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 наноэлектромеханических 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 инженерно- 
технических 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 
3 

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 MЕMS 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 XVII– 
XIX веках, включая середину ХХ 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 25–
30 лет размер одного транзистора в коммерчески доступной микросхеме должен 
спуститься до размеров одиночной молекулы. То есть следующий шаг – за моле9 

 
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, MЕMS и NEMS – технологий безусловно 
должны, по мнению автора, дополнять учебные программы по изучению новой 
элементной базы устройств телекоммуникаций и телевещания [14, 15]. 
 
10