Нанотехнологии и электроника

Таблица 2

   Резкое увеличение пропускной способности каналов связи подразумевает создание высокоэффективных излучающих и фотоприемных устройств для ВОЛС и устройств СВЧ-техники для терагерцового и субтерагерцовых диапазонов. Следует отметить, что эффективные лазерные диоды для линий связи есть типичный продукт нанотехнологии, поскольку они представляют собой  квантово-размерные  наногетероструктуры с характерной толщиной слоев в несколько нанометров. Эффективные фотоприемные устройства также базируются на полупроводниковых гетероструктурах. Дальнейшее развитие излучающих и фотоприемных приборов с неизбежностью связано с развитием нанотехнологии квантовых точек -- нанообластей в полупроводнике, ограничивающих движение электронов в трех направлениях. Здесь можно ожидать появления устройств принципиально нового типа, использующих квантово-механические закономерности.

   То же относится и к твердотельным устройствам СВЧ-электроники. Переход на наноуровень позволит существенным образом улучшить характеристики СВЧ-транзисторов и создать приборы, основанные на квантово-механических эффектах (например, резонансно-туннельные диоды и приборы на основе сверхрешеток).

   Резкое увеличение информационной емкости и качества систем отображения информации с одновременным снижением энергозатрат связано с развитием нескольких направлений. Прежде всего, это монолитные и гибридные матрицы светоизлучающих диодов (когерентных и некогерентных). И здесь наиболее эффективны и многофункциональны полупроводниковые источники на основе наноструктур. Полупроводниковые лазеры средней и большой мощности, изготовленные на основе наноструктур, эффективны для использования в проекционных системах различного назначения (в том числе для проекционных телевизоров). Наноструктурированные материалы (например, на основе углеродных нанотрубок) чрезвычайно перспективны при создании эффективных катодов для плазменных панелей любой площади.

   Резкое повышение чувствительности сенсорных устройств и значительное расширение спектра измеряемых величин как путем улучшения характеристик уже существующих приборов и устройств. При переходе к размерам, при которых становятся существенными квантово-механические эффекты, так и за счет создания принципиально новых приборов, основанных на возможности «калибровать» различные объекты (атомные кластеры и молекулы) в нанометровом диапазоне размеров и использовать высокую поверхностную чувствительность наноструктурированных материалов. Примером использования нанотехнологий для этих целей может служить создание на основе квантовых полупроводниковых наноструктур лазеров дальнего и среднего ИК-диапазонов, позволяющих контролировать загрязнение атмосферы с высокой чувствительностью и точностью.

   Создание высокоэкономичных твердотельных осветительных приборов -- важнейшая задача современного общества. На освещение сейчас расходуется около 20 % потребляемой в мире энергии, и перевод хотя бы половины освещения на высокоэкономичные полупроводниковые источники света на основе наноструктур существенно уменьшит мировые затраты энергии.

   Существенное увеличение удельного веса использования электронных и оптоэлектронных компонентов в медицинских, биологических, химических, машиностроительных и других технологиях. Благодаря возможности создавать с помощью нанотехнологий вещества и структуры с наперед заданным оптическим спектром можно «настраивать» источники и приемники излучения, что позволяет селективно воздействовать на биологические и химические процессы и получать сигналы в необходимых спектральных диапазонах для контроля таких процессов. Другое важное обстоятельство состоит в том, что именно благодаря применению наноструктур удается использовать очень компактные мощные источники лазерного излучения. Это позволит развить высокоточные, экономичные и экологически чистые технологии обработки материалов. Эти же источники очень эффективны для применения в медицине.

   Интерес к физике низкоразмерных структур связан как с принципиально новыми фундаментальными научными проблемами и физическими явлениями, так и с перспективами создания на основе уже открытых явлений совершенно новых квантовых устройств и систем с широкими функциональными возможностями для опто- и наноэлектроники, измерительной техники, информационных технологий нового поколения, средств связи и пр. Результатом исследований низкоразмерных систем стало открытие принципиально новых, а теперь уже широко известных явлений, таких как целочисленный и дробный квантовый эффект Холла в двумерном электронном газе, вигнеровская кристаллизация квазидвумерных электронов и дырок, обнаружение новых композитных квазичастиц и электронных возбуждений с дробными зарядами, высокочастотных блоховских осцилляции, а также многое другое. Современные полупроводниковые лазеры на гетеропереходах также основаны на использовании низкоразмерных систем (структуры с квантовыми ямами, самоорганизованными квантовыми точками и квантовыми нитями). Наиболее выдающиеся достижения в этой области отмечены тремя Нобелевскими премиями по физике (1985 г. -- за открытие квантового эффекта Холла; 1998 г. -- за открытие дробного квантового эффекта Холла; 2000 г. -- за труды, заложившие основы современных информационных технологий).

   Развитие этой области открыло возможности конструирования средствами зонной инженерии и инженерии волновых функций. А также и последующего изготовления с помощью современных высоких технологий наноструктур (сверхрешетки, квантовые ямы, точки и нити, квантовые контакты, атомные кластеры и т.д.) с электронным спектром и свойствами, требуемыми для обнаружения и изучения новых физических явлений или для соответствующих приложений. Сконструированные таким образом наноструктуры являются, по существу, искусственно созданными материалами с наперед заданными свойствами.

   Достижения в разработке и изготовлении наноструктур различного назначения в наибольшей степени определяются уровнем развития технологий, которые позволяют с атомной точностью получать наноструктуры необходимой конфигурации и размерности, а также методов комплексной диагностики свойств наноструктур, включая контроль в процессе изготовления (in situ) и управление на его основе технологическими процессами.

Анализ современного состояния исследований в области наноматериалов и нанотехнологий наноэлектроники

   Если при уменьшении объема какого-либо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу с ними -- к нанотехнологиям. Подавляющее большинство новых физических явлений на наномасштабах проистекает из волновой природы частиц (электронов и т. д.), поведение которых подчиняется законам квантовой механики. Проще всего это пояснить на примере полупроводников. Когда по одной или нескольким координатам размеры становятся порядка и меньше длины волны де Бройля носителей заряда -- полупроводниковая структура становится резонатором, а спектр носителей заряда -- дискретным. То же самое с рентгеновскими зеркалами. Толщина слоев, способных отражать в фазе рентгеновское излучение, лежат в нанометровом диапазоне. В других случаях возникновение нового качества может быть связано с менее наглядными явлениями. Представляется, что такой подход позволяет составить достаточно полное представление о наноматериалах и возможных областях их использования.

Полупроводниковые наноструктуры

   Используя методы «зонной инженерии», можно конструировать квантово-размерные структуры с заданным электронным спектром и требуемыми оптическими, электрическими и другими свойствами.

   Квантовые ямы. Этим термином обозначаются системы, в которых имеется размерное квантование движения носителей заряда в одном направлении. Первоначально основные исследования квантовых ям проводились на инверсионных каналах кремниевых МОП-транзисторов, позднее и до настоящего времени широко исследуются свойства квантовых ям в гетероструктурах. Основные физические явления в квантовых ямах: размерное квантование электронного спектра, квантовый эффект Холла (целочисленный и дробный), при специальном приготовлении очень высокая подвижность электронов. Основные методы получения квантовых ям на гетероструктурах: металлоорганическая газовая эпитаксия и молекулярно-пучковая эпитаксия.

   Приборные применения: высокочастотные полевые транзисторы с высокой подвижностью электронов, полупроводниковые гетеролазеры и светодиоды от ближнего ИК до голубого света, лазеры дальнего ИК-диапазона, параметрические источники света среднего ИК-диапазона, фотоприемники среднего ИК-диапазона, примесные фотоприемники дальнего ИК-диапазона, приемники дальнего ИК-диапазона на квантовом эффекте Холла, модуляторы в ближнем ИК-диапазоне.

   Квантовые проволоки -- это системы, в которых достижение носителей заряда квантовано в двух направлениях. Первые квантовые проволоки выполнялись на основе квантовых ям посредством создания потенциального рельефа с помощью двух затворов, расположенных над квантовой ямой. Основные физические явления в квантовых проволоках: квантование проводимости, сильно коррелированный электронный транспорт. Основные методы получения квантовых проволок те же, что и квантовых ям, плюс использование прецизионного травления или специальных затворов. Приборных применений пока нет.

   Квантовые точки -- нанообъекты, в которых движение носителей заряда квантовано во всех трех направлениях. Имеют дискретный энергетический спектр (искусственный атом). Основные физические явления в квантовых точках: одноэлектронные и однофотонные явления. Методы получения те же, что и для квантовых ям, однако несколько иные режимы, если происходит спонтанный рост квантовых точек по механизму Странски--Крастанова. Или использование прецизионной литографии для создания квантовых точек из квантовых ям.

   Приборные применения: лазеры и светодиоды в ближнем ИК-диапазоне, фотоприемники для среднего ИК-диапазона, однофотонные приемники, однофотонные генераторы, одноэлектронные транзисторы.

   Структуры с туннельно-прозрачными барьерами (системы квантовых ям и сверхрешетки). Основные физические явления в таких системах: резонансное туннелирование; формирование минизонного спектра в свехрешетках -- периодических системах, содержащих много квантовых ям, разделенных туннельно-прозрачными барьерами; нелинейные электрические и оптические явления в свехрешетках. Методы выращивания этих структур те же, что и для квантовых ям.

   Приборные применения: резонансно-туннельные диоды (генераторы и смесители в гигагерцовом и терагерцовом диапазонах); мощные генераторы и смесители на свехрешетках: каскадные лазеры среднего и дальнего ИК-диапазонов.

   Фотонные кристаллы-- системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Основные физические явления: отсутствие пропускания (полное отражение) света в определенном диапазоне частот, резонансные фотонные состояния.

   Возможные приборные применения: эффективные лазеры с низкими пороговыми токами, системы управления световыми потоками. 
 
 
 

                                               Заключение

  Ключевые технологии и материалы всегда играли большую роль в истории цивилизации, выполняя не только узко производственные функции, но и социальные. Достаточно вспомнить, как сильно отличались каменный и бронзовый века, век пара и век электричества, атомной энергии и компьютеров. По мнению многих экспертов, XXI в. будет веком нано науки и нанотехнологий, которые и определят его лицо. Воздействие нанотехнологий на жизнь обещает иметь всеобщий характер, изменить экономику и затронуть все стороны быта, работы, социальных отношений. С помощью нанотехнологий мы сможем экономить время, получать больше благ за меньшую цену, постоянно повышать уровень и качество жизни.

Главная надежда нанотехнологий связана с тем, что удастся двигаться не «сверху вниз», а «снизу вверх», т.е. выращивать наноструктуры, наноматериалы, нанообъекты. Нанотехнологии требуют больших объемов материалов, и собирать их атом за атомом невозможно. Поэтому есть два основных ключа к нанотехнологиям:

1.         Нужно организовать процессы так, чтобы наноструктуры собирались сами, образуя то, чего бы нам хотелось. Другими словами, это процессы самоорганизации, самоформирования и самосборки.

2.         Решение многих проблем нанотехнологий требует совместной деятельности физиков, химиков, математиков, биологов -- общего языка, понятий и моделей -- междисциплинарного подхода. Кроме того, именно широкий междисциплинарный взгляд дает понимание того, чего в принципе, возможно, достичь, чего хотелось бы достичь и -- главное -- чего хотелось бы избежать. Здесь первостепенное значение приобретает проектирование будущего, в котором технологические, экономические, политические, военные и социальные проблемы оказываются значительно более взаимосвязаны, чем ныне. Это обусловлено совершенно новыми технологическими возможностями.