешиваются с
углеродной основой. Ультратонкие ОИВ станут гораздо более
мощной альтернативой сегодняшним литий-ионным аккумуля-
торам.

12.	Солнечные элементы из перовскитов. Кремниевые сол-
нечные элементы, которые в настоящее время преобладают на
мировом рынке, страдают от трех фундаментальных охраниче-
ний. Новый перспективный способ производства высокоэффек-
тивных солнечных элементов с использованием перовскитов
вместо кремния может решить все три одновременно и суще-
ственно повысить выработку электричества из солнечного све-
та.

1.	Первое серьезное ограничение кремниевых фотоэлектри-
ческих ячеек заключается в том, что они изготовлены из мате-
риала, который редко встречается в природе в чистой элемен-
тарной форме, которая необходима. Хотя нехватки кремния в
форме диоксида кремния (песок на пляже) нет, необходимо
приложить огромное количество энергии, чтобы избавить его от
кислорода. Обычно производители нагревают диоксид кремния
до 1500-2000 градусов по Цельсию в дуговой сталеплавильной
печи. Энергия, необходимая для работы таких печей, устанав-
ливает фундаментальный нижний предел себестоимости произ-
водства кремниевых фотоэлектрических ячеек и также добавля-
ет выбросов парниковых газов в процессе производства.

Перовскиты - широкомасштабный класс материалов, в ко-
торых органические молекулы, состоящие в основном из угле-
рода и водорода, связываются с металлом вроде свинца и гало-
геном вроде хлора в трехмерную кристаллическую решетку. Их
производство может быть намного дешевле, а связанных с ним
выбросов - намного меньше. Производители могут наносить
перовскиты тонкой пленкой на поверхность практически любой
формы без необходимости использовать печь. Пленка также ве-
сит очень мало.

2.	Что, в свою очередь, устраняет второе большое ограни-
чение кремниевых солнечных ячеек: их жесткость и вес. Крем-
ниевые фотоэлектрические элементы прекрасно подходят для
использования на плоских больших панелях. Но делать крупно-
масштабные инсталляции таких панелей весьма дорого, поэто-
му вы обычно видите их на крышах домов и на «солнечных
фермах».

3.	Третье серьезное ограничение традиционных солнечных
элементов заключается в их эффективности преобразования
энергии, которая уже 15 лет стоит на отметке в 25 %. Изначаль-
но перовскиты обещали куда более низкую эффективность. В
2009 году элементы из перовскитов на основе свинца, иодида и
метиламмония превращали менее 4 % полученного солнечного
света в электричество. Но темп развития перовскитов оказался
феноменальным, отчасти благодаря тому факту, что этот класс
материалов позволяет работать с тысячами различных химиче-
ских составов. К 2016 году эффективность солнечных элемен-
тов на основе перовскитов подобралась к 20 % - пятикратное
улучшение всего за семь лет с удвоением эффективности за по-
следние два года. Теперь они могут конкурировать коммерчески
с кремниевыми фотоэлектрическими элементами, а пределы
эффективности перовскитов все еще могут быть намного выше.
Быстро развивающиеся фотоэлектрические элементы на основе
перовскитов очень скоро могут обойти уже зрелую технологию
кремниевых ФЭ.

Ученым еще предстоит ответить на несколько важных во-
просов о перовскитах, например, как они будут противостоять
многолетним атмосферным воздействиям и как можно наладить
их производство в таком количестве, чтобы конкурировать
с кремниевыми панелями на мировом рынке. Но даже относи-
тельно небольшой приток этих новых элементов может помочь
обеспечить солнечной энергией удаленные районы, еще не под-
ключенные к электросети. В сочетании с развивающимися тех-
нологиями батарей, перовскитные солнечные ячейки могут по-
мочь трансформировать жизни 1,2 миллиарда человек, которым
в настоящее время не хватает надежного электричества.

13. Сворачивающиеся в рулой телевизоры. Компания БО
разработала прототип телевизора, который можно свернуть, как
рулон бумаги (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Сворачивающий в рулон телевизор (гибкий телевизор)

Телевизор использует технологию светодиодов на основе
полимерной органики, чтобы уменьшить толщину экрана.

Кроме БС, другие крупные производители электроники,
такие как 8атзип%, 8опу и МИзиЫзЫ работают над тем, чтобы
сделать экраны более гибкими и портативными.

3.2.	Комп ьютерная технология в будущем

3.	2.1. Развитие компьютерной технологии

Ученые из разных странах мира предсказывают о будущем
интернета и компьютерных технологий на период до середины
этого века. Прогресс по экспоненте сейчас идет в таких обла-
стях, как нанотехнологии, расшифровка геномов, четкость
снимков, получаемых при томографии мозга. Благодаря разви-
вающимся информационным технологиям в ближайшем буду-
щем люди смогут оснащать свой мозг компьютерами и созда-
вать машины, которые будут не глупее их самих. К 2029 году
появится компьютер, который пройдет так называемый «тест
Тьюринга», то есть сможет так поддержать разговор с челове-
ком, что его нельзя будет отличить от живого собеседника.

Вполне естественно, что искусственный интеллект станет
неотьемлемой частью экономической инфраструктуры. На фон-
довом рынке компьютеры будут анализировать миллиарды
транзакций в реальном режиме времени и мгновенно выявлять
паттерны, невидимые человеческому глазу.

Уже 2045 году интеллект машин вырастет в миллиарды раз
но сравнению с совокупным интеллектом всех людей, это и бу-
дет горизонтом событий, потому что наш разум не в состоянии
представить себе поведение сознания, которое настолько его
превышает. В любом случае нам придется измениться, чтобы
быть под стать машинам, возможно, усилив за их счет наш соб-
ственный интеллект». Единый стандарт - ключ к успеху. 1ВМ
обогатилась, когда создала единый стандарт компьютеров, ко-
торые собираются подобно конструктору. Мгсгозой развязала
руки программистам, получившим возможность создавать при-
ложения для единой операционной системы. Феномен ОС
Апйгок! для смартфонов и нетбуков - из этого же ряда. Будущее -
за единым стандартом всех элементов современной интернет-
среды: от протоколов до браузеров.

Возможность взаимосвязи - одна из важнейших тенден-
ций, которая приведет к созданию революционной нервной си-
стемы всей планеты, способной оперировать с неимоверно воз-
росшим количеством данных, информации и знаний, используя
все более быструю передачу и анализ сигналов. Это гораздо бо-
лее способная к адаптации, интеллектуальная и сложная нерв-
ная система человеческой расы, которую невозможно было
представить себе когда-либо в прошлом. К 2050 году интернет,
киноиндустрия, фармакология, компьютерная отрасль и наука о
мозге станут единым целым, предлагая человеку всеобъемлю-
щее пространство и безграничные возможности для развлече-
ний и самовыражения.

К 2050 году компьютерные технологии достигнут такого
высокого уровня, что человеческое сознание можно будет пол-
ностью перенести в суперкомпьютер. Нас ждет «интернет ве-
щей». Он уже наступил, но получит развитие. Это момент вре-
мени, когда количество «вещей» или материальных объектов,
подключенных к интернету, превысило число людей, пользую-
щихся «всемирной паутиной».

«Интернет вещей» позволит производить мониторинг практи-
чески любого объекта и парамегра окружающей среды. При этом
мы сможем не только отслеживать эти объекты и параметры, но и
управлять ими, а также включать информацию о них в общую
«цифровую вселенную». По некоторым подсчетам, количество
объектов, которые «интернет вещей» сможет соединить между со-
бой, будет сравнимо с количеством атомов на поверхности Земли.

Миллионы датчиков или миникомпьютеров, подключен-
ных к «Интернету вещей», будут проникать в области, о кото-
рых нынешний интернет не мог даже мечтать. «Умные» объек-
ты и подключенные сети смогут управлять сетями электропере-
дач, следить за загрязнением мирового океана и лесными пожа-
рами, проверять качество воздуха в шахтах, а также вести мони-
торинг заводов, трубопроводов, мостов, складов, жилых домов,
коммерческих зданий и любых других объектов, созданных че-
ловеком и природой.

Все это будет развиваться параллельно с ростом памяти
устройств. К 2029 году за $100 можно будет купить систему
хранения емкостью в 11 петабайт. Такого объема электронной
памяти будет достаточно, чтобы круглосуточно проигрывать
видео ВУО-качества в течение 600 с лишним лет.

В будущем электронные устройства все больше будут ори-
ентироваться на своего владельца, совершенствоваться в пони-
мании интимной стороны жизни человека. Меняется парадигма
отношений между человеком и гаджетом. По мере развития мы
все больше воспринимаем электронные устройства как личные
ассистентов и даже товарищей. Гаджеты уже научились отсле-
живать геохрафическое положение, улавливать интонацию и
особенности речи владельца, замерять его пульс и даже скани-
ровать активность мозга. Обрабатывая эти данные, современное
устройство способно дать своему владельцу совет, который ра-
нее могли дать только близкие люди и родственники. Пред-
ставьте аппарат, который, используя ряд сенсорных модулей, точ-
но определяет, чем вы сейчас занимаетесь: от состояния сна, до
пробежки с другом. В будущем устройства начнут запоминать
приобретаемый вами опыт, узнавая вас как личность. Привычный
нам телевизионный пульт может стать другом и советчиком, рас-
познав человека по прикосновению, поприветствовав его и посо-
ветовав ряд телепередач, которые идут в данный момент в эфире.

Более того, технологии развиваются гораздо более быст-
рыми темпами, чем кто-либо мог предположить 40 лет назад.
Можно утверждать, что сегодня общество переживает перелом-
ный момент, после которого технологии начнут развиваться по
экспоненте, и, возможно, вскоре искусственный интеллект пре-
взойдет человеческий разум. Интернет убьет газеты. Наступит
время исключительно экранного потребления информации.
Немецкая индустрия продержится до 2030-го, японская - лишь
на год дольше. Российские газеты исчезнут к 2036-му, причем,
одновременно с турецкими. В силу того, что газетная индустрия
африканских и ряда азиатских стран отстает в своем развитии
от европейских и американских газет, то и проживет она доль-
ше остального мира: агония может продолжиться и в 2040-х.
Вслед за газетами и книгами начнет умирать текст, информация
визуализируется». Поскольку в развитии Всемирной паутины
нет и никогда не было общего планирования, мы являемся сви-
детелями настоящей самоорганизации «коллективного разума»,
то есть пространство интернета развивается по всем законам
эволюции как настоящая дарвиновская система, как глобальный
живой метаорганизм. И в этом организме мы, люди, являемся
в некотором смысле нейронами нервной системы.

Под влиянием ингернет-сервисов возникает новая пластич-
ность мозга. Миллионы пользователей социальных сетей вы-
кладывают в интернете сотни миллионов фотографий, сообще-
ний, информации - все это перестает быть достоянием автора
или героя снимка. Гигантский поток информации, ее дублиро-
вание в разных источниках, разные каналы доступа к ней - все
это не позволяет ее забыть. На подсознательном уровне любая
информация остается с нами. Невозможность забвения и 1ро-
мадный поток информации изменят свойства мозга: он сможет
«обрабатывать» в тысячу раз больше операций, чем сейчас.
Интернет тем самым начинает управлять нами и нашими воз-
можностями, а не мы интернетом».

3.	2.2. Будущее в компьютерной технологии

Молекулярные компьютеры. На смену нынешней микро-
электронике придет наноэлектроника. По прогнозам через
20...25 лет вместо нынешних полупроводниковых кремниевых
компьютеров будут работать молекулярные компьютеры. А че-
рез следующие 10-20 лет прогнозируют приход нового поколе-
ния компьютеров - квантовых и ДНК-компьютеров.

Молекулярный компьютер (нанокомпьютер) - это вычис-
лительное устройство размером несколько нанометров.

Достижения современных информационных технологий и
очевидная неизбежность появления в ближайшем будущем
принципиально новых разработок порой тесно переплетаются
со вчерашней фантастикой.

Представьте себе транзистор, состоящий всего из одной
молекулы. Если из миллиарда таких транзисторов построить
процессор - он будет не больше песчинки. При этом его произ-
водительность возрастет в сотни или даже тысячи раз по срав-
нению с современными компьютерами.

Молекулярные процессоры» можно будет встраивать в лю-
бые, даже самые крошечные устройства, внедрять их в волокна
ткани, превращая одежду в надеваемый компьютер. «Молеку-
лярные блоки памяти» обеспечат плотность хранения данных,
немыслимую для полупроводниковых микросхем.

Основные компоненты молекулярного компьютера должны
быть теми же, что и у обычного компьютера: система ввода ин-
формации, вычислительный блок (процессор), система хране-
ния информации (память) и, наконец, система вывода информа-
ции. Ну и, конечно, провода и блок питания.

Молекулярные технологии сулят появление микромашин,
способных перемещаться и прилагать усилие. Причем для со-
здания таких устройств можно применять даже традиционные
технологии травления. Когда-нибудь эти микромашины будут
самостоятельно заниматься сборкой компонентов молекулярно-
го или атомного размера.
В молекулярных компьютерах вместо кремниевых чипов
будут работать супермолекулы и супрамолекулярные ансамбли.
Их получение и свойства изучаются органической и супрамоле-
кулярной химией. Многие такие объекты можно с достаточным
основанием назвать «интеллектуальными молекулами». Они
могут существовать в двух состояниях, одно из которых обла-
дает электрической проводимостью (в частности, здесь могут
быть использованы ротаксаны). Перевод из одного состояния в
другое можно осуществить под воздействием тепла, света, хи-
мических агентов, электрического и магнитного полей. Такие
молекулярные переключатели - это, в сущности, будущие тран-
зисторы молекулярных компьютеров Их размеры будут на два
порядка меньше самых маленьких нынешних. Это даст огром-
ное (на десять порядков) повышение производительности. По
прогнозам, будущий молекулярный компьютер может оказаться
в 100 миллиардов раз эффективнее нынешнего.

В молекулярных компьютерах переключателями могут слу-
жить супермолекулы ротаксанов или катенанов, в качестве памяти
будут применяться стабилизированные ансамбли наночастиц, а
проводами станут нанотрубки или молекулы полимеров с сопря-
женными двойными связями (синтетические металлы).

Есть способ связывания нанотрубки или фуллерена с поли-
мером, желательно проводником тока (например, политиофе-
ном), а также приборы для наноэлектроники на этой основе.
Рассмотрены такие новые и весьма перспективные разработки,
как создание наноразмерных электрических контактов путем
нанесения металлических покрытий на белки и биоматериалы.

Особенно впечатляет так называемый «биологический
нанокомпьютер». Эта разработка проведена в Израиле. Изра-
ильские ученые разработали компьютер, который бьет все по-
ставленные до сих пор рекорды миниатюризации ЭВМ.
В обычную лабораторную пробирку поместится около триллио-
на таких машин.

ДНК хранит огромные массивы информации. Нанокомпью-
тер состоит из сочетания молекул ДИК и молекул энзимов, ве-
ществ, «анализирующих» ДНК. Элементы компьютера работают в
жидком состоянии - они взвешены в веществе, залитом в ту самую
пробирку, о которой речь шла несколькими строками выше. Ис-
следователи рассчитывают, что следующим шагом станет созда-
ние устройства, способного анализировать живые молекулы ДНК.
Оно поможет в поисках патологий и в разработке новых лекарств.
Однако это - планы на отдаленное будущее. Пока что нанокомпь-
ютеры будут использовать для того, чтобы облегчить задачу ана-
лиза ДНК в лабораторных условиях. Прежде всего, речь идет
о расшифровке геномного кода живых существ. Эту процедуру
сейчас проделывают с самыми разными лабораторными объекта-
ми - от мух-дрозофил и обычных помидоров до человеческих ор-
ганизмов. Как только ДНК будет расшифрована, ученые смогут
узнать массу новых подробностей о гом, как функционируют при-
родные механизмы хранения и передачи данных.

Интересное исследование выполнено в Университете
Клемсона (Южная Каролина, США), в котором показана воз-
можность присоединения белков к углеродным нанотрубкам.
Методом агомно-силовой микроскопии установлено, что белки
удалось прочно связать с нанотрубками, и при этом до 90 %
связанного белка остается биологически активным. Этот прин-
ципиально важный результат прямо доказывает реальность со-
здания молекулярных устройств путем интеграции искусствен-
но полученных наночастиц с природными белками.

Создание молекулярных компьютеров откроет человече-
ству невиданные, поистине фантастические возможности. Чело-
век научится вживлять эти сверхминиатюрные устройства в
свои ткани и органы. Начнется широкое внедрение в организм
датчиков и других приборов. Реальные очертания приобретет
создание «искусственного интеллекта». Нынешний человек как
биологический вид, конечно, им и останется. И все же это будет
уже другой человек. Будущий кото заргепз будет качественно
отличаться от нынешнего за счет симбиоза с молекулярной
электроникой, с другими продуктами высоких технологий,
с Интернетом. Для будущего человека станет доступна вся ин-
формация, накопленная предками, ее полностью оцифруют.
В его распоряжении окажутся неограниченные резервы памяти,
мощные технологии вычислений, обработки данных, надежные
оценки и прогнозы. Новые технологии можно будет использо-
вать и для коррекции психики, охраничения агрессии, блокиро-
вания боли, мобилизации сил и т. д. Не исключено, что, достиг-
нув такого уровня, человек даже захочет и сможет решить про-
блему своего бессмертия.

Когда же реально появятся первые молекулярные компью-
теры? О молекулярных компьютерах разговоры ведутся давно, и
эта тема сегодня продолжает волновать ученый мир. Несмотря на
то, что перспектива выпуска серийного компьютера на молеку-
лах все еще остается весьма отдаленной, определенные подвижки
в этой области уже есть. Разработчики, специализирующиеся
в данной сфере, предполагают, что молекулярные компьютеры
сменят технику на кремниевых элементах уже через 20., .25 лет.

Что представляет собой молекулярный компьютер?
Это устройство, в котором работу кремниевых чипов выполня-
ют «интеллектуальные» молекулы и молекулярные соединения,
обладающие способностью существовать в двух термодинами-
чески устойчивых состояниях, отличающихся определенными
химическими и физическими свойствами. Трансформировать
молекулу из одного состояния в другое можно при помощи све-
товой, тепловой энергии, химических агентов, электрического и
магнитного полей, других генераторов энергии. Переключае-
мые бистабильные молекулы возможно рассматривать как
наноразмерную двухбитовую систему, способную воспроизво-
дить функцию классического транзистора. Ученые полагают,
что дальше последуют спинтроника, компьютеры на квантовых
точках или ДНК-машины.

Большой популярностью пользуется идея о постепенном сли-
янии вычислительных систем и живых организмов. Биотехноло-
гии позволят начать широкое производство имплантатов с компь-
ютерными функциями, мыслящих машин и распространен-
ных в научной фантастике киборгов - полулюдей-полуроботов.
Поскольку, по прогнозам ученых, в ближайшее время вычисли-
тельная мощность обычных компьютеров может превысить мощ-
ность человеческого мозга, усиление возможностей человека при
помощи имплантатов может стать вполне актуальным. Конечно,
все это - лишь спекуляции, и они мало что значат без конкретных
прорывов в науке, исследований, опытных образцов и т. п.
Таковые, правда, уже существуют, и мо!ут стать первым шагом в
направлении нового технологического скачка. По словам астрофи-
зика Стивена Хокинга, с дальнейшим развитием технологии неиз-
бежно и изменение самих людей: ДНК, образа жизни и самой их
природы. Нанокомпьютеры в своем развитии пройдут несколько
стадий.

Квантовые компьютеры. Квантовая механика работает с ча-
стицами, которые значительно меньше атомов - именно из них и
будут состоять элементы квантовых компьютеров. Теория кван-
тов предполагает, что частицы могут иметь сразу несколько раз-
личных состояний (за счет того, что все законы срабатывают не
постоянно, а с определенной вероятностью). Таким образом,
один бит будет хранить не одно значение (0 или 1), а целых три
одновременно: 0, 1 и нечто среднее. Если взять хотя бы 4 таких
квантовых байта (32 бита), количество возможных комбинаций
значений, которые они смогут одновременно содержать, превы-
сит 4 миллиарда. Впрочем, пока что ученым не удалось создать
достаточно устойчивую квантовую структуру. На данный момент
существует лишь несколько отдельных запоминающих и логиче-
ских элементов такой структуры. В будущем предполагается со-
здать цепи из ячеек, представляющих собой специальные атомы
или молекулы, предназначенные для «сбора» электронов. Такие
цепи могут работать как проводники сигналов: электроны попа-
дают в молекулу, и выталкивают другие элекгроны, которые уже
там находились, к следующей молекуле - так и передается сиг-
нал. Такой памяти даже не нужна электроэнергия для работы!
Однако, чтобы создать подобную систему, все еще нужно решить
проблему объединения элементов в устойчивую структуру, а за-
тем необходимо обеспечить стабильное взаимодействие между
ними. Наконец, финальным этапом станет налаживание массово-
го производства квантовых компьютеров. По прогнозам некото-
рых ученых, это может произойти в ближайшее десятилетие.

Оптические компьютеры. Следующий этап - «оптические»
компьютеры. Это логическое продолжение оптических систем
связи. В настоящее время оптоволокно применяется все чаще и
чаще, и, похоже, скоро будет использоваться везде. Чтобы оп-
тический сигнал, полученный по проводам, не приходилось
постоянно преобразовывать в электрический и наоборот, уче-
ные начали разработки компьютеров, основанных на фотонных
технологиях. До каких-либо практических результатов на этом
фронте еще далеко, но некоторые наработки уже существуют.
Так, канадские специалисты создали жидкие кристаллы, спо-
собные управлять потоками фотонов в кристалле на базе крем-
ния. По их мнению, разработка на этой основе электронных ре-
ле, проводников и микросхем вполне реальна. Тем не менее, все
это пока в будущем. Сегодня оптика, как уже говорилось, в ос-
новном используется в системах связи и медленно, но верно
заменяет электрические провода.

На следующем этапе - «биокомпьютеры». Данная техноло-
гия проводит параллели, называющие живую клетку биологиче-
ской машиной, а человеческий мозг - биокомпьютером. На этом
и основываются разработки, которых, правда, пока довольно
мало. В качестве примера можно привести подключенные к
электрическим проводам живые нейроны: ничего более выда-
ющегося биотехнологии пока не в состоянии представить.

Биокомпъютеры. Ученые Вейцмановского института есте-
ственных наук сконструировали модель биологического ком-
пьютера из пластмассы. Высота модели составила 30 см. По
словам исследователей, настоящий биокомпьютер такой струк-
туры не превышал бы размерами 0.000025 мм - такова величина
одного из компонентов живой клетки. Упомянутый выше опыт
с нейронами, подсоединенными к проводам, позволил выявить
следующую особенность: под воздействием электрических сиг-
налов нейроны способны перестраиваться и образовывать но-
вые взаимосвязи. Это позволяет предположить, что биокомпью-
теры будут способны не только считать по заранее заданным
программам, но и меняться в зависимости от внешних воздей-
ствий, то есть - учиться. Этот принцип планируется использо-
вать при создании мозга роботов.

Молекулярный переключатель. Ученые Калифорнии в сфе-
ре молекулярных компьютерных технологий показывают: за-
ставить молекулу переходить из одного состояния в другое -
возможно. Фактически ученые создали бит памяти, представ-
ляющий собой молекулу ротаксана - вещества, специально раз-
работанного для конструирования на ее основе запоминающих
устройств и наномашин. Следующий этап разработок - созда-
ние логических элементов И, НЕ и ИЛИ. Если это удастся, мо-
лекулярный компьютер вполне оправдает свое название, так как
будет представлять собой три слоя молекул: слой проводников,
слой ротаксана и еще один слой проводников - противополож-
но направленных. Сама структура элементов (ячеек памяти и
логических реле) формируется электронным способом. Ученые
прогнозируют, что такой компьютер будет экономичнее совре-
менных в 100 миллиардов раз, так как он гораздо меньше по
размерам. Сверхмощный процессор размером с пылинку можно
будет поместить куда угодно. Если же научиться строить не
только плоские, но и трехмерные вычислительные схемы, их
возможности увеличатся еще больше. В ближайшие десятиле-
тия возможно не только появление подобных микроскопиче-
ских компьютеров, но и запуск их в серийное производство, что
автоматически означает быстрый рост сферы их применения.

Суперкомпьютеры. Современные исследования в области
нанотехнологий все чаще требуют дополнения физического экспе-
римента «численным» - компьютерным моделированием атомар-
ной структуры и эволюции нанообъекта, основанным на базовых
физических законах. При условии доступности вычислительных
ресурсов достаточной мощности моделирование дает исследовате-
лю то, что часто невозможно в эксперименте: возможность про-
следить и понять, какие именно фундаментальные факторы обу-
словливают те или иные особенности поведения системы. Без ис-
пользования действительно мощных суперкомпьютеров крайне
затруднительно реализовать «инженерный» подход к нанотехно-
логиям - создание наносистем с четко заданными произвольными
свойствами и возможностями. Для поддержки современных ис-
следователей, открывающих для себя возможности суперкомпью-
терного моделирования, ведущий российский разработчик супер-
компьютерных систем компания «Т-Платформы» приняла реше-
ние выступить спонсором в одной из номинаций творческого тура
интернет-олимпиады «Нанотехнологии - прорыв в Будущее!»,
проводимой Московским государственным университетом при
поддержке госкорпорации РОСНАНО.
Возможность работы с материей на уровне индивидуаль-
ных атомов представляет собой важнейшую цель прикладной
науки. Однако современное представление о нанотехнологиях, в
первую очередь, ассоциируется с такими областями, как миниа-
тюризация полупроводниковой электроники или разнообразные
наночастицы (нанотрубки, нанокластеры, нанокристаллы), при-
меняемые самостоятельно, например, в качестве катализаторов,
или для создания композитных материалов с улучшенными
свойствами. В то время как сами по себе такие приложения об-
ладают огромной важностью для развития промышленности, в
большинстве случаев они все же не достигают полностью мас-
штабов прецизионных манипуляций с веществом с атомной
точностью. Их эффективность, хотя она и высока по сравнению
с «обычными» технологиями, составляет довольно небольшую
долю от того, что теоретически может быть достигнуто при
полной реализации потенциала нанотехнологий.

Колоссальная разница в масштабах между объектами при-
вычного нам мира, с одной стороны, и объектами атомарного
масштаба - с другой, делает чрезвычайно затруднительными экс-
периментальные исследования в области нанотехнологий. Полу-
чаемая в экспериментах с атомарным разрешением информация
имеет все более косвенный характер, а сами эксперименты часто
не позволяют получить достаточное количество информации о
сколько-нибудь сложных наноразмерных системах, состоящих из
большого числа различных, сложным образом взаимодействую-
щих друг с другом частей. Еще сложнее дело обстоит с времен-
ным разрешением экспериментов: химические и физические про-
цессы, происходящие в наноструктурах, обычно имеют характер-
ные времена от фемтосекунд до наносекунд; детальное слежение
за процессами, протекающими за такие времена, обычно невоз-
можно - просто потому, что экспериментальные устройства точно
так же состоят из атомов и молекул, и их временное разрешение
ограничено теми же временными масштабами.

Дополнительную сложность представляет собой интерпре-
тация экспериментальных результатов. Дело в том, что нано-
структуры относятся к «промежуточному» диапазону размеров,
на котором все еще определяющее значение имеет атомарная
структура объектов, но сами объекты уже состоят из большого
количества атомов. Из-за последнего обстоятельства соображения
«химической (физической) интуиции» часто уже не позволяют
хорошо понять поведение наноструктур, а первое обстоятельство
затрудняет (часто - до невозможности) построение более-менее
простых феноменологических математических моделей.

Как и в других случаях, когда постановка прямого экспери-
мента или разработка простой модели затруднительна или невоз-
можна (будь то астрофизика, исследование процессов в недрах
планет при сверхвысоких температурах и давлениях, изучение
сейсмической активности или разработка ядерного оружия),
в такой ситуации незаменимым методом исследования и проек-
тирования является компьютерное моделирование. При этом
вместо информативных высокоуровневых феноменологических
моделей, разработанных под конкретную задачу, используются
более универсальные принципы (например, фундаментальные
законы квантовой механики). За счет такого «отката назад» по
лестнице уровней описания системы, вычислительная сложность
задачи сильно возрастает; однако колоссальное превосходство
вычислительной мощности компьютеров над возможностями
человека часто позволяет решить задачи, принципиально нераз-
решимые на уровне «карандаша и бумаги».

С .другой стороны, детальное моделирование атомарной
структуры и эволюции нанообъекта позволяет исследователю
проследить буквально за всеми аспектами поведения модельной
системы с любым нужным ему пространственным и временным
разрешением (при условии наличия достаточных вычислитель-
ных ресурсов) - от макроскопических параметров вроде общей
формы частицы и до локальных характеристик отдельных ато-
мов. При этом тот факт, что моделирование основывается на ба-
зовых физических законах, позволяет обнаружить новые особен-
ности поведения модельной системы, которые, по самому
построению, в высокоуровневых теориях должны вводиться «ру-
ками» на основе уже имеющихся знаний. В этом отношении мо-
делирование весьма схоже с реальным физическим эксперимен-
том, и во многих случаях исследователь, проводящий моделиро-
вание на компьютере, ощущает себя подобно экспериментатору,
работающему со сложным измерительным прибором. Однако,
доступность детальной информации о системе дает исследовате-
лю то, что часто невозможно в эксперименте: возможность про-
следить и понять, какие именно фундаментальные факторы обу-
словливают те или иные особенности поведения системы.

Наконец, компьютерное моделирование оказывается поис-
тине незаменимым инструментом при решении «инженерных»
задач, целью которых является оптимизация тех или иных нано-
структур и наноматериалов под заданное приложение. При
этом большую выгоду можно получить с помощью «виртуаль-
ного прототипирования», рассчитывая характеристики объек-
тов-кандидатов без необходимости их реального синтеза, что
подчас является слишком дорогостоящей задачей, чтобы отбор
можно было произвести на основании реальных измерений.
Пользу от такого подхода в значительной мере уже ощутила
фармакология: «виртуальный скрининг» малых молекул на
предмет сродства к белку-мишени уже сейчас позволяет сэко-
номить миллионы долларов на разработке препаратов и сокра-
тить сроки выхода препарата на рынок на многие месяцы.
В случае нанотехнологий такой подход осложняется большим
разнообразием возможных физических, химических и биологи-
ческих приложений, каждое из которых требует своего уни-
кального подхода, а также - большим разнообразием и сложно-
стью неорганической химии по сравнению с биоорганической.

Применение методов компьютерного моделирования в
нанотехнологиях уже зарекомендовало себя как важнейший ис-
следовательский инструмент, что видно по лавинообразному
росту числа публикаций в научных журналах нанотехнологиче-
ской тематики, посвященных расчетам свойств наноструктур -
как самостоятельным, так и в тесном сотрудничестве с экспе-
риментаторами. Моделирование позволяет в мельчайших дета-
лях предсказать и проследить за атомарной структурой и дина-
микой наночастиц и наноматериалов, исследовать процессы
химического катализа на наноуровне, изучать электронную
структуру и транспортные свойства молекулярных электронных
устройств - и так далее. Фактически, на сегодняшний день,
именно нанотехнологии и смежные области являются основны-
ми потребителями машинного времени во всех мировых супер-
компьютерных центрах широкой специализации.

Доступность вычислительной техники петафлопсного мас-
штаба (производительностью более квадриллиона операций в
секунду) постепенно позволяет исследователям переходить от
моделирования «по аналогии» на примерах простых модельных
систем к вполне реалистичным расчетам на размерных и вре-
менных масштабах, действительно имеющих значение в нано-
технологиях. С другой стороны, большая важность методов
компьютерного моделирования в нанотехнологиях стимулирует
чрезвычайно активную разработку новых параллельных вычисли-
тельных алгоритмов, необходимых для использования столь
больших мощностей. Наглядной иллюстрацией служит тот факт,
что первые два прикладных научных расчета, в ходе которых был
преодолен рубеж производительности в 1 петафлопс, представля-
ли собой исследования по молекулярному моделированию: расче-
ты электронной структуры высокотемпературных сверхпровод-
ников (купратов) квантовым методом Монте-Карло и изучение
эффекта гигантского магнитосопротивления в магнитных наноча-
стицах. Оба рекорда производительности были поставлены на
супер-компьютере .кщиаг, установленном в Национиалытой лабо-
ратории Оак Ридж в США и занимающем второе место в послед-
ней редакции списка Тор-500 самых высокопроизводительных
суперкомпьютеров мира (суммарная производительность супер-
компьютерного комплекса составляет 1,64 петафлопс).

Наиболее показательные результаты с использованием су-
перкомпьютеров в области нанотехнологий продемонстрирова-
ны именно на Западе, где уже наработан большой опыт приме-
нения высокопроизводительных вычислений в области нано-
технологий. Использование возможностей суперкомпьютеров
является широко применяемой практикой при разработке новых
перспективных материалов и устройств и опирается на серьез-
ную поддержку ведущих лабораторий, располагающих мощны-
ми суперкомпьютерными ресурсами. Поддержка ряда подобных
исследований в области нанотехнологий осуществляется в рам-
ках программы ИЧСГГЕ Министерства Энергетики США, а так-
же в рамках родственных программ.
В России с развитием отрасли нанотехнологий использова-
ние высокопроизводительных вычислений также приобретает
все большее значение для научно-исследовательских и опытно-
конструкторских работ, и ряд научных коллективов уже актив-
но применяет методы компьютерного моделирования:

1.	Коллектив физического факультета Южно-Уральского
государственного университета использует суперкомпью-
тер «СКИФ Урал» производительностью 15,9 петафлопс.

2.	Санкт-Петербургский государственный университет
информационных технологий механики и оптики (голов-
ной исполнитель проекта) использует суперкомпьютер
Т-Ес1§е128.

3.	Волгоградский государственный университет.

4.	Московский государственный университет имени М. В Ло-
моносова.

Для разработки программного комплекса для квантово-
механических расчетов и моделирования наноразмерных атомно-
молекулярных систем и комплексов. Разрабатываемый комплекс
обеспечит компьютерное моделирование и расчет наноструктур и
наноматериалов по таким направлениям, как наноэлектроника;
наноматериалы для сверхпроводящих, магнитных и оптических
систем; диагностика и контроль свойств наноструктур; вычисле-
ния электронной структуры наноматериалов и тонких пленок; мо-
делирование наноструктур конструкционного назначения, нано-
структур защитных покрытий, наноматериалов функционального
назначения со специальными физическими свойствами (поглоща-
ющие, отражающие или пропускающие излучения различной при-
роды); исследования гетеросгруктур; наноматериалы для фотони-
ки и телекоммуникаций, включая оптическую связь, спецсвязь,
оптическую запись, хранение и обработку информации; наномате-
риалы для лазерной техники; наноматериалы для медицины.

Благодаря современным суперкомпьютерам ученым уже до-
ступны квантово-механические расчеты для систем из десятков и
сотен тысяч атомов, и миллиардов атомов - методами эмпириче-
ской молекулярной динамики. В перспективе с ростом производи-
тельности вычислительной техники компьютерное моделирование
не только позволит решать все новые исследовательские задачи,
но и станет столь же незаменимым инструментом проектирования
наносистем с необходимыми свойствами, каковым сейчас является
в современном машиностроении и микроэлектронике, где слож-
ность проектируемых объектов многократно превосходит доступ-
ную пониманию инженеров без помощи компьютеров.

Использование суперкомпьютеров является определяющим
фактором успеха в области исследований объектов наноуровня,
и в перспективе - создания новых материалов и устройств на их
основе. Ученые получают возможность исследовать целые си-
стемы методами компьютерного моделирования, что на порядки
сокращает затраты на экспериментальные исследования и сроки
завершения проектов, позволяет сделать новые открытия там,
где раньше это было невозможно.

3.3.	Лазерно-светодиодные ВЬР-проекторы

Проблемы недолговечности, а также большого энергопо-
требления и необходимости постоянного серьезного охлажде-
ния ламп, постаралась решить фирма Само, представив на ры-
нок лазерно-светодиодные ВЬР-проекторы (рис. 3.5). Вместо
лампы использовался красный светодиод и синий лазер. Зеле-
ный цвет получался, благодаря отражению лазерного луча от
механического вращающегося колеса, часть которого (1/3) была
покрыта специальным фосфором.

Синий лазер Красный светодиод

Рис. 3.5. Лазерно-светодиодные ГЛ_Р-проектор
Такая конструкция существенно снижала энергопотребле-
ние, но эффект мерцания, благодаря механическому колесу, все
же имел место.

Лазерные ОйР-проекторы. Лазерный телевизор (Ьазег ТУ,
проэкционный лазерный телевизор) - разновидность технологии
по производству телевизионных панелей на основе лазерного
излучения. Данная технология является самой перспективной,
возможно именно она займет основную нишу по производству
телевизоров и мониторов в будущем, заменив ЬСО технологию
(рис. 3.6).

Рис. 3.6. Лазерный ВЬР-проектор

Принцип технологии заключается в том, что лазерный К.6В
пучок подается на специальную микросхему, которая отражает,
как зеркало, в определенных участках только нужные цвета, в
заданном разрешении. Этот пучок проходит через фильтр удво-
ения кадров и линзы для распределения пучка по проецируемой
поверхности (экрану). Зритель видит обратную сторону проек-
ции. То есть принцип заключается в знакомой всем проекции,
только лазерным светом и с обратной стороны.

Лазерные проекционные системы (рис 3.7) не имеют ни
ламп, ни светодиодов: все делает лазер, точнее лазерный блок.
Световой источник представляет собой как комбинация зелено-
го, красного и синего лазеров, которые способны проецировать
мощнейшие пучки света прямо на микрозеркала чипа.
Рис. 3.7. Лазерная проекционная система

Данный блок имеет массу преимуществ: не нужно поляри-
зовать свет для его последующего разложения, никаких меха-
нических колес и светофильтров, низкое энергопотребление и
увеличенный срок службы. Встроенный коммутатор сам вклю-
чает и выключает лазер нужного цвета, но изображение, про-
ецируемое на экран - все так же не полноцветное, их по-
прежнему три (красное, зеленое и синее), поэтому задача глаз
собрать все это воедино - остается.

Идеальный выход из такого положения - трехматричная
система с независимыми лазерами, в этом случае и эффект
«мерцания» сведен к минимуму, так как лазер каждого цвета
работает непосредственно на свою микрозеркальную матрицу,
единственный минус - стоимость такого проктора.

3.4.	Навоэлектроника в телевизорах

3.4.1.	Новые серии телевизоров

Домашний кинотеатр для рационального потребителя
Телевизор 5атзип§ ЗИтРИ 11'8-32/30 НЬ О

Никогда еще у обычного пользователя не было такого бога-
того выбора основы для домашнего кинотеатра, как сегодня.
Посудите сами: в качестве формирователя изображения мы се-
годня можем использовать телевизоры, использующие как ми-
нимум три технологии: СКТ (электронно-лучевая трубка), ТРТ-
РС'О (матрица ТРТ-ЬСБ с использованием жидких кристаллов)
и РЭР (р1азта рапе! 418р1ау - плазменная панель). Есть еще и
видеопроекторы, но они, как правило, используются не в до-
машних, а в настоящих кинотеатрах. Понятно, что все взоры
пользователей устремлены на изучение возможностей телевизо-
ров, в создании которых используются новые технологии
ТРТ-ЕСЭ, и особенно РЭР. Плазменная панель в последние годы
стала эталоном для показа качественного широкоформатного ТУ.

Однако сегодня мы поговорим о новой серии телевизоров
8ат8ип§ 81ппЕп, в которых используется технология С КТ, но
при этом они практически не уступают ЖК-телевизорам и теле-
визорам с плазменными панелями в отношении малой глубины
и дизайна, и даже превосходят их в цветопередаче, яркости,
контрастности и других характеристиках качества изображения.
Благодаря малой глубине, превосходным характеристикам и
приемлемой цене, телевизоры 8ат8Ш1§ БИтЕй формируют но-
вую категорию телевизоров, которая идеально соответствует
требованиям рационального потребителя. Итак, в чем особен-
ность телевизоров данной серии? Первое, что обращает на себя
внимание, когда в первый раз видишь телевизор 8ат8Ш1§
81ппЕй \У8-322.30 НЕр, это то, что при размере диагонали в 32
и широкоформатном экране с соотношением сторон 16:9, теле-
визор с электронно-лучевой трубкой имеет достаточно малые
габариты по глубине. Действительно, новый телевизор ЗНтЕй
производства компании 8аш8ип§ - это первый в мире телевизор,
в котором используется ЭЛТ (электронно-лучевая трубка)
У1хНт, глубина которой приблизительно на 200 мм меньше
глубины обычной электронно-лучевой трубки. Именно ультра-
компактный кинескоп и дает такую экономию пространства.

А как же другие недостатки, присущие СКР-технологии?
Все мы знаем, что ЭЛТ-телевизоры, имея большие достоинства,
не лишены и недостатков - таких, как большие габариты, мер-
цание экрана и размытость изображения по углам. В телевизоре
8ат&шщ 8НтЕй ^8-32X30 НЕЭ производитель использует сра-
зу несколько фирменных технологий, включая даже нанотехно-
логии, поэтому их сочетание дает уникальные возможности по
формированию высококачественного изображения и звука. Вот
только некоторые из них.
Использование нанопигментной технологии (Капо РщтепС)
покрытия экрана (рис. 3.8) позволяет достичь более высокой
концентрации наночастиц пигмента в излучающем слое люми-
нофора, за счет чего увеличиваются насыщенность цвета и яр-
кость изображения даже на периферии экрана.

Нанопигментный экран	Обычный экран

Рис. 3.8. Нанопигментная технология покрытия экрана

Высокочастотная отклоняющая система

ЭЛТ У1хНт позволяет поддерживать режим развертки
10801, что соответствует европейским стандартам цифрового
телевидения высокой четкости, а использование высокочастот-
ной отклоняющей системы обеспечивает идеальное качество
изображения вне зависимости от флуктуаций (случайных от-
клонений) входного сигнала.

ОМе™ (В1&Иа1 На1ига11та§е еп§те). Уникальная техноло-
гия ОМ 1с™, разработанная компанией 8ат§ип§, обеспечивает
получение на экране вашего телевизора естественного изобра-
жения.

Система Уп1иа1 Оо1Ьу Зштоипб позволит вам почувствовать
себя, как в современном кинотеатре. За счет «фантомного» цен-
трального канала и двух виртуальных каналов окружающего
звука (рис. 3.9) вы сможете с помощью встроенных в телевизор
динамиков (2x10 Вт) получить объемный звук из двухканаль-
ных источников звука. Кроме этого, имеющаяся в телевизоре
схема ТигЬо Р1и8 Зоипй усилит эффект окружающего звука с
помощью подъема баланса.
Рис. 3.9. Высокочастотная отклоняющая система -
система УпТиа! Г)о1Ьу Зштоипс!

Телевизор серии 8НтЕй, действительно, уникален своими
новаторскими технологиями, формируя новую категорию теле-
визоров, которая идеально соответствует требованиям совре-
менного пользователя, и телевизоры данной серии являются
оптимальным выбором для рационального потребителя, созда-
ющего домашний кинотеатр в своем доме.

3.4.2.	Телевизоры с технологией Ыапо СеП

Несколько десятилетий безраздельно на рынке в лидерах
были кинескопные телевизоры. Однако эволюционное развитие
технологий, а главное возможностей производства привели
к тому, что в продажу регулярно стали поступать изделия с аб-
солютно новыми качествами. Прорывом считались плазменные
экраны. Но они недолго пробыли в лидерах по инновационным
качествам. На смену пришли жидкокристаллические мониторы.
На этом производители не успокоились. Технология ОТЕЛ со
сверхтонким экраном и новым качеством цветопереда-
чи, казалось бы, отвечала всем новым требованиям. Изменило
положение появление Мапо СеП, что стало следующим шагом
эволюции. Список используемых в производстве телевизоров
технологий ЕС пополнился еще одной, получившей название
Капо Се11 (дословно - наноячейки). Телевизоры оснащены ЖК-
панелями с наноячейками, обеспечивающими более правиль-
ную цветопередачу, причем даже при просмотре сбоку. Техно-
логия №по Се11 поглощает излишки световых волн, предотвра-
щая искажения цветов, затухание и другие нежелательные эф-
фекты, уменьшающие яркость изображения.

№по Се11 ЕС В дисплеи обладают равномерно расположен-
ными элементами отображения по всему экрану. Размер «пиксе-
ля» (точнее, ячейки) примерно один нанометр в диаметре. Это
позволяет отображать более тонкие детали, точные цвета и увели-
ченный угол обзора матрицы дисплея, угол обзора намного боль-
ше, чем у ранее рассмотренных ЕС В телевизоров. Капо Се11 обла-
дает способностью сохранять яркость и насыщенность красок при
большем угле излучения. Изображение будет почти таким же при
просмотре телевизора, стоящего под углом более чем 60° к зрите-
лю. Матрица из квантовых точек диаметром в единицы и десятки
атомов, каждая из которых излучает только один цвет, даег суще-
ственное преимущество в сравнении с технологией ОЕЕВ

Капо Се11 технология использует специальный пленочный
слой на матрице. Подобное наблюдается у некоторых телевизо-
ров на квантовых точках, что при этом достигается большее по-
глощение избыточного свечения для определенных длин волн,
тем самым повышая чистоту цвета на экране. Эта светопогло-
щающая технология позволяет выполнять функцию фильтрации
различных цветов с большей точностью, а, следовательно, сде-
лать воспроизведение цветов намного реалистичнее. Как мы
знаем, что пионерами в использовании квантовых точек стал
концерн $аш8ип§. Продукция получила маркировку РЕЕВ.
Но ЕС почти сразу предложил свой вариант технологии Капо
Се11. Многие специалисты выразили скепсис по поводу появле-
ния новинки. Отметив улучшенную цветопередачу, яркость
изображения, было высказано мнение, что представленные об-
разцы являются обычными телевизорами ЕЕВ, но с нанесенной
пленкой из наночастиц (рис. 3.10). В этом есть своя правда.
Но с другой стороны, квантовые точки, по сути, и являются
светодиодами, только существенно меньших размеров. Никаких
противоречий нет. Экран Капо Се11 при одинаковом энергопо-
треблении способен достигать 2 000 нит яркости, относительно
стандартных жидкокристаллических мониторов со значениями
400-700 нит. Размер квантовой точки 2-7 нм, что примерно
равно 15-150 атомам. Эти маленькие точки способны увеличить
пиковую яркость, а также расширить цветовую гамму. При из-
лучении достигается высокая эффективность. Энергетические
потери при смешивании цветов отсутствуют. Фактически КПД
приближав гея к 100 %. Небольшие размеры квантовых точек
создают характерную структуру поверхности экрана, что вместе
с широким диапазоном излучения дают зрителю полное ощу-
щение реалистичности изображения под значительными углами
обзора. Обе технологии появились практически одинаково.
8ат8Ш1§ презентовал модели линейки (}, например - 07, (}8,
Р9. В то же время ЕС начал продвигать продукцию с техноло-
гией 1Мапо Се11 - 838000, 838500 и 839500. Принципиально изде-
лия двух южнокорейских электронных гигантов не отличаются.

Основные эксплуатационные характеристики почти не от-
личаются. Зато обе технологии заметно выигрывают у ОЕЕЭ.
Целью производства была именно конкуренция с традицион-
ными ЖК панелями.

Рис. 3.10. Пленочный слой на матрице из квантовых точек - наноячеек

ЬС комбинирует Ыапо Се11 технологию с использованием
1Р8 (1п-Р1апе 8\уйс1т) ИСВ панелями. Именно этот факт обеспе-
чивает больший угол обзора экрана. На обычных телевизорах
зеленый цвет может сочетаться с другими цветовыми длинами
волн (например, желтого или синего цвета). В результате этого
некоторые цветовые оттенки исчезают. Такими отгенками яв-
ляются желтоватые и бирюзовые. Теперь при использовании ЕС
№по СеП технологии в телевизорах наблюдается значительно
меньшее потускнение цвета, отсутствие нестабильности изоб-
ражения и практически нет деградации цветов. Новые телевизо-
ры с технологией №по СеП будут качественнее воспроизводить
тонкие линии, сохраняя при этом высокое качество изображе-
ния при более широких углах обзора.

В целом ЖК-экраны с подсветкой на квантовых точках по-
лучились близкими по характеристикам к ОЬЕВ-дисплеям. Они
лишь немного уступают им в контрастности, но стоят значи-
тельно дешевле. Основные достоинства телевизора с технологи-
ей Капо СеП:

-	лучший ракурс для просмотра под углом к экрану, что
от угла обзора зависит степень искажения цвета и пра-
вильность восприятия информации (рис. 3.11);

Телевизор с технологией ХалоСеП

100%	0--------0---------0--------0--------О

75% 1

и	VI

>5

Обычный телевизор

Е

з	V

25% |

Я

“ Уголобзора

0% -----------------------------------------------

0’	15’	30’	45’	60е

Рис. 3.11. Размер цветовой гаммы в зависимости от угла обзора
-	за 100 принимается размер цветовой гаммы при распо-
ложении зрителя по центру перед экраном (угол об-
зора - 0 градусов);

-	телевизоры ЕС с технологией Капо Се11 обеспечивают
практически идеальную цветопередачу независимо от то-
го, сидите ли вы под углом к экрану или прямо перед ним.
Наночастицы поглощают световые волны избыточной
длины, благодаря чему цвета не смешиваются при выводе
на экран, а остаются чистыми и яркими. При просмотре
обычных телевизоров иод углом цвета искажаются;

-	при просмотре обычного телевизора под углом инфор-
мация может искажаться и восприниматься неверно.
Однако телевизоры с технологией Капо Се11 обеспечи-
вают точную передачу информации, независимо от того,
с какой стороны вы смотрите на экран.

81/РЕК УНУ телевизоры на базе технологии У апо Се11

Новые 813РЕК 1Л10 телевизоры от ЕС Е1ес1гошс8 (модели
819500, 838500 и 838000) на базе технологии Капо Се11 имеют
совершенно новый уровень качества изображения. Третье поко-
ление 811РЕК 11НО телевизоров от ЕС на базе технологии Капо
Се11 сможет передавать изображение максимально реалистично,
отображая все цветовые оттенки с невероятной точностью и
более широким углом обзора. Все модели 813РЕК 1Л10 телеви-
зоров от ЕС поддерживают формат Асйуе НОР и ОоНэу У18юп, что
позволяет расширить общий список I ЮР-форматов и обеспечить
пользователю доступ к полному спектру высококачественного
ИОК-контента. А благодаря последней версии интуитивной плат-
формы у/еЬО8 от ЕС для 8шай ТУ и отличной передаче звука в
сочетании с эстетически привлекательным дизайном тонкого кор-
пуса каждой из моделей 813РЕК. ОНО телевизоров, у потребителей
не возникнет никаких трудностей с выбором идеального варианта,
полностью соответствующего их потребностям и ожиданиям.

ЕСИ-экраны на базе технологии Капо Се11 демонстрируют
технологическое преимущество над остальными моделями бла-
годаря использованию одинаковых по размеру частиц диаметром
около одного нанометра для более точной передачи всех воз-
можных оттенков цвета при сохранении более широкого угла
обзора, чем у других экранов, в гом числе созданных по техноло-
гии С нашит Пой Идеальные для больших телевизоров с высо-
ким разрешением 81 ТЕК ПНИ экраны от ЕС на базе технологии
Капо СеП обеспечивают неизменное качество цветопередачи при
сохранении широкого угла обзора, так что фактически зритель не
заметит какой-либо разницы в отображении оттенков, где бы он
ни находился - прямо перед телевизором или под углом в 60 гра-
дусов к нему.

Технология Капо СеП позволяет достигать таких впечатля-
ющих результатов путем захвата световых волн избыточной
длины, увеличивая таким образом чистоту отображаемых на
экране цветов. Благодаря этой способности поглощения света
новые БСЭ-экраны от ЕС передают отдельные цвета с гораздо
большей четкостью, воспроизводя их именно в гаком виде,
в каком они задумывались создателем оригинального визуаль-
ного контента. Е1апример, зеленый цвет на экране обычного те-
левизора может смешиваться с цветами с другой длиной вол-
ны - желтым или синим, из-за чего исходный оттенок блекнет
и окрашивается в желтоватый или голубой гон. Технология
Капо СеП от ЕС разительно снижает вероятность потери исход-
ного цвета, нестабильности изображения и прочих проблем,
связанных с ухудшением цветопередачи. Капо СеП также
уменьшает световые блики на экране, сохраняя высокое каче-
ство картинки даже в тех случаях, когда экран окружен множе-
ством разных источников света.

Оценив превосходное качество изображения 8СРЕК 1Л10
телевизоров на базе технологии Капо СеП от ЕС, компания
Тес11111со]ог, голливудский эксперт в сфере работы с визуальным
контентом и цветом, начала совместный проект с ЕС, цель ко-
торого - добиться такого качества изображения на экране теле-
визора, которое полностью соответствовало бы исходным наме-
рениям кинематографистов. Е1,енители домашнего кино смогут
воспользоваться преимуществами богатого 100-летнего опыта
компании Тес1ттсо1ог по разработке и внедрению продвинутых
технологий цветопередачи с помощью «Экспертного режима»
от Тес1тшсо1ог, предназначенного для максимально точной пе-
редачи оттенков в 8ЭРЕК 1ШЭ телевизорах от ЕС. Это сотруд-
ничество двух компаний основано на уже реализованных впе-
чатляющих технологиях цветопередачи 4К-телевизоров от ЕС,
способных максимально реалистично воспроизводить цвета
в соответствии с высокими стандартами ТесИгьсо1ог, принятыми
в большинстве голливудских киностудий.

Кроме того, в новых телевизорах ЕС на базе Капо Се11 реали-
зована технология ЭЕТКА Ешптапсе, обеспечивающая повышен-
ную яркость и контрастность изображения. Телевизоры новой ли-
нейки также поддерживают множество различных 11 ЭЕ-форматов,
включая Эо1Ьу У18ЮП™, НЭК 10 и ЕТуЬгМ Ео§ Сатша, или Е1ЕС.
Эта многогранность была дополнена новой функцией НЭК ЕйесЦ
которая повышает качество картинки при воспроизведении 8ЭК-
контента. С НЭК Ейес! 8ЭК-изображения обрабатываются покад-
рово, что позволяет улучшить яркость отдельных областей, повы-
сить контрастность и четкость всей картинки.

Соответствие стандарту В1.2020 и способность передавать
более миллиарда возможных оттенков в каждом из новых
8ЭРЕК 1ШЭ телевизоров от ЕС дополнены поддержкой форма-
та Асй'уе НЭК и Эо1Ьу Уыоп, что позволяет им отображать
НЭК-контент следующего поколения, созданный для обеспече-
ния повышенной яркости основной картинки и большей четко-
сти затененных деталей. С функцией Асй'уе НЭК телевизор об-
рабатывает НЭК-изображение покадрово и вставляет динамиче-
ские данные по мере необходимости. Блат одаря этому процессу
зритель всегда получает лучшее качество картинки независимо
от того, содержит ли исходный НЭК-контент динамические или
статические данные или же не содержит метаданных вообще.

Благодаря внедрению последней версии интуитивной плат-
формы \усЬО8 от ЕС для 8шагТ ТУ вся линейка телевизоров ЕС
премиум-класса стала невероятно удобной для пользователя.
Операционная система зуеЬО8 3.5 от ЕС была дополнена усо-
вершенствованиями, которые упрощают управление и обеспечи-
вают более быстрый доступ ко всем возможностям при исполь-
зовании улучшенной функции Мащс Кето1е и новой функции
Ма§;с Етк. Теперь зрители смогут переключиться на любимую
передачу одним нажатием кнопки на пульте управления и вос-
пользовавшись, таким образом, лишь одной из множества увле-
кательных возможностей системы 4К. Новая кнопка Ма§1с 1лпк
предоставляет возможность быстрого поиска необходимого кон-
тента и доступа к информации об актерах и персонажах, пред-
ставленных в данный момент на экране. А благодаря улучшенной
функции Ма§1с 2оош зритель сможет увеличить и зафиксировать
любую часть изображения, которую ему хотелось бы рассмот-
реть во всех деталях. При подключении телевизора к мобильному
телефону или ПК через (ЗЗВ-кабель можно также насладиться
потрясающими возможностями просмотра УК-контента с углом
обзора в 360 градусов. Используя Ма§1с КетоТе, зритель сможет
перематывать видеозапись вперед и назад, увеличивать и умень-
шать изображение при помощи колесика мыши, чтобы лучше
рассмотреть детали или же увидеть общую картину.

Телевизоры 311РЕК ПИВ от Е6 выполнены в сверхтонком
формате П11га ЗНт на уникальной серповидной подставке, бла-
годаря чему толщина 55-дюймовой модели 319500 достигает
всего 6,9 мм в своей самой тонкой части, создавая иллюзию па-
рения экрана в воздухе.

3.4.3. 4К-телевизор (4К ТВ)

Что такое 4К ТВ? Что означает 4К?

4К Шга НВ ТВ - это телевизор с разрешением 4К. Это
означает, что экран телевизора содержит 3840 пикселей по го-
ризонтали и 2160 пикселей по вертикали: всего около 8,3 мил-
лионов пикселей. Разрешение 4К-телевизоров обычно указыва-
ется так: 3840x2160.

Что такое разрешение?

Это плотность расположения пикселей - крохотных точек,
изкогорых состоит изображение на экране. Чем больше пикселей,
тем выше разрешение изображения. Буква «К» в обозначении
«4К» заменяет слово «Кило» (1000). Это означает, что по горизон-
тали на экране телевизора умещается около 4000 пикселей.

Что означает качество 4К?

4К ТВ отличается от Ри11 НО телевизоров более высоким
качеством изображения. 4К - это в 4 раза больше пикселей, чем
131
у Рп11 НО (1920x1080). Высокая плотность пикселей делает
изображение 4К более ярким и четким (рис. 3.12).

Рис. 3.12. 4К И11га НО ТВ - разрешение 3840x2160

Да и вообще, 4К и 1Л1га НО - это одно и то же или все же есть
разница? По мере роста размеров экранов телевизоров, появилась
необходимость перехода на более высокие стандарты, потому что
формат НОТУ перестал удовлетворять потребностям огромных
ЖК матриц современных ЕЕО и ОЕЕО телевизоров.

Ри11 НГ), Шга НГ) и 4К.

Для начала - немного технической информации, чтоб было
понятно, о чем пойдет речь:

-	Рп11 НО - 1920x1080 пикселей, соотношение сто-
рон 16:9 (вся матрица - 2 мегапикселя);

-	ЕЛгга НО (Е1НО) - 3840x2160 пикселей, соотношение сто-
рон 16:9 (вся матрица 8 мегапикелей);

-	полнокадровый 4К - 4096x3072 пикселей, соотношение
сторон 4:3 (вся матрица - 12 мегапикелей);

-	кашетированный 4К - 3996x2160 пикселей, соотношение
сторон Р1а1 (вся матрипа - 8,5 мегапикелей).

Как мы видим, все разрешения разные, и 4К не равно 1Л1га НО,
а точнее - 1Л1та НО является разновидностью общего разреше-
ния 4К, получившее самостоятельное название, само 4К означа-
ет 4000 пикселей по горизонтали.

Количество точек или пикселей при разрешении 1Л1га НО
в два раза больше но горизонтали и по вертикали, чем при
РиП НО, иными словами, общее количество - больше в четыре
раза (рис. 3.13).
Рис. 3.13. Количество пикселей при разрешении Ри11 Ю и 4К (Икса IЮ)

Зачем эго нужно? Чтобы размер пикселя (светящаяся
управляемая точка) можно было уменьшить и получить боль-
шую четкость картинки на больших дисплеях.

Разрешение и размер экрана телевизора. Разрешение никак
не зависит от размера экрана. Физически - размер может быть
любым: 5, 2, 40... 160 и более дюймов, все зависит от того,
сколько пикселей находятся внутри.

Вот у вас на телефоне какая камера? Если 8 мегапикселей -
это значит, что внутри крохотной принимающей матрицы, которая
размерами меньше, чем полдюйма, находится 8 миллионов пиксе-
лей (чем не ИНВ?), просто они очень-очень крохотные.

Если же взять, скажем, 4К-телевизор с диагональю 20 и с
диагональю 100 дюймов, то количество пикселей у обеих будет
одинаково, а непосредственно размер каждого пикселя будет
отличаться в 5 раз. Чем больше пикселей, тем выше четкость
картинки при любом размере экрана. Высокая четкость позво-
ляет рассматривать самые мельчайшие детали изображения. Это
демонстрируют две картинки ниже (рис. 3.14 и рис. 3.15).

Рис. 3.14. Ри11 НВ - разрешение 1920x1080 Р
Рис. 3.15. 4К ИЬТКЛ НВ - разрешение 3840*2160 Р

В демонстрируемом пиксельном разрешении формата Рп11
РЮ занижена контрастность и цветность, а в 4К ИЫКА РЮ
наоборот лучше.

Где использовать разрешение 4К?

Очевидно, что новый формат отлично подойдет для огром-
ных экранов, при их просмотре с близкого расстояния.

Также разрешение 1Л1га РЮ будет востребовано для мони-
торов, только не игровых, как пишут многие, а наоборот, дизай-
нерских, когда идеальная четкость имеет значение при работе с
элементами неподвижных картинок (текст, краски, тончайшие
линии и полутона).

4К-телевизоры только недавно вошли в нашу жизнь, но
гонка производителей не останавливается - и вот на рынке уже
появились первые модели с разрешением 8К.

Что такое 8К-телевизор?

8К - это телевизионный формат с самым высоким разре-
шением на данный момент (рис. 3.16).

Рис. 3.16. 8КИ11га НИ ГВ (8К-телевизор)
Прогрессивное разрешение 8К разительно отличается от
остальных форматов изображения. Оно получило в четыре раза
больше пикселей в сравнении с 4К. Что касается 1и11 НО, то дан-
ное разрешение и вовсе проигрывает в шестнадцать раз. Так
как продвинутые 8К-телевизоры заполучили разрешение 7680 на
4320 точек, то можно рассчитывать на 33 мегапикселя (рис. 3.17).

ГцII ЦП (1,920x1,080р1хе1з,	/11/ II |ЦП (3 840*2,160 р1хе18,	ОI/ | |ЦП (7 680x4,320 р!хе18

ГIIII ПМ 20пиПюпр|хе!$>	НА МПМ 8 29т||1юпр1хе18)	О!\ МПМ 33 18гтИюпР1хе1з)

а	б	в

Рис. 3.17. Разрешение:

а - у Ри11 НО; б - у 4К ИНга НО; в - у 8К Шв НО

I акое сегодня не могут себе позволить даже дорогостоящие
проекторы, которые применяются в кинотеатрах. Конечно же,
для передачи высококачественного видеосигнала необходимы
усовершенствованные кабели 1ЮМ1 2 1. С их помощью можно
обеспечить скорость смены кадров в секунду до 60. Но для все-
го этого потребуется соответствующий контент, которого пока
практически нет.

Увеличение числа пикселей, без сомнения, положительно
сказывается на качестве и детализации картинки, которая за
счет повышения плотности пикселей визуально воспринимается
лучше. Однако, чем больше размеры дисплея, тем больше раз-
мер пикселя и тем легче рассмотреть его зрителю. И если раз-
решение 4К было значительным шагом по улучшению качества
изображения по сравнению с НВ, то 8К означает, что даже на
экранах очень большою размера отдельные пиксели будут не-
различимы для человеческого глаза.

Достоинства и недостатки 8К, которые существуют на дан-
ный момент:

-	8К-телевизоры задают новые стандарты качества изоб-
ражения и его реалистичности;

-	8К передает наиболее реалистичную картинку;

-	ощущение реальности происходящего на экране повы-
шается за счет увеличения плотности пикселей: зрители
буквально оказываются на первом ряду стадиона или
переносятся в центр действия любимого фильма;

-	большой экран.

В разрешении 8К картинка не теряет в качестве даже на
очень большом дисплее. Современные телевизоры 8К доступны
в диагонали до 98 дюймов, и вы можете быть уверены, что по-
лучите самое качественное изображение из возможных.

Недостатки:

-	не все могут увидеть разницу в качестве изображения.

Человеческое зрение устроено так, что для того, чтобы по-
чувствовать ощутимую разницу в изображении, вам понадобит-
ся или использовать очень большой экран, или сесть поближе к
нему, или и то и другое вместе. Поэтому, если вы ио той или
иной причине не хотите устанавливать дома телевизор с огром-
ной диагональю экрана, то стандарт 8К может оказаться для вас
избыточным.

3.4.4. Гибкие дисплеи

Вся планета ждет, когда в мир выйдет первый по-
настоящему гибкий дисплей, и оживут картины, газеты, смарт-
фоны станут легкими и прочными, а экраны - тонко настраива-
емыми. Однако пока этого нет, хотя разработка в этой сфере
кипит. 8опу и 8ат8ип§ - ведущие экспериментаторы в сфере
гибких дисплеев, и, пожалуй, стоит ожидать, что именно в их
исполнении появится первое гибкое устройство. Впрочем, од-
ним гибким дисплеем обойтись будет сложно: нужны гибкие
батареи, платы и микросхемы, а это сложнее.

За последние годы появилось множество различных диспле-
ев: от крайне четких и ярких до гибких, которые можно без про-
блем гнуть. Однако группа японских ученых из Токийского уни-
верситета представила нечто новое: сверхтонкий светодиодный
дисплей, который без труда можно приклеить на кожу (рис. 3 18).

Рис. 3.18. Сверхтонкий светодиодный дисплей

Специалистам южнокорейского исследовательского ин-
ститута в области электроники и телекоммуникаций удалось
создать из графена прозрачные электроды для ОЬЕП-дисплеев
(рис. 3.19). Звучит, возможно, и не очень впечатляюще, но на
самом деле это серьезный прорыв для производителей дисплеев.
Ведь, учитывая удивительные свойства графена, такие дисплеи
будут невероятно тонкими и гибкими. Гибкими настолько, что
их запросто можно будет вшивать в одежду или встраивать
в различную носимую электронику.

Рис. 3.19. Прозрачный электрод из графена
Центром технических исследований Финляндии УТТ впер-
вые были произведены все производственные стадии формо-
ванной пленки со встроенными светодиодами. Цель данного
проекта состояла в том, чтобы показать готовность данной тех-
нологии к использованию в создании реальных продуктов -
к примеру, гибких светодиодных дисплеев с печатной электро-
никой - с приемлемым для индустрии уровнем затрат.

Новая разработка - ультратонкая прозрачная пленка - пре-
красно проводит электрический ток. Она может найти себе
применение в электронике, поскольку исследователями нанома-
териалов Иллинойского университета в Чикаго (США) и Уни-
верситета Коре (Южная Корея) был найден дешевый и простой
способ производства такой пленки. В качестве электропрово-
дящего материала используются серебряные нанопровода.
Ее можно будет использовать в экранах цифровой электроники,
в том числе и носимой.

Гибкие дисплеи могут оказаться очень полезным изобрете-
нием, ведь с их помощью появится возможность делать эла-
стичные и менее хрупкие гаджеты. Поэтому разработки в этой
области ведутся многими компаниями во всем мире. Новоси-
бирские ученые изготовили из специального раствора однород-
ные кристаллы, обладающие хорошей проводимостью электри-
чества и выходом фотолюминесценции на уровне 65 %. ТАСС
сообщает, что прототипы, созданные ранее, как правило, могут
обеспечить лишь 35 % и довольно дороги в производстве, рос-
сийские же химики в сотрудничестве с университетом Гронин-
гена из Нидерландов смогли получить органический материал,
подходящий для производства гибких дисплеев, гораздо более
дешевым и простым способом.

Японский институт материаловедения разработал гибкий
огранико-металлический гибридно-иолимерный дисплей, кото-
рый можно разрезать пополам, не боясь при этом его сломать.
Технологии требуется всего несколько секунд на адаптацию
к новой форме и распределение питания. При этом даже в месте
пореза сохраняется последняя информация, которая выводилась
на него.
Гибкие дисплеи становятся все более популярным трендом.
Например, ими очень заинтересованы такие компании, как
8атзип§ и ГО. Правда, следует отметить, что по-настоящему
гибких продуктов на базе гибких дисплеев мы пока еще не ви-
дели. Сейчас многие разработчики работают над устройствами
виртуальной реальности, которые можно прикрепить к лицу и
получить захватывающий трехмерный эффект присутствия.

Все вокруг только и говорят, что о гибких экранах и о бу-
дущем, где смартфоны можно будет оборачивать вокруг запя-
стья, сворачивать в трубочки и, вообще, проделывать с ними
уму непостижимые вещи (рис. 3.20). Но как в действительности
может измениться взаимодействие человека и его смартфона,
будь у него гибкий экран?

Рис, 3.20. Гибкий экран смартфона

Компания ГС 01кр1ау собирается представить на грядущей
выставке Сопзшпег Е1ес1гошс8 81ю\у (СЕ8) в Лас-Вегасе прото-
тип сворачиваемого в трубочку ОГЕБ-дисплея (рис. 3.21). По-
сетителям шоу покажут первый в мире 18-дюймовый дисплей,
который можно сворачивать как газету, говорится в пресс-
релизе производителя.
Рис. 3.21. Сворачиваемый в трубочку ОЬЕВ-дисплей

Благодаря буму носимой электроники быстрое развитие
происходит и в сфере производства электронных дисплеев,
предназначенных для интеграции в одежду и текстиль. Однако
в настоящий момент для производства светодиодов, разрабо-
танных для использования в качестве эластичных и деформи-
рующихся поверхностей на одежде (и даже дисплеях, специаль-
но разработанных с учетом биосовместимости), по-прежнему
используются твердые материалы для защитной оболочки элек-
тролюминесцентного материала (рис. 3.22).

Рис. 3.22. Защитная оболочка на одежде
из электролюминесцентного материала

Группа исследователей, финансируемых Европейским Со-
юзом, разработала новый тип дисплея, который позволяет паль-
цами рук буквально вытягивать изображение с плоского сен-
сорного экрана и манипулировать им в пространстве (рис. 3.23).
В работе принимали участие университеты Копенгагена, Бри-
столя, Ланкастера.

Рис. 3.23. Дисплей, позволяющий пальцами рук вытягивать изображение
с плоского сенсорного экрана

Южнокорейская компания ЬС представила одну из самых
неординарных технологий дисплеев - 55-дюймовую ОЬЕБ-
панель толщиной всего 0,97 мм и весом 1,9 кг. Но не весовые и
габаритные параметры являются основной «фишкой» данного
дисплея. Самая главная особенность новинки заключается в
том, что панель гибкая и ее можно повесить на стену как обои-
ну. При этом монтируется она туда с использованием специаль-
ного магнитного коврика.

Научные сотрудники Манчестерского университета, Андре
Гейм и выходец из СССР Константин Сергеевич Новоселов
(один из создателей графена), объявили о создании гибкого
ГЕБ-дисплея на основе графена (рис. 3.24), доказав тем са-
мым, что двухмерные материалы тоже вполне подходят для со-
здания гибких прозрачных дисплеев, которые в будущем будут
использоваться в более энергоэффективных электронных
устройствах.
Рис. 3.24. Гибкий ЬЕИ-дисплей на основе графена

Компании ЕС и 8ат§ип§ начали производство ОЕЕО-
экранов, которые можно будет легко гнуть. Изогнутые экраны
на основе стекла могут изгибаться с максимальным радиусом
кривизны 75 миллиметров. При этом использование стекла вы-
нуждает производителей выпускать изогнутые смартфоны, но
без возможности их еще согнуть.

Компания 8ат8ип§ серьезно решила изогнуть экраны во
всех электронных устройствах (рис. 3.25). После создания изо-
гнутых телевизоров и носимых гаджетов корейская компания
решила переключиться на рынок ПК.

Рис. 3.25. Изогнутый экран (компания $ат«цп§)

Гибкие дисплеи постепенно набирают обороты, но все еще
не могут найти широкого применения в области электроники.
Возможно, эту проблему сможет решить японская компания
ЗегшсопбисТог Епег§у ЕабогаГогу (8ЕЕ), которая представила
на выставке в Иокогаме гибкий сенсорный ОИЕИ-дисплей.

Различные прозрачные и проекционные дисплеи уже созда-
вались некоторыми компаниями, однако до сих пор ни одна
технология так и не стала массовой. Возможно, повезет компа-
нии Отгоп, которая продемонстрировала новую технологию,
проецирующую трехмерное изображение в воздухе при помощи
гибкого прозрачного листа.

В Канаде был создан высокоскоростной ОЕЕБ-дисплей на
основе углеродных нанотрубок, с использованием их высокой
эмиссионной способности.

Обычно в качестве электродов ОЕЕО используется тонкая
пленка оксида индия. Однако мировые запасы индия быстро
истощаются. Современные О ЕЕ О не обладают необходимым
быстродействием. Для применения в мобильных телефонах,
цифровых фотоаппаратах и фоторамках быстродействие не иг-
рает столь важной роли, но для показа динамичных сцен (в том
числе из космоса) быстродействие существенно, поскольку при
больших размерах ОЕЕО довольно инерционны.

Канадским ученым удалось найти простой и эффективный
способ производства ОЕЕП-пленок на основе подложки из уг-
леродных однослойных нанотрубок. Е1анотрубки - идеальные
кандидаты для матрицы задних электродов. Пластина из нано-
трубок довольно гибкая и при деформации не теряет эластич-
ных свойств. При этом пленка полностью прозрачна. Ученые
считают, что на основе инновационных дисплеев можно будет
сконструировать новый тип гибких электронных книг - с малой
инерционностью обновления и полностью прозрачных в вы-
ключенном состоянии. Так, на их основе можно будет даже
сделать видеогазеты, способные воспроизводить не только ста-
тичные картинки, но и динамичное видео.

Стхеп ХУаГсИ Со., ЕМ. (Япония) и Е-Епк демонстрируют
прототип первых в мире гибких часов, изготовленных с исполь-
зованием технологии дисплея электронного документа компа-
нии Е-Епк (рис. 3.26). При эксплуатации эти уникальные часы
размером 21x52 дюйма, толщиной 3,0 мм и массой в 1,5 кг
можно сгибать в значительной степени.

Рис. 3.26. Гибкие часы по технологии дисплея

Ученые из Китая, а также их соавторы из университета штата
Невада, представили устройство - миниатюрный тактильный
дисплей-наперсток (рис. 3.27). Ключом к изобретению стал
электро-активный полимер, способный механически воздей-
ствовать на кожу пользователя; общая его толщина составляет
всего 210 микронов.

Рис. 3.27. Миниатюрный дисплей-наперсток

Дисплеи нового поколения - гибкие, гонкие, как бумага, с
малым энергопотреблением и широким углом обзора. Иногда
они прозрачные. Их можно свернуть и положить в карман,
пришить на одежду (рис. 3.28).
Рис. 3.28. Дисплей можно пришить на одежду

Рис. 3.29. Дисплей, выполненный по ОЬЕВ технологии, встроен в рукав

Рис. 3.30. Чип, сделанный из нанотрубок
Рис. 3.31. Органический светодиод

Рис. 3.32. Домашний кинотеатр
3.5. Прогнозы развития нанотехнологий
в XXI веке

Прогнозы пределов миниатюризации

Специалисты прогнозировали, что полупроводниковая ин-
дустрия с современными стандартными технологиями достигнет
физического предела миниатюризации электронных компонентов
к 2015-2020 гг. После этого инженерам не удастся далее сокра-
щать размеры элементов кремниевых микропроцессоров. С при-
ближением этого времени компании-производители микропро-
цессоров хотели бы сохранить свое лидирующее положение
на рынке. Будущий успех они связывают с нанотехнологиями. В
2005 г. полупроводниковые компании получили совокупный до-
ход около 214 млрд долл. США. Пройдет немало времени, пока
нанотехнологические компании достигнут такого уровня доходов.
Но чтобы удваивать вычислительную мощность компьютеров
каждые полтора года, согласно закону Мура, компьютерная про-
мышленность должна постоянно находить новые технологии, ар-
хитектуры и материалы. Нельзя сказать, что эта задача недости-
жима, ведь некоторые производители микропроцессоров уже пре-
одолели рубеж в 43 нм. Фактически в своей работе они уже ис-
пользуют нанотехнологии. Во втором десятилетии XXI века про-
изводители микропроцессов, которые инвестируют огромное ко-
личество средств в нанотехнологии, будут приобретать перспек-
тивные компании, которые смогут создавать свои нанотехноло-
гии, а также интегрировать уже имеющиеся методы и материалы.

Наноминиатюризация на уровне ДНК

Одна из проблем в создании наноструктур - сборка компо-
нентов в систему. Представление об использовании инструмен-
та здесь не приемлемо. Действительно, как можно взять, пере-
местить и точно поставить наноразмерный компонент на нано-
размерную подложку? Германские ученые представляют себе
процесс сборки в некоей жидкости, в которой плавают нано-
компоненты. Определенным образом ориентируясь, они под-
плывают к наноподложке и встают в нужные ее места, реализуя
таким образом наносборку. Другой принцип формирование
сборок - использование биоэлектроники на основе молекул
ДНК, способных стать основой компьютеров будущего. ДНК-
чипы, которые также называют биочипами, уже сейчас являются
частью биологических технологий в генетических исследовани-
ях. ДНК-чипы состоят из молекул ДНК, которые располагаются
на жесткой подложке (например, из кремния, стекла, пластика
и т. п.). Технология ДНК-чипов может сыграть важную роль в
реализации нанопроизводства. Созданием ДНК-чипов занимают-
ся некоторые крупные компании, включая АП'утсПтх, РЕ АррНеб
8у84егп8, Ну8ец, №по§сп, 1псу1е, Мо1есн1аг Вупагшсз и СеотеТпх.
В России такие чипы находятся на стадии научных исследова-
ний. Электрически активные ДНК-чипы, которые генерируют
контролируемые электрические поля в каждом пикселе, могут
иметь потенциально перспективные приложения для нанопроиз-
водств. Такие наночастицы, клетки и структуры наномасштаба
к любому месту на поверхности устройства, формируя наноси-
стему, могут играть важную роль в реализации нанопроизвод-
ства. В вычислительных устройствах на основе ДНК электриче-
ские поля используются для регулирования процессов самосбор-
ки в заданных пикселях ДНК-чипа. Они также играют роль «ма-
теринских плат» для сборки молекул ДНК в сложные трехмер-
ные структуры. Молекулы ДНК сами по себе обладают прохрам-
мируемыми и самоорганизующимися свойствами, поэтому их
можно настроить для выполнения функций молекулярной элек-
троники и фотоники.

Первые успехи ДНК-сборки

Молекулы ДНК можно присоединять к более крупным
структурам (например, металлическим и органическим частицам,
нанотрубкам, микроструктурам и кремниевым поверхностям).
В будущем микроэлектронные массивы и ДНК-компоненты мо-
гут позволить ученым и инженерам регулировать самосборку
двухмерных и трехмерных электронных цепей и устройств внут-
ри более крупных полупроводниковых структур. В этом случае
электрически управляемая самосборка ДНК может охватить ши-
рокий круг потенциальных применений. Например, исследовате-
ли из Израиля уже связали транзисторы с нитями ДНК. Группа
физиков под руководством Эреза Брауна (Егех Вгаип) из Изра-
ильского технологического института разработала двухэтапный
процесс такой связи. Во-первых, они использовали белки, кото-
рые способны связать углеродные нанотрубки с особыми места-
ми нити ДНК. Загем им понадобилось превратить остальную
часть молекулы ДНК в электропроводящую проволоку. Посколь-
ку ДНК не проводит электричество, было необходимо присоеди-
нить металлический проводник к нити ДНК. Для этого молекулу
ДНК покрыли белками бактерии Е. сон. Затем углеродные нано-
трубки (покрытые антителами) прикрепили к белку, а потом по-
местили в раствор, где ионы серебра стали связываться с фос-
фатными группами ДНК, но только в местах, где не было бел-
ков Е. сой. Альдегид (углерод с присоединенной 1руппой с элек-
трическим зарядом) превратил ионы серебра в атомы, которые
образовали основу проводника. Углеродная нанотрубка обоими
концами была соединена с золотой и серебряной проволокой
и функционировала как транзистор при приложении переменного
напряжения. В зависимости от приложенного напряжения нано-
трубки либо замыкали щель между проволоками (и цепь в це-
лом), либо размыкали ее. Так, с помощью биологического про-
цесса ученые научились соединять оба устройства. Аналогичный
метод можно применить для создания самособирающихся систем
на основе ДНК-структур и цепей. Хотя это всего лишь один кро-
шечный шаг к молекулярным вычислительным устройствам, са-
мособирающимся на основе ДНК, но есть надежда, что в бли-
жайшем будущем таким образом можно будет создавать крупные
самособирающиеся электронные устройства (например, компью-
теры). Оперируя на атомарном уровне, ученые и инженеры смо-
гут организовать передачу и обработку информации в малых мо-
лекулярных устройствах.

Межсоединения в наносисте.мах

Создатели микропроцессоров в поиске новых материалов для
будущих интехральных микросхем обратили пристальное внима-
ние на однослойные углеродные нанотрубки. Однако оказалось,
что с ними чрезвычайно трудно работать. Они имеют диаметр от
1 до 5 нм (то есть почти в 50 тыс. раз тоньше человеческого воло-
са), но в 100 раз прочнее, в 6 раз легче и на 20 % эластичнее стали.
Однослойные нанотрубки также обладают огромной теплопро-
водностью и могут вдвое быстрее переносить элекгрические заря-
ды, чем цепи на основе кремния. Эти преимущества вдохновляют
ученых на создание более миниатюрных, быстрых и менее нагре-
вающихся чипов. Предполагается, что на основе углеродных
нанотрубок можно будет создать даже трехмерные интегральные
микросхемы, в которых транзисторы будут располагаться
не только бок о бок, но и один над другим, что невозможно в схе-
мах на основе кремния. Казалось бы, все «помешались» на угле-
родных нанотрубках, однако многие компании стремятся упоря-
дочить и структурировать данные о новых материалах. Ассоциа-
ция полупроводниковой промышленности т1сопс1исго1' ХпаизТгу
Акзосшйоп - 81А), в которую входят основные производители
микропроцессоров, совместно с правительственными органами
США разработала программу оценки возможностей новых нано-
технологических процессов и финансирования исследований пра-
вительственными и частными организациями. 81А сфокусирова-
лась на двух - трех новых нанотехнологических областях, чтобы
максимально сконцентрировать в них средства и ресурсы. Ученые
и инженеры смогут проводить свои исследования более организо-
ванно и координировано. До 2005 г. ученые не знали, как можно
производить нанотрубки в промышленном масштабе. Дело в том,
что после выращивания получаются нанотрубки разного диаметра
и длины, а также со свойствами проводников и полупроводников.
В действительности, миллионы углеродных нанотрубок выглядят
как обычное пятнышко сажи. Для извлечения нанотрубок задан-
ного типа и размера нужно изрядно потрудиться. Группе ученых
из компании БиРоп! и Университета Раис (США) удалось разде-
лить нанотрубки с помощью специальных добавок, которые не
дают нанотрубкам слипаться. Лауреат Нобелевской премии
Ричард Смолли описал эту ситуацию так: «Представьте себе, что
нанотрубки - это спагетти, а мы лишь изобрели масло». В 2005 г.
проблема получения однообразных трубок стала менее актуаль-
ной. Ученые из компании БоиДвуезТ Капо1есЬпо1о§1М (США)
предложили способ выращивания наногрубок постоянного диа-
метра, а их коллеги из Университета Дюк и Национальной лабо-
ратории в Лос-Аламос (США) вырастили самые длинные нано-
трубки - длиной около 4 см. Благодаря их усилиям теперь можно
получать нужное количество нанотрубок одинакового размера,
а значит, упрощается их применение.

Нанопроводники

Отдельные ученые нашли свое призвание в создании элек-
трического нанопроводника. Он по своей сути является твердой
частицей, настраиваемой на транспортировку электричества в
любом направлении. По уже проведенным исследованиям видно,
что такой частицей можно спокойно заменить различные элемен-
ты электроники: диоды, переключатели и многое .другое. Такая
частица покрывается химическим веществом с положительным
зарядом и окружается анионами. Поступающее электричество
способствует перемещению анионов вокруг таких частиц.

По заверениям ученых, такой проводник обладает непре-
взойденной эффективностью. Такая технология позволит в
дальнейшем получать элементы электроники, которые могут
сами перенастраиваться под решение новых, возникающих в
процессе эксплуатации задач. Это позволит уменьшить приборы
как в габаритах, так и со стороны затрат, ибо возможность пе-
ренастройки отдельных наночастиц значительно облегчит ре-
монт и улучшение электроники.

Методы очистки, распутывания, выпрямления и сортиров-
ки наногрубок гораздо сложнее, чем методы выращивания
кремниевых кристаллов. А создание электрических цепей на их
основе - огромная техническая проблема, которую сейчас ре-
шают ученые и инженеры. Гораздо проще работать с кремние-
выми нанопроводами (наностержнями, или квантовыми прово-
дами), которые являются следующим этапом развития кремние-
вой электроники. Как и нанотрубки, нанопровода могут образо-
вывать сложные конфигурации из сверхмалых транзисторов, но
они не обладают сверхвысокой прочностью наногрубок. Нано-
провода могут образовывать сложные системы с другими мате-
риалами. Кремниевые нанопровода научились делать благодаря
огромным успехам современных электронных технологий. Дело
в том, что ученые и инженеры могут контролировать их струк-
туру и свойства так же, как делали это на протяжении многих
лет. Однако кремний не единственный материал, пригодный для
создания нанопроводов. Для разных целей могут применяться
металлические или многослойные нанопровода из золота, меди
или марганца. Нанопровода диаметром 12 нм можно использо-
вать для оптических и электромагнитных систем, включая сен-
соры и солнечные батареи. Нанопровода создают в лаборатори-
ях с помощью подвешивания или напыления. В первом методе
тонкий обычный провод подвешивают в вакуумной камере и
уменьшают его толщину либо травлением, либо обстреливая
его высокоэнергетичными частицами, либо вытягивая его из
расплава. Во втором методе напыленные нанопровода образу-
ются на подложке, например, в виде ряда атомов металла на не-
проводящей поверхности. Это обычно достигается с помощью
лазерной абляции («стирания») атомов нанопроводов. Именно
так получают нанопровода для полупроводниковых компонен-
тов электрических схем. Для создания компонентов электриче-
ских схем на основе нанопроводов отдельные нанопровода ле-
гируют, чтобы получить полупроводники //-типа или //-типа.
Затем простой переход //-«-типа фиксируют посредством про-
стого физического соединения провода //-типа с проводом
/7-типа или при помощи химического легирования различными
примесями. За счет этого процесса переход //-и-типа можно по-
лучить с помощью всего одного провода. После создания пере-
ходов приступают к созданию логических затворов на основе
нескольких переходов //-и-типа. Несомненно, полупроводящие
и проводящие нанопровода будут иметь огромное значение для
будущих компьютеров, поскольку задействуют многочислен-
ные преимущества нанотехнологий.

Управление нанопроцессами

Необходимость создания сложной электроники и электриче-
ских компонентов на молекулярном уровне способствовала
быстрому появлению и развитию новых наномасштабных мето-
дов управления нанопроцессами. На этом уровне огромное зна-
чение имеют точные измерения для определения состояния про-
цесса. Кинетические и квантовые эффекты существенно меняют
электрические и тепловые свойства материалов и устройств. И их
нужно вовремя регистрировать, чтобы управлять процессом.
Проводящие наноструктуры могут применяться для наномас-
штабных измерений. Некоторые лаборатории уже активно ис-
пользуют движение отдельных электронов в качестве стандарт-
ных измерительных инструментов электрического тока и емко-
сти. Кроме того, ученые успешно измеряют свойства атомарных
проводов и других электромагнитных наноструктур. Будущие
наноструктуры, вероятно, будут использоваться в чрезвычайно
широком спектре - от квантовых вычислений до сенсоров от-
дельных частиц и атомарных взаимодействий. Квантовые эффек-
ты очень слабы с точки зрения макромасштаба, а потому для их
измерения и управления требуются более точные инструменты.

Нанотехнологии в космосе

В космосе бушует революция. Стали создаваться спутники
и наноприборы до 20 килограммов.

Создана система микроспутников, она менее уязвима при
попытках ее уничтожения. Одно дело сбить на орбите махину
массой в несколько сот килограммов, а то и тонн, сразу выведя
из строя всю космическую связь или разведку, и другое - когда
на орбите находится целый рой микроспутников. Вывод из
строя одного из них в этом случае не нарушит работу системы
в целом. Соответственно, могут быть снижены требования
к надежности работы каждого спутника.

Молодые ученые считают, что к ключевым проблемам
микроминиатюризации спутников, среди прочего, следует отне-
сти создание новых технологий в области оптики, систем связи,
способов передачи, приема и обработки больших массивов ин-
формации. Речь идет о нанотехнологиях и наноматериалах, поз-
воляющих на два порядка снизить массу и габариты приборов,
выводимых в космос. Например, прочность наноникеля в 6 раз
выше, чем обычного никеля, что дает возможность при исполь-
зовании его в ракетных двигателях уменьшить массу сопла на
20-30 %. Уменьшение массы космической техники решает
множество задач: продлевает срок нахождения аппарата в кос-
мосе, позволяет ему улететь дальше и унести на себе больше
всякой полезной аппаратуры для проведения исследований.
Одновременно решается задача энергообеспечения. Миниатюр-
ные аппараты скоро будут применяться для изучения многих
явлений, например, воздействия солнечных лучей на процессы
на Земле и в околоземном пространстве.
Сегодня космос - это не экзотика, и освоение его не только
вопрос престижа. В первую очередь, это вопрос национальной
безопасности и национальной конкурентоспособности нашего
государства. Именно развитие сверхсложных наносистем может
стать национальным преимуществом страны. Как и нанотехно-
логии, наноматериалы дадут нам возможность серьезно гово-
рить о пилотируемых полетах к различным планетам Солнеч-
ной системы. Именно использование наноматериалов и наноме-
ханизмов может сделать реальностью пилотируемые полеты на
Марс, освоение поверхности Луны. Другим чрезвычайно вос-
требованным направлением развития микроспутников является
создание дистанционного зондирования Земли (ДЗЗ). Начал
формироваться рынок потребителей информации с разрешени-
ем космических снимков 1 м в радиолокационном диапазоне и
менее 1 м - в оптическом (в первую очередь, такие данные ис-
пользуются в картографии).

Нанотехнологии в военном деле

Военное использование нанотехнологий открывает каче-
ственно новый уровень военно-технического господства в мире.
Основными направлениями в создании новых вооружений на
базе нанотехнологий можно считать:

-	создание новых мощных миниатюрных взрывных
устройств;

-	разрушение макроустройств с наноуровня;

-	шпионаж и подавление боли с использованием нейро-
технологий;

-	биологическое оружие и наноустройства генетического
наведения;

-	наноснаряжение для солдат;

-	защита от химического и биологического оружия;

-	наноустройства в системах управления военной техни-
кой;

-	нанопокрытия для военной техники.

Нанотехнология позволит производить мощные взрывча-
тые вещества. Размер взрывчатки можно уменьшить в десятки
раз. Атака управляемых снарядов с нановзрывчаткой на заводы
но регенерации ядерного топлива может лишить страну физиче-
ской возможности производства оружейного плутония. Внедре-
ние малогабаритных роботизированных устройств в электрон-
ную технику может нарушать работу электрических контуров и
механики при помощи наноустройств. Сбой работы центров
управления и командных пунктов невозможно предотвратить,
если не изолировать наноустройства. Роботы для разборки ма-
териалов на уровне атомов станут мощным оружием, превра-
щающим в пыль броню танков, бетонные конструкции дотов,
корпуса ядерных реакторов и тела солдат. Но это пока лишь
перспектива для развитой формы нанотехнологии. А пока ис-
следования ведутся в области нейронных технологий, развитие
которых приведет к появлению боевых наноустройств, осу-
ществляющих шпионаж, либо перехват контроля над функция-
ми человеческого организма, используя подключение с помо-
щью наноустройств к нервной системе. В лабораториях ^А8А
уже созданы действующие образцы оборудования для перехва-
та внутренней речи. Фотонные компоненты на нанострукту-
рах, способные получать и обрабатывать огромные массивы
информации, станут основой систем космического мониторин-
га, наземного наблюдения и шпионажа. С помощью нано-
устройств, внедренных в мозг, возможно получение «искус-
ственного» (технического) зрения с расширенным спектром
восприятия, по сравнению с биологическим зрением. Система
подавления боли у солдат, вживляемая в тело и мозг, разраба-
тываются нейрочипы.

Следующим применением нанотехнологий в военной сфере
являются наноустройства генетического наведения. Нано-
устройство с генетическим наведением может быть запрограм-
мировано на выполнение тех или иных разрушительных дей-
ствий в зависимости от генетической структуры ДНК клетки,
в которой оно оказалось. В качестве условия активации устрой-
ства задается уникальный участок генетического кода конкрет-
ного человека или шаблон для действий над группой людей.
Отличить обычную эпидемию от этнической чистки будет
практически невозможно без средств обнаружения наноробо-
тов. Наноустройства будут срабатывать только против заданно-
го типа людей и при строго определенных условиях. Попав
в организм, наноустройство никак себя не проявит, до команды
активизации. Следующим применением нанотехнологий явля-
ется экипировка и снаряжение солдат. Предлагается сделать
из человека, обмундирования и оружия некий гибрид, элементы
которого будут настолько тесно связаны между собой, что пол-
ностью экипированного солдата будущего можно будет назвать
отдельным организмом.

Нанотехнология дала прорыв в изготовлении брони и бро-
нежилетов.

Военную технику предполагают оснастить специальной
«электромеханической краской», которая позволит менять цвет
и предотвратит коррозию. Нанокраска сможет «затягивать»
мелкие повреждения на корпусе машины и будет состоять из
большого количества наномеханизмов, которые позволят вы-
полнять все вышеперечисленные функции. С помощью системы
оптических матриц, которые будут отдельными наномашинами
в «краске», исследователи хотят добиться эффекта невидимости
машины или самолета.

Нанотехнология внесет изменения в военной сфере. Новая
качественно преобразованная и неконтролируемая гонка во-
оружений. Контроль за нанотехнологией может быть реально
осуществлен лишь в глобальной цивилизации. Нанотехнология
позволит произвести полную механизацию полевой войны, ис-
ключающие присутствие модернизированных солдат.

Таким образом, главным выводом о результате проникно-
вения нанотехнологии в сферу вооружения является перспекти-
ва образования глобального общества, способного контролиро-
вать нанотехнологию и гонку вооружения. Это тенденция уни-
версализма определяется рациональностью техногенной циви-
лизациии выражает ее интересы и ценности.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Динамичное развитие нанотехнологии требует все больше-
го и большего расширения возможностей исследовательской
техники. Высокотехнологичные компании во всем мире рабо-
тают над созданием исследовательских и технологических
нанокомплексов, объединяющих в себе целые группы аналити-
ческих методов.

Системы приобретают мощные интеллектуальные возмож-
ности: способность распознавать и классифицировать изобра-
жения, выделять требуемые контрасты, наделяются возможно-
стями по моделированию результатов, а вычислительные мощ-
ности обеспечиваются использованием суперкомпьютеров.

Разрабатываемая техника имеет могучие возможности, но
конечной целью ее использования является получение научных
результатов. Овладение возможностями этой техники само по
себе является задачей высокой степени сложности, требующей
подготовки высококлассных специалистов, способных эффек-
тивно пользоваться этими приборами и системами.

Рабочие частоты компьютеров достигнут терагерцовых ве-
личин. Получат распространение схемные решения на нейроно-
подобных элементах (нейрочипах). Появится быстродействую-
щая долговременная память на белковых молекулах, емкость
которой будет измеряться сотнями терабайт. Станет возможным
«переселение» человеческого интеллекта в компьютер. Прогно-
зируемый срок реализации: первая - вторая четверть XXI века.
Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по
своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощ-
ности составляют серьезную конкуренцию традиционным по-
лупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам
на их основе как главным элементам информационных систем.
Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической
возможности запоминать и передавать 1 бит информации с по-
мощью одного электрона, локализация которого в пространстве
может быть задана одним атомом. Это позволяет уменьшить
размеры одного транзистора приблизительно до 10 нм, а рабо-
чие частоты увеличить до порядка 1012 Гц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.	Алферов Ж.И. Двойные гетероструктуры: концепция и применения
в физике, электронике и технологии // Успехи физ. наук. - 2002. -
Т. 172. -№ 5.

2.	Балабанов В.И. Нанотехнологии. Наука будущего. - М.: Эксмо,
2008.-256 с.

3.	Дрекслер Э., Мински М. Машины создания: Грядущая эра нанотехно-
логии = Еп§тез оГ Стеайоп: Г К с Сотт§ Ега оГ №по1ес1то1о§у. -
2-е изд. - 2007. - 18В\ 0-385-19973-2.

4.	Дьячков П.Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, примене-
ния. - М., 2006. - 293 с.

5.	Ивченко Е..Л., Поддубный А.Н. «Резонансные трехмерные фотонные
кристаллы». - Физика твердого тела. - 2006. - Г. 48 - Вып. 3. -
С. 540-547.

6.	Исхаков Р.С. Материалы наноэлектроники: учеб, пособие / под общ.
ред. В.Ф. Шабанова. - Красноярск: КГТУ, 2006. - 158 с.

7.	Казаков В.Д. Нанотехнологии и наноматериалы в радиоэлектронике:
учеб, пособие / В.Д. Казаков. - Чебоксары: изд-во Чуваш, ун-та,
2014.- 188 с.

8	Кобаяси И. Введение в нанотехнологию / Н. Кобаяси. - М.: Бином,
2005. - 134 с.

9.	Лазерный телевизор - проекционный телевизор, созданный на основе
технологии цветных лазеров - материал из Википедии - свободной
энциклопедии 30 декабря 2016 г.

10.	Балоян Б.М., Колмаков А.Г., Алымов М.И., Кротов А.М. Наноматери-
алы: классификация, особенности свойств, применение и технологии
получения: учеб пособие / Междунар, ун-т природы, общества и че-
ловека «Дубна». - М., 2007. - 320 с.

11.	Майская, В. Органические светодиоды / В. Майская // Электроника:
наука, технология, бизнес № 5. - 2007. - С. 39 46.

12.	Рассел, Джесси. Лазер на свободных электронах / Джесси Рассел. -
М.: Книга по Требованию, 2013. - 100 с.

13.	Раков Э.Г. Нанотрубки и фуллерены: учебное пособие / М : Логос,
2006.-376 с.

14.	Рыбалкина М. Нанотехнологии для всех. Большое в малом. -
\у\у\у.папопе\У8пе1.ги. - С. 436. Архивная копия от 21 октября 2013
на УУауЬаск МасЫпе.

15.	Смирнов А.Г Квантовая электроника и оптоэлектроника: учеб посо-
бие для вузов. - Минск: Высшейш. шк., 1987 с.

16.	Чаплыгин А. «Нанотехнологии в электронике». - М.: Техносфера,
2005.
ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение............................................3

ГЛАВА 1. Напоматериалы и их производство ...........9

1	1. Наноструктуры - наноматериалы.................9

1.2.	Моделирование наноструктур....................20

1.3.	Механосинтез и нанофабрика ...................28

1.4.	Разработка нановеществ и наномашины...........34

ГЛАВА 2. Наноэлектроника и нанотехнологии
в полупроводниковой технике........................38

2.1.	Наноэлектроника ..............................38

2.2.	Нанотехнология в полупроводниковой технике....44

2.3.	Полупроводниковая техника на основе углеродных
нанотрубок и графена...............................65

2.4.	Одноэлектронные транзисторы...................86

ГЛАВА 3. Нанотехнология в создании новой техники ..94

3.1.	Технология будущего...........................94

3.2.	Компьютерная технология в будущем........... 103

3.2.1	Развитие компьютерной технологии....... 103

3.2.2	. Будущее в компьютерной технологии.....107

3.3.	Лазерно-светодиодные ПБР-проекторы.......... 119

3.4.	Наноэлектроника в телевизорах............... 121

3.4.1.	Новые серии телевизоров................121

3.4.2.	Телевизоры с технологией Капо СеП......124

3.4.3.	4К-тадевизор (4К ТВ)..............     131

3.4.4.	Гибкие дисплеи........................ 136

3.5.	Прогнозы развития нанотехнологий в XXI веке..147

Заключение . ..  ..............................   157

Список литературы............................... .158

Книги почтой

Заказ можно сделать на сайте издательства
и’И’И’ т/га-е. г и

№ п/п	Наименование книги
1	Анализ возможностей импортозамещения электронной компонентной базы
2	Введение в нанотехнологии и наноэлек гронику
3	Выпрямительные устройства в силовой электронике
4	Испытания электротехнических изделий
5	Источники вторичного электропитания. Издание 4-е
6	Конструирование источников питания звуковых усилителей
7	Материалы и устройства наноэлектроники. Электроника после Мура
8	Методы проектирования электронных устройств
9	Микродатчики и микросистемы
10	Микропроцессоры
И	Микроэлектроника и схемотехника
12	Наноэлектроника, нанофотоника и микросистемная техника
13	Облучательная техника.  Источники излучения, облучательные приборы и установки
14	Основы микропроцессорной техники
15	Основы микросенсорики
16	Основы технологии электронной компонентной базы
17	Основы цифровой электроники
18	Основы электроники
19	Основы электроники. Издание 2-е
20	Основы электротехники и электроники. Практикум
21	Проектирование электронных измерительных приборов
22	Производство гибридных интегральных схем
23	Промышленная электроника. Аналоговые электронные устройства, используемые в элементах автоматики
24	Силовая электроника. Выпрямители
25	Силовая электроника. Теория и конструирование
26	Системы интеллектуального электропривода переменного тока с релейными регуляторами и адаптивными корректирующими устройствами
27	Схемотехника аналоговых и цифровых устройств
28	Схемотехника радиотехнических устройств
29	Схемотехника электропреобразовательных устройств
30	Теоретические основы электротехники
31	Технологические процессы в микро- и наноэлектронике
32	Технология интегральных микросхем
33	Устройства и модули сверхвысоких частот
34	Физика полупроводниковых приборов
35	Физические основы микроэлектроники
36	Физические основы нанотехнологий и наноматериалы
37	Химико-технологические основы микро- и наноэлектроники
38	Электрические и электронные аппараты и их использование в нефтегазовой промышленности
39	Электрический привод
40	Электроника
41	Электроника и схемотехника
42	Электроника. Элементы электронных схем
43	Электронная аппаратура. Биполярные транзисторы с изолированным затвором. Силовые модули
44	Электронная аппаратура. Диоды и тиристоры, их особенности и применение. Оптоэлектронные приборы
45	Электронная аппаратура.  Основные материалы и технологии микро- и наноэлектроники
46	Электронная аппаратура. Основные положения электроники. Радио- и электротехнические материалы и изделия
47	Электронная аппаратура. Пассивные компоненты схем:  резисторы, предохранители, конденсаторы. Термоэлектрические устройства
48	Электронная аппаратура. Пассивные электромагнитные компоненты и элементы схем. Электромагнитная совместимость. Основы магнитоэлектроники
49	Электронная аппаратура. Транзисторные биполярные и полевые структуры
50	Электронные цепи и микросхемотехника. Импульсные и цифровые устройства

Учебное издание

Валерий Димитриевич Казаков

НАНОМАТЕРИАЛЫ
И НАНОУСТРОЙСТВА
В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ

Учебное пособие

15ВМ 978-5-9729-1596-5

Подписано в печать 30.05.2023
Формат 60x84/16. Бумага офсетная.

Гарнитура «Таймс».

Издательство «Инфра-Инженерия»
160011, г. Вологда, ул. Козленская, д. 63
Тел.: 8 (800)250-66-01

Е-таП: Ьоокт§@т1га-е.гн
ЬйрзУ/т&а-е.гп

Издательство приглашает
к сотрудничеству авторов
научно-технической литературы