Введение в нанотехнологии и наноэлектронику

В. А. Галочкин






        ВВЕДЕНИЕ В НАНОТЕХНОЛОГИИ И НАНОЭЛЕКТРОНИКУ

Учебное пособие

2-е издание



















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2023

УДК 621.38
ББК 32.844.1
     Г16


Рецензенты:
д. т. н., профессор Тяжев А. И.;
к. т. н., доцент Ситникова С. В.;
Поволжский государственный университет телекоммуникаций и информатики (ПГУТИ), г. Самара



     Галочкин, В. А.
Г16 Введение в нанотехнологии и наноэлектронику : учебное пособие / В. А. Галочкин. - 2-е изд. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2023. -200 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-1338-1


          Рассматриваются основные понятия и характеристики наномира и нанотехнологий, законы квантового мира; наноматериалы; инструменты нанотехнологий. Приведены прогнозы и примеры реализации наноэлек-тромеханических систем; одноэлектроники и наноэлектроники; элементов молекулярной, функциональной и диэлектрической электроники. Рассмотрены прогнозы и примеры реализации мемристорной и полимерной электроники. Освещены вопросы будущего развития наноэлектроники и нанотехнологий и вопросы, затрагивающие аспекты опасности применения нанотехнологий.
          Для студентов телекоммуникационных и радиотехнических специальностей дневной и заочной формы обучения, а также для инженернотехнических работников, изучающих электронику и схемотехнику.


                                                                  УДК 621.38
                                                                  ББК 32.844.1











ISBN 978-5-9729-1338-1

     © Галочкин В. А., 2023
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2023
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2023

                                         Наука не является и никогда не будет являться законченной книгой. Каждый важный успех приносит новые вопросы. Всякое развитие обнаруживает со временем все новые и более глубокие трудности.

А. Эйнштейн

Оглавление


Предисловие........................................................7
Введение...........................................................8
Раздел 1. Введение в нанотехнологии...............................11
1.1. Основные понятия.............................................11
1.2. «Умственная иммунная система»................................12
1.3. Закон Мура...................................................13
1.4. Проблемы при манипуляции с индивидуальными атомами и молекулами......................................................16
1.5. Краткая справка по истории нанотехнологий....................17
Раздел 2. Технологические наноэффекты в природе...................21
2.1. Природные наноэффекты и нанотехнологии.......................21
2.2. Самосборка...................................................25
Раздел 3. Оборудование и инструменты нанотехнологий...............27
3.1. Оптический микроскоп.........................................27
3.2. Электронный микроскоп........................................29
3.3. Туннельный эффект и сканирующий..............................31
3.4. Атомно-силовой микроскоп.....................................35
3.5. Сканирующие зондовые микроскопы..............................37
3.6. Сканирующий оптический микроскоп ближнего поля...............39
3.7. Нановесы.....................................................40
3.8. Механические наноманипуляторы................................41
3.9. Оптические манипуляторы......................................42
3.10. Оптический (лазерный) пинцет................................43
Раздел 4. Законы квантовой механики...............................46
4.1. Основные понятия и законы квантовой физики...................46
4.2. Постулаты Бора и квантование орбит...........................47
4.3. Корпускулярно-волновой дуализм нанообъектов..................47
4.4. Квантовые пределы точности измерений.........................48
4.5. Волновая функция и вероятностный характер поведения квантовых объектов................................................50
4.6. Квантовые размерные эффекты..................................53
4.6.1. Размерное квантование (квантовые ограничения). Квантовые ямы, нити, точки........................................53
4.6.2. Туннелирование. Сверхрешетки...............................58
4.6.3. Квантовые наноструктуры - гетеропереходы, гетероструктуры..62
4.7. Почему нельзя смешивать законы классической и квантовой физики............................................................63
4.8. Квантовая механика и компьютер...............................64
Раздел 5. Свойства наноматериалов.................................68
5.1. Квантовые эффекты и их влияние на свойства наноматериалов....68
5.2. Материалы наноэлектроники....................................71
5.3. Ультрадисперсные наноматериалы...............................75

4

5.4. Фуллерены и углеродные нанотрубки...........................76
5.5. Графен......................................................81
5.6. Проводящие полимеры.........................................85
5.7. Примеры уникальных свойств некоторых наночастиц.............88
Раздел 6. Наноэлектроника и микроэлектромеханические системы.....92
6.1. Появление и развитие полупроводниковой электроники..........92
6.2. Диод........................................................97
6.3. Транзистор..................................................98
6.4. Интегральная микросхема....................................101
6.5. Появление и развитие MEMS и NEMS-технологии................102
6.6. Сенсоры....................................................109
Раздел 7. Основы одноэлектроники. Наносхемотехника..............111
7.1. Эффект одноэлектронного туннелирования.....................111
7.2. Приборные структуры одноэлектроники........................116
7.2.1. Классификационный анализ..................................116
7.2.2. Одноэлектронные транзисторные структуры..................116
7.3. Одноэлектронные транзисторы на основе гетероструктур.......119
7.4. Одноэлектронные металлические структуры....................120
7.5. Молекулярный одноэлектронный транзистор....................122
7.6. Устройства на одноэлектронных транзисторах.................124
7.6.1. Аналоговые устройства....................................124
7.6.2. Цифровые устройства......................................125
7.7. О развитии одноэлектроники.................................131
Раздел 8. Молекулярная электроника..............................132
8.1. Молекулярный подход в наноэлектронике......................132
8.2. Молекулярные транзисторы и элементы логики.................133
8.3. Молекулярная память........................................135
8.4. Первый чип молекулярной электроники........................138
8.5. Строительство компьютеров с применением молекулярных технологий......................................................140
8.6. Создание токопроводящей ДНК - большой шаг молекулярной электроники........................................141
Раздел 9. Функциональная электроника. Диэлектрическая электроника.....................................................143
9.1. Функциональная электроника.................................143
9.2. Приборы функциональной электроники.........................145
9.3. Диэлектрическая электроника................................147
9.4. Приборы и устройства диэлектрической электроники...........148
Раздел 10. Мемристорная электроника.............................150
10.1. Понятие о мемристоре......................................150
10.2. Мемристор. Свойства и применение..........................151
10.3. Схема на основе мемристора для имитации работы синапса головного мозга.........................................154
10.4. Флэшристоры и флэш-память.................................155

5

10.5. Нейронная сеть из мемристоров..............................157
10.6. Мемристор и самопрограммируемая электроника................157
10.7. Новый тип энергонезависимой памяти - гибкие мемристоры на основе графена................................................158
10.8. Проект первого фотонно-электронного компьютера на основе мемристоров.................................159
Раздел 11. Полимерная электроника................................161
11.1. Электропроводящие полимеры.................................161
11.2. Применение полимерных материалов...........................161
11.3. Применения легированных полимеров..........................162
11.4. Устройства, использующие электрохимическое легирование.....162
11.5. Полимерная электроника.....................................163
Раздел 12. Будущее нанотехнологий: проблемы и перспективы........169
12.1. Идеальная техническая система..............................169
12.2. Медицина...................................................170
12.3. Материаловедение...........................................172
12.4. Электроника, компьютерные технологии, робототехника........174
12.5. Микроскопия и средства визуализации........................175
12.6. Космический лифт...........................................176
12.7. Опасности, которыми не следует пренебрегать................179
12.8. Квантовый компьютер........................................181
Заключение.......................................................186
Литература.......................................................189
Приложение. Обозначения наиболее известных материалов полупроводников..................................................195
Глоссарий........................................................196

6

Предисловие


    В настоящее время практически нет областей науки и техники, куда бы ни проникли достижения нанотехнологий и наноэлектроники: информационные, телекоммуникационные технологии, электроника, телевидение, медицина, машиностроение, авиация и космонавтика, автомобилестроение, вооружение и военная техника и др.
    В данной работе собраны наиболее яркие (по мнению автора) публикации последних лет [1-80] о наиболее значимых достижениях в области нанотехнологий и наноэлектроники и перспективах их развития. В ряде случаев публикации приведены практически без купюр, чтобы не исказить мнение авторов по наиболее важным их идеям и утверждениям. Безусловно, «нельзя объять необъятное» -огромное число фактических достижений не попало в данную книгу - рассмотрены только некоторые достижения в рамках телекоммуникационной и радиотехнической тематики.
    В работе рассмотрены основные понятия и характеристики наномира и нанотехнологий; законы квантового мира; наноматериалы; инструменты нанотехнологий, элементы одноэлектроники, наноэлектромеханических систем и наноэлектроники, молекулярной, мемристорной, функциональной, полимерной электроники. Приведены прогнозы по развитию нанотехнологий и наноэлектроники и примеры или реализации прогнозов, или планы по срокам их исполнения.
    Автор не ставил задачу дать подробные технические характеристики современных (уже разработанных или находящихся на стадии освоения) или перспективных радиотехнических и телекоммуникационных устройств. Автор взял на себя лишь труд отобрать из буквально «моря информации» материалы, соприкасающиеся с направлениями технических дисциплин, скомпоновать и представить эти материалы в форме лекций.
    Главная задача исследования - в популярной форме показать, что в основе создания новых устройств лежат новые материалы, новые инструменты для исследований, новые технологические принципы построения, основанные на законах квантовой механики и с использованием достижений нанотехнологий.
    Знания будущих специалистов по этим вопросам - задача даже не «сегодняшнего», а «вчерашнего» дня, так как эти знания - основа развития всей современной техники и создания техники будущего.
    Представленная работа предназначена для специалистов и бакалавров по радиотехническим и телекоммуникационным направлениям подготовки: 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи», 11.03.01 «Радиотехника», 11.05.02 «Информационная безопасность телекоммуникационных систем», 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы», 09.03.01 «Информатика и вычислительная техника», 27.03.04 «Управление в технических системах, и др.
    Автор выражает глубокую благодарность рецензентам: д. т. н., проф. А. И. Тяжеву и к. т. н., доц. С. В. Ситниковой за их помощь при работе над книгой.

7

Введение


    Требования федеральных государственных образовательных стандартов высшего образования (ФГОС ВО) по многим направлениям подготовки радио-и телекоммуникационных направлений, например [1, 2], определяют, что в результате обучения базовой части цикла обучающийся способен, в частности:
     -       представить адекватную современному уровню знаний научную картину мира на основе знания основных положений, законов и методов естественных наук и математики;
     -       учитывать современные тенденции развития электроники, измерительной и вычислительной техники в своей профессиональной деятельности.
    Для сегодняшних и будущих студентов большое значение имеет их уверенность в том, что приобретаемые ими знания:
     -      соответствуют современным технологиям;
     -       не устареют и не обесценятся к моменту окончания вуза и в дальнейшем, хотя бы в течение 5-10 лет практической деятельности. Для обеспечения этих условий важное значение имеет преподавание, основанное на междисциплинарном подходе, когда студенты приобретают фундаментальные знания как по техническим, так и по гуманитарным наукам.

О довузовской подготовке будущих специалистов

    В настоящее время в школьных программах основные понятия по таким дисциплинам как физика, химия, биология и другим «техническим» дисциплинам остаются на уровне классики XVIII-XIX веков. Новые, прорывные технологии в школьных программах практически отсутствуют. В последнее время правительство обратило внимание на необходимость подготовки инженеров в высших учебных заведениях. Но внедрение «знаменитого» ЕГЭ приводит подготовку школьников к принципу - «что легче». Естественно, «трудные науки» -физика, химия, биология и др. в массе своей остаются не освоенными. «В результате мы получаем ситуацию, когда 32 % населения России считают, что Солнце -это спутник земли. Когда введем в 2020 г. новый образовательный стандарт для старшей школы, который позволит вообще не изучать физику, химию, биологию, таких людей станет намного больше» [3]. «Только 15 % школьников выбирают физику как предмет сдачи ЕГЭ. 20 % будущих абитуриентов технических вузов в школе всерьез физику не изучают - разве можно в этом случае говорить о повышении уровня подготовки инженеров?» [4]. «...Это результат госполитики 1990-2000-х, когда многое покупали за рубежом и заявляли, что нам нужны не творцы, а уверенные пользователи. А все доводы, что качество знаний - вопрос национального суверенитета и самостоятельного существования государства, отвергалось с ходу.. Да, мир стремительно меняется, но фундаментальные законы физики, математики, таблица Менделеева, строение атома, открытое Нильсом Бором, остаются неизменными» - мнение народного учителя России, профессора государственного университета им. Герцена С. Рукшина [5].


8

О вузовской подготовке специалистов


    Существующие учебники и учебные пособия по электронике и схемотехнике (и, соответственно, приборы, устройства и их схемотехника) при всем их разнообразии базируются в основном на следующих научных направлениях, например [6, 7, 8, 9].
    Вакуумная электроника:
    Приборы и устройства вакуумной электроники (СВЧ-приборы и устройства; электронно-лучевые устройства и приборы; фотоэлектронные устройства и др.).
    Плазменная электроника:
    Приборы и устройства плазменной электроники (ионные приборы, ионные приборы обработки и отображения информации и др.).
    Микроэлектроника:
    Приборы и устройства микроэлектроники (полупроводниковые структуры; интегральные транзисторные структуры; аналоговая и цифровая схемотехника, запоминающие устройства, микропроцессоры и компьютеры на базе биполярных и полевых транзисторов; интегральные микросхемы и устройства СВЧ-диапазона и др.).
    Квантовая и оптическая электроника:
    Приборы и устройства квантовой и оптической электроники (лазеры, плоские волноводы, волоконные волноводы, фотодиоды, фотоприемники, оптоэлектронные устройства и др.).
    Анализ литературы по указанным направлениям показывает, что базой существующих учебников и учебных пособий по электронике и схемотехнике являются результаты фундаментальных исследований и открытий по выше названным научным и инженерным направлениям, полученным, в основном, в XVIIXIX веках, включая середину XX века.
    Но в настоящее время практически нет областей науки и техники, куда бы ни проникли достижения информационных, телекоммуникационных технологий, электроники, телевидения. Энергетика, робототехника, экология, строительство, сельское хозяйство, медицина, машиностроение, авиация и космонавтика, автомобилестроение, вооружение и военная техника и многие другие отрасли науки и техники - их невозможно представить без информационных и телекоммуникационных технологий, без электроники, телеметрических и автоматических систем управления. Естественно, что для всех этих направлений человеческой деятельности должна быть единая база знаний о современном уровне познания мира - физики, биологии, химии, математики и т. д. А этот уровень знаний за последние двадцать лет кардинально изменился.
    В настоящее время бурное развитие получила такая область научных исследований, как нанотехнологии и, в частности, наноэлектроника. «Наноэлектроника сегодня - это электроника будущего. Согласно закону Мура всего через 2530 лет размер одного транзистора в коммерчески доступной микросхеме должен спуститься до размеров одиночной молекулы. То есть следующий шаг - за моле

9

кулярной электроникой...» [10]. Физические принципы и явления, лежащие в основе наноэлектроники, отличаются от ранее используемых в электронике и микроэлектронике.
    Достижения нанотехнологий основаны на принципиально новых научных знаниях о природе строения материалов, и, соответственно, принципиально новых технологиях и принципах конструирования.
    Основой при создании перспективных радио- и телекоммуникационных устройств стали новые материалы, новые устройства и приборы для исследований. Принципы работы новых устройств основаны на законах квантовой механики.
    Необходимо отметить, что по наблюдениям и многочисленным опросам автора многие современные абитуриенты и студенты радиотехнических и телекоммуникационных направлений имеют, к сожалению, весьма смутные представления по перечисленным выше вопросам.
    Безусловно, студенты должны приобретать фундаментальные знания по «своим», техническим, узкопрофессиональным дисциплинам. Естественно, что для радио- или телекоммуникационного вуза изучение материалов, например по [11, 12, 13], в полном объеме невозможно. Но базовые знания и понятия о новых устройствах, о новой элементной базе, о новых принципах построения на основе достижений нанотехнологий и наноэлектроники, полимерной электроники, молекулярной электроники, MEMS и NEMS - технологий безусловно должны, по мнению автора, дополнять учебные программы по изучению новой элементной базы устройств телекоммуникаций и телевещания [14, 15].

10

                                               «Технологии - это всё, чего не было, когда ты родился».


                                        Алан Кей, учёный в области объектноориентированного программирования

        Раздел 1. Введение в нанотехнологии

1.1. Основные понятия

    Вы не знаете, что такое нанотехнологии? На что похож фуллерен и чем уникальна нанотрубка? Никогда не слышали про Космический лифт, который НАСА планировала построить к 2018 году*? А про японские автомобили на экологически чистых топливных ячейках*? Не знаете из чего можно сделать наноробота и как работают самоочищающиеся покрытия*? Так вот знайте, что в США и Японии об этом уже знает каждая домохозяйка [16].
    Нанотехнологии - это «самые высокие» технологии, на развитие которых ведущие которых ц державы тратят сегодня миллиарды долларов. По прогнозам ученых нанотехнологии в XXI веке произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую в XX произвели компьютеры в манипулировании информацией», а их развитие изменит жизнь человечества больше, чем освоение письменности, паровой машины или электричества.
    Разработки в этой области ведут к революционным успехам в медицине, электронике, машиностроении и создании искусственного интеллекта.
«Нано» означает одну миллиардную (10⁻⁹) долю чего-либо. Например, нанометр - одна миллиардная доля метра. Примерно таковы размеры молекул (поэтому часто нанотехнологию называют также молекулярной технологией). Для сравнения, человеческий волос приблизительно в шестьдесят тысяч раз толще одной молекулы. Наноразмерный масштаб используют для характеристики самых маленьких объектов, например атомов и молекул (рис. 1.1).
    Нанометры являются привычными единицами для описания длины волн света. Например, видимый свет имеет длины волн в диапазоне от 400 до 700 нм.
    Нанометры являются привычными единицами для описания длины волн света. Например, видимый свет имеет длины волн в диапазоне от 400 до 700 нм. В нанометрах измеряют также размеры микроорганизмов, клеток и их частей, биомолекул. Вот лишь некоторые примеры: диаметр спирали ДНК человека -2 нм; длина одного витка ДНК - 3,4 нм; молекула гемоглобина - 6,4 нм.


*Примечание: ниже, в соответствующих разделах, под символом *) будут приведены или результаты реализации рассматриваемых прогнозов, или планы по срокам их реализации.

11

Рис. 1.1

    Механически изготовленные приборы не позволяют измерять длину наноотрезков. Это делают с помощью сложных приборов - электронных и атомносиловых микроскопов, однако для их применения нужно провести калибровку, то есть создать специальные «нанолинейки». Создавать «нанолинейки» с использованием интерферометров начали в начале 90-х годов прошлого века. Современный интерферометр позволяет измерять перемещение тел с точностью до долей диаметра атома это достигается детектированием изменения картин интерференции 3-х световых потоков от одного источника лазерного излучения [16].

1.2. «Умственная иммунная система»

    Способность человека противостоять ложным и вредным идеям Дрекслер называет «умственной иммунной системой» [16]. Она действует по тем же принципам, что и иммунная система организма. Старейшая и самая простая умственная иммунная система просто даёт команду: «верь старому и отбрасывай новое». Иммунная система вашего тела следует похожему правилу: она обычно принимает все типы клеток, присутствовавшие в начале жизни, и отторгает как инородные и опасные потенциальные раковые клетки и бактерии. Эта простая система «отбрасывай новое» когда-то работала хорошо, однако в век пересадки органов она может убить, ведь операция по трансплантации требует совместимости тканей донора и реципиента. Аналогично, в век, когда наука и технологии постоянно изменяются, негибкая умственная иммунная система становится опасной помехой.


12

    При всех своих недостатках принцип «отклоняй всё новое» прост и удобен. Традиция содержит многое, что испытано и проверено временем. Изменение рискованно: как большинство мутаций вредны, так и множество новых идей опасно. Однако мимы (воспроизводящиеся мысленные структуры), защищающие разум от новых идей, также могут охранять паразитирующую бессмыслицу от столкновения с истиной. Во времена быстрых изменений они могут делать умы опасно косными.
    Многое в истории философии и науки может рассматриваться как поиск лучших умственных иммунных систем, лучших способов отклонять ложное, бесполезное и вредное. Лучшие системы уважают традицию, однако поощряют эксперимент. Они предлагают стандарты для оценки мимов, помогая уму различить паразитов и полезные инструменты.
    Мечты мечтами, но возникает естественный вопрос: если в XIX веке не пользовались электричеством, значит ли это, что в XIX веке электричества не существовало в природе? Или это говорит лишь о том, что мысль человеческая была в то время не в силах обнаружить эти «таинственные силы» природы, известные сегодня как электромагнитные волны?
    Итак, во все времена жили те великие люди, которые первыми находили то, что веками было скрыто от других, или первыми воплощали в жизнь свои «нереальные» замыслы. Что же толкает этих первопроходцев постоянно искать что-то новое, добиваться реализации своей мечты вопреки всем преградам? Какие качества отличают их? Ответы на эти вопросы стоит поискать самому, но среди этих качеств, несомненно, должны быть:
     —       самостоятельность мышления, даже вопреки авторитетному мнению большинства;
     —       вечное стремление к познанию и улучшению мира;
     —       уверенность в своих силах и правильности пути.
    Эти качества всегда отличали неординарного человека от обывателя.

1.3. Закон Мура

    Гордон Мур, сооснователь фирмы Intel, предположил, что быстродействие компьютеров (то есть число элементов на микросхеме) будет удваиваться каждые 18 месяцев без существенного изменения цены. Согласно его прогнозу, эта тенденция должна была сохраниться в течение последующих 10 лет, а в 1975 году все с удивлением обнаружили, что прогноз сбылся. «Закон Мура» актуален и сейчас* (таблица 1.1) [16].


_____________________________________ Т а б л и ц а 1.1

  Год     Модель      Кол-во   
выпуска процессора транзисторов
1971       4004        2250    
1972       8008        2500    
1974       8080        5000    

13