что такое наноэлектроника простыми словами
Наноэлектроника
Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.
Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.
Связанные понятия
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Углеродная нанотрубка (сокр. УНТ) — это аллотропная модификация углерода, представляющая собой полую цилиндрическую структуру диаметром от десятых до нескольких десятков нанометров и длиной от одного микрометра до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей.
Под пластиковой или органической электроникой обычно понимают электронные компоненты, основой для создания которых являются полимеры, являющиеся полупроводниками в светодиодах и полностью замещающие кремний в микросхемах.
Наноэлектроника – достижения и перспективы
Термин «наноэлектроника» относительно новый и пришел на смену более привычному для старшего поколения термину «микроэлектроника», под которым понимали передовые для 60-х годов технологии полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона
Однако наноэлектроника связана с разработкой архитектур и технологий производства функциональных устройств электроники с топологическими размерами элементов на порядки меньше, не превышающими 100 нм, а иногда и 10 нм.
Уже в 70–80 годы в полупроводниковую технику вошли такие наноразмерные структуры как гетеропереходы, сверхрешетки, квантовые ямы и квантовые точки, синтезируемые на основе многокомпонентных соединений изменяющегося состава. Для их создания были разработаны соответствующие технологические процессы, представляющие собой логическое развитие и совершенствование полупроводниковой классики: эпитаксии, диффузии, имплантации, напыления, окисления и литографии. В производство электронных компонентов стали внедряться такие технологии, как молекулярно-лучевая эпитаксия, ионно-плазменная обработка, ионно-лучевая имплантация, фотонный отжиг и многие другие.
Метод сканирующей туннельной микроскопии,изобретенный в начале 80-х, основан на квантовом туннелировании. Иглы-зонды из металлической проволоки подвергаются предварительной обработке (такой, как механическая полировка, скол или электрохимическое травление) и последующей обработке в сверхвысоковакуумной камере. Если приложить напряжение между иглой и образцом, то через промежуток потечет туннельный ток. Приложив несколько большее, чем при сканировании, напряжение между поверхностью объекта и зондом, можно добиться того, что к зонду притянутся один или несколько атомов, которые можно поднять и перенести на другое место. Прикладывая к зонду определенное напряжение, можно заставить атомы двигаться вдоль поверхности или отделить несколько атомов от молекулы. Именно так была в 1990 году сделана знаменитая надпись IBM из 35 атомов ксенона.
В отличие от сканирующего туннельного микроскопа, с помощью атомно-силового микроскопа можно исследовать как проводящие, так и непроводящие поверхности. Кроме того, с помощью атомно-силового микроскопа можно изучать взаимодействие двух объектов: измерять силы трения, упругости, адгезии, и, так же, как и с помощью туннельного, перемещать отдельные атомы, осаждать и удалять их с какой-либо поверхности.
Следующим открытием, по мнению многих ученых, определившим облик электронных схем будущего, стало появление нанотрубок и графена.
Уже сейчас микроэлектронной промышленностью в опытном порядке создаются транзисторы с размером рабочих элементов 20–30 нм. Они еще способны работать с обычными электрическими сигналами.
Первые работающие прототипы нанотранзисторов созданы еще 10 лет назад. В 2001 г. IBM представила первый одноэлектронный транзистор на базе нанотрубок. По мнению специалистов из IBM Research, в идеале нанотрубкой в таком транзисторе будет заменяться только элемент доступа. При этом исток, сток и сама архитектура транзистора остаются без изменений. Одна из особенностей нанотранзистора заключается в улучшенной емкостной связи между нанотрубкой и затвором, которая усиливает донорство как электронов, так и дырок, а также распространение заряда вдоль нанотрубки на большие расстояния.
Проводящий канал транзистора (остров) отделён от стока истока туннельными барьерами из тонких слоёв изолятора, при этом размеры острова – 10 нм. Важной особенностью этого транзистора является то, что он функционирует при комнатной температуре, а, как известно, быстродействие и размеры компьютерных микросхем ограничены тем, сколько теплоты они выделяют. Это явление носит название резистивного нагрева.
Еще одной областью, в которой старые методы уступают место нанотехнологиям, является создание накопителей информации.
Одним из подходов является создание схем одноэлектронной памяти, где два-три электрона хранят один бит информации (в современной микроэлектронной памяти для хранения одного бита информации задействовано около 10.000 электронов).
Другая идея нанопамяти подсказана принципом считывания обычного патефона, в котором игла считывает аналоговую информацию. В цифровом варианте единице и нулю соответствуют ямки, выдавленные в полимерном носителе. Ширина каждой ямки – около 40 нм, а глубина – не более 25 нм. Запись осуществляется с помощью щупа высоко допированного кремниевого кантилевера путем локального разогрева – щуп выдавливает ямки в полимере. Считывание осуществляется с помощью того же щупа. Нагрев меняет электрическое сопротивление, что фиксируется и преобразуется в цифровой сигнал. Таким образом, в один квадратный сантиметр можно вместить порядка 500 гигабит информации.
Мы видим, что переход к наноэлектронике в определенной степени базируется на достижениях микроэлектроники – использование уменьшающихся до атомарных размеров транзисторов и диодов и собранных из них схем. В то же время будущее сулит новые достижения на основе новых принципов работы на уровне отдельных атомов – использование квантовых эффектов, волновых свойств электрона и других явлений наномира.
Термин «наноэлектроника» относительно новый и пришел на смену более привычному для старшего поколения термину «микроэлектроника», под которым понимали передовые для 60-х годов технологии полупроводниковой электроники с размером элементов порядка одного микрона.
С «надвигающимся» Новым годом и другими праздниками! Счастья, здоровья и новых успехов.
Наноэлектроника. Что это такое и как она работает?
Область электроники, занимающаяся разработкой технологических и физических основ построения интегральных электронных схем с размерами элементов менее 100 нанометров, называется наноэлектроникой. Сам термин наноэлектроника отражает переход от микроэлектроники современных полупроводников, где размеры элементов измеряются единицами микрометров, к более мелким элементам — с размерами в десятки нанометров.
Наноэлектроника
С переходом к наноразмерам, в схемах начинают доминировать квантовые эффекты, открывающие множество новых свойств, и, соответственно, знаменующие собой перспективы их полезного использования. И если для микроэлектроники квантовые эффекты зачастую оставались паразитными, ведь например с уменьшением размера транзистора его работе начинает мешать туннельный эффект, то наноэлектроника напротив — призвана использовать подобные эффекты как основу для наногетероструктурной 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?
Уменьшение 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 сегодняшний день приблизительно такой же, размеры устройств становятся все меньше и меньше. Крупный полупроводниковый прибор работает медленнее и потребляет больше энергии, а нанотранзистор — и 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, которые на обычной кремниевой базе просто принципиально невозможно решить.
Монослойные материалы
Большой интерес вызывает сейчас графен и подобные ему монослойные материалы (смотрите статью — Графеновые аккумуляторы. Перспективы практического применения графена). Такие материалы в один атом толщиной обладают замечательными свойствами, которые можно комбинировать для создания различных электронных схем.
Например технологии связанные с зондовой микроскопией позволяют строить на поверхности проводника в сверхвысоком вакууме разнообразные структуры из отдельных атомов, просто переставляя их. Чем не основа для создания одноатомных электронных устройств?
Нано-процессор
Манипуляции веществом на молекулярном уровне уже затронули многие отрасли промышленности, не обошли они и электронику. Микропроцессоры и интегральные микросхемы строятся именно так. Ведущие страны вкладываются в дальнейшее развитие данного технологического пути — чтобы переход на наноуровень происходил быстрее, шире, и совершенствовался бы далее.
Кое-какие успехи, кстати уже достигнуты. Intel в 2007 году заявила, что процессор на базе структурного элемента размером в 45 нм разработан (представили VIA Nano) и следующим шагом будет достичь 5 нм. IBM собираются добиться 9 нм благодаря графену.
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (графен), это один из наиболее перспективных наноматериалов для электроники. Они позволяют не только уменьшить размеры транзисторов, но и придать электронике поистине революционные свойства, как механические, так и оптические. Нанотрубки не задерживают свет, подвижны, сохраняют электронные свойства схем.
Особенно творческие оптимисты уже предвкушают создание портативных компьютеров, которые можно будет словно газету достать из кармана, или носить в виде браслета на руке, и по желанию как газету развернуть, и весь компьютер будет словно раскладной сенсорный экран высокого разрешения толщины бумаги.
Квантовомеханический эффект сверхвысокого магнитного сопротивления
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 квантовомеханического эффекта сверхвысокого магнитного сопротивления (GMR-эффекта), когда тонкие пленки металла из чередующихся проводящих и ферромагнитных слоев значительно изменяют свое магнитное сопротивление при изменении взаимного направления намагниченности.
Управляя при помощи внешнего магнитного поля намагниченностью структуры, можно создавать настолько точные датчики магнитного поля, и осуществлять такую точную запись на носитель информации, что ее плотность хранения достигнет атомарного уровня.
Плазмотроника
Плазмотроника
Не обошла наноэлектроника и плазмотронику. Коллективные колебания свободных электронов внутри металла имеют характерную длину волны плазмонного резонанса порядка 400 нм (для частицы серебра размером 50 нм). Развитие наноплазмоники, можно считать, началось в 2000 году, когда ускорился прогресс в совершенствовании технологии создания наночастиц.
Оказалось, что передавать электромагнитную волну можно вдоль цепочки металлических наночастиц, возбуждая плазмонные осцилляции. Такая технология позволит внедрить в компьютерную технику логические цепочки, способные работать намного быстрее, и пропускать больше информации, чем традиционные оптические системы, причем размеры систем будут значительно меньше принятых оптических.
Развитие наноэлектроники в современном мире
Лидерами в области наноэлектроники, и электроники вообще, сегодня являются Тайвань, Южная Корея, Сингапур, Китай, Германия, Англия и Франция.
Самую современную электронику производят сегодня в США, а самый массовый производитель высокотехнологичной электроники — Тайвань, благодаря инвестициям японских и американских компаний.
Китай — традиционный лидер в сфере бюджетной электроники, но и здесь ситуация постепенно меняется: дешевая рабочая сила привлекает инвесторов от высокотехнологичных компаний, которые планируют наладить в Китае свои нанопроизводства.
Хороший потенциал есть и у России. База в области СВЧ, излучательных структур, фотоприемников, солнечных батарей и силовой электроники позволяет в принципе создавать наукограды наноэлектроники и развивать их.
Этот потенциал требует экономических условий и организации для проведения фундаментальных исследований и научных разработок. Все остальное есть: технологическая база, перспективные кадры и научная квалифицированная среда. Необходимы лишь крупные инвестиции, а это зачастую оказывается ахиллесовой пятой…
Наноэлектроника
Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нанометров.
Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура, который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые полтора-два года.
Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными, (например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.
Наноэлектроника в России
В России ситуация с развитием наноэлектроники является неоднозначной. Микроэлектроника по сравнению с передним мировым фронтом в России развита достаточно слабо. В наноэлектронике Россия сохранила преимущества, которые были у Советского Союза. Это касается таких областей, как СВЧ-техника, инфракрасная техника, излучательные приборы на основе полупроводников. Россия является родиной одного из наиболее значимых электронных приборов — полупроводникового лазера, за который получил Нобелевскую премию академик Жорес Алфёров.
Во многих областях наноэлектроники стартовые позиции у России достаточно неплохие. На полупроводниковых наногетероструктурах с двумерным электронным газом основывается, например, сотовая связь. Здесь Россия не в лидер ах, но сделанные ранее разработки в областях СВЧ, фотоприёмников, излучательных структур, солнечных батарей, силовой электроники и сейчас на очень хорошем уровне.
Государственные компании и программы
Ведущими разработками в области наноэлектроники в России занимаются:
Данные организации назначены головными в отрасли нанотехнологий по таким направлениям, как наноинженерия, наноэлектроника, нанобиотехнология.
АНО «Институт нанотехнологий МФК»(ИНАТ МФК) [11] — российская некоммерческая научно-производственная организация, работающая в сфере разработки и производства нанотехнологического оборудования, а также создания и практического внедрения технологий производства наноструктур и наноматериалов на их основе. Официальный сайт ИНАТ МФК http://www.nanotech.ru
ООО «АИСТ-НТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 2007 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.
ООО «Нано Скан Технология» — компания, основанная в Долгопрудном в 2007 году. Специализируется на разработке и производстве сканирующих зондовых микроскопов и комплексов на их основе для научных исследований и образования.
ЗАО «Нанотехнология МДТ» — российская компания, созданная в Зеленограде в 1989 году. Занимается производством сканирующих зондовых микроскопов для образования, научных исследований и мелкосерийного производства.
ООО НПП «Центр перспективных технологий» — российское предприятие, работающее в области нанотехнологий. Создано в 1990 г. Специализируется на производстве сканирующих зондовых микроскопов «ФемтоСкан», атомных весов и аксессуаров, а также на разработке программного обеспечения.
Концерн «Наноиндустрия» — интегрирующая научно-производственная компания, основанная в 2001 году. Деятельность Концерна сосредоточена на разработке конкурентоспособной нанотехнологической продукции, организации ее производства и рынков потребления.
Что такое наноэлектроника и как она работает
С переходом к наноразмерам, в схемах начинают доминировать квантовые эффекты, открывающие множество новых свойств, и, соответственно, знаменующие собой перспективы их полезного использования. И если для микроэлектроники квантовые эффекты зачастую оставались паразитными, ведь например с уменьшением размера транзистора его работе начинает мешать туннельный эффект, то наноэлектроника напротив — призвана использовать подобные эффекты как основу для наногетероструктурной 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?
Известно, что все вещественные тела состоят из атомов. И почему бы электронике не достичь атомного масштаба? Эта новая область электроники позволит решать такие задачи, которые на обычной кремниевой базе просто принципиально невозможно решить.
Например технологии связанные с зондовой микроскопией позволяют строить на поверхности проводника в сверхвысоком вакууме разнообразные структуры из отдельных атомов, просто переставляя их. Чем не основа для создания одноатомных электронных устройств?
Манипуляции веществом на молекулярном уровне уже затронули многие отрасли промышленности, не обошли они и электронику. Микропроцессоры и интегральные микросхемы строятся именно так. Ведущие страны вкладываются в дальнейшее развитие данного технологического пути — чтобы переход на наноуровень происходил быстрее, шире, и совершенствовался бы далее.
Кое-какие успехи, кстати уже достигнуты. Intel в 2007 году заявила, что процессор на базе структурного элемента размером в 45 нм разработан (представили VIA Nano) и следующим шагом будет достичь 5 нм. IBM собираются добиться 9 нм благодаря графену.
Углеродные нанотрубки (графен) — один из наиболее перспективных наноматериалов для электроники. Они позволяют не только уменьшить размеры транзисторов, но и придать электронике поистине революционные свойства, как механические, так и оптические. Нанотрубки не задерживают свет, подвижны, сохраняют электронные свойства схем.
Особенно творческие оптимисты уже предвкушают создание портативных компьютеров, которые можно будет словно газету достать из кармана, или носить в виде браслета на руке, и по желанию как газету развернуть, и весь компьютер будет словно раскладной сенсорный экран высокого разрешения толщины бумаги.
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 квантовомеханического эффекта сверхвысокого магнитного сопротивления (GMR-эффекта), когда тонкие пленки металла из чередующихся проводящих и ферромагнитных слоев значительно изменяют свое магнитное сопротивление при изменении взаимного направления намагниченности.
Управляя при помощи внешнего магнитного поля намагниченностью структуры, можно создавать настолько точные датчики магнитного поля, и осуществлять такую точную запись на носитель информации, что ее плотность хранения достигнет атомарного уровня.
Не обошла наноэлектроника и плазмотронику. Коллективные колебания свободных электронов внутри металла имеют характерную длину волны плазмонного резонанса порядка 400 нм (для частицы серебра размером 50 нм). Развитие наноплазмоники, можно считать, началось в 2000 году, когда ускорился прогресс в совершенствовании технологии создания наночастиц.
Оказалось, что передавать электромагнитную волну можно вдоль цепочки металлических наночастиц, возбуждая плазмонные осцилляции. Такая технология позволит внедрить в компьютерную технику логические цепочки, способные работать намного быстрее, и пропускать больше информации, чем традиционные оптические системы, причем размеры систем будут значительно меньше принятых оптических.
Лидерами в области наноэлектроники, и электроники вообще, сегодня являются Тайвань, Южная Корея, Сингапур, Китай, Германия, Англия и Франция.
Самую современную электронику производят сегодня в США, а самый массовый производитель высокотехнологичной электроники — Тайвань, благодаря инвестициям японских и американских компаний.
Китай — традиционный лидер в сфере бюджетной электроники, но и здесь ситуация постепенно меняется: дешевая рабочая сила привлекает инвесторов от высокотехнологичных компаний, которые планируют наладить в Китае свои нанопроизводства.
Хороший потенциал есть и у России. База в области СВЧ, излучательных структур, фотоприемников, солнечных батарей и силовой электроники позволяет в принципе создавать наукограды наноэлектроники и развивать их.
Этот потенциал требует экономических условий и организации для проведения фундаментальных исследований и научных разработок. Все остальное есть: технологическая база, перспективные кадры и научная квалифицированная среда. Необходимы лишь крупные инвестиции, а это зачастую оказывается ахиллесовой пятой.