Нанотехнологии и наноматериалы в радиоэлектронике

В. Д. Казаков 
 
 
 
 
 
 
 
 
НАНОТЕХНОЛОГИИ 
И НАНОМАТЕРИАЛЫ 
В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 

УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
 
 
К14 
 
Рецензенты: 
канд. техн. наук, доцент (кафедра «Радиотехника и радиотехнические 
системы», Чувашский государственный университет  
имени И. Н. Ульянова) Иванов В. И.; 
д-р техн. наук, профессор (кафедра «Транспортно-технологические  
машины и комплексы», Чувашский государственный аграрный  
университет) Казаков Ю. Ф. 
 
 
 
 
 
 
Казаков, В. Д. 
К14  
Нанотехнологии и наноматериалы в радиоэлектронике : 
учебное пособие / В. Д. Казаков. - Москва ; Вологда : 
Инфра-Инженерия, 2024. - 192 с. : ил., табл. 
ISBN 978-5-9729-1809-6 
 
Рассматривается основное направление развития нанотехнологии в электронике. Сделан подробный обзор технологий получения 
наноматериалов: нанопорошков, углеродных нанотрубок, фуллеренов, графенов, кремния на изоляторе, фотонных кристаллов. Изложены основные свойства применяемых в наноэлектронике материалов; описаны методы применения их в полупроводниковых приборах и системах.  
Для студентов электротехнических и радиотехнических специальностей и специалистов, разрабатывающих наноустройства. 
 
УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1809-6 ” Казаков В. Д., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

 
ПРЕДИСЛОВИЕ 
 
 
Научно-технический прогресс в радиоэлектронике, как в 
одной из наиболее быстро развивающихся областей техники, 
связан прежде всего с разработкой и использованием новых, 
более совершенных материалов. Надежность, быстродействие и 
другие важнейшие характеристики радиоэлектронных приборов 
и установок определяются не только конструкцией или электрической схемой, но и использованными в них материалами. 
Учебное пособие подготовлено на основе лекций, читаемых 
по дисциплине «Материалы электронной техники», и практических занятий. Оно состоит из четырёх взаимосвязанных глав, 
обеспечивающих в совокупности необходимый уровень подготовки специалистов по разработке и выбору материалов в области наноэлектроники. 
В первой главе «Нанотехнологии и наноматериалы» охарактеризованы основные направления науки и приведены терминологические подходы к определению наночастиц, наноструктур, 
классификации наночастиц, наноструктур и наноматериалов. 
Во второй главе «Основные методы получения и исследования наноматериалов» рассмотрены методы получения наноматериалов на основе химических и физических процессов и их 
исследований. 
В третьей главе «Материалы, полученные на основе наночастиц» получили освещение материалы, относящиеся к наночастицам: углеродные нанотрубки, фуллерены, графены и кремний на изоляторе, их получение и применение. 
В четвёртой главе «Применение наноматериалов и нанотехнологий» описаны методы применения различных квантовых 
структур (квантовые ямы, проволоки и точки) в производстве 
полупроводниковых приборов. Показаны области применения 
наноматериалов в медицине, производственной технологии  
и электронной технике. 
 
 
3 

 
ВВЕДЕНИЕ 
 
 
Во второй половине ХХ века рост производительности полупроводниковых устройств обеспечивался упаковкой все 
большего количества электронных компонентов в один полупроводниковый кристалл, в основном за счет нахождения новых 
и новых возможностей для миниатюризации электронных цепей. Но понятно, что эти возможности скоро будут исчерпаны, и 
нанотехнологии рассматриваются как один из путей для продолжения развития электроники. 
Достижения в разработке и изготовлении наноструктур различного назначения в наибольшей степени определяются уровнем развития технологий, позволяющих получать наноструктуры необходимой конфигурации и размеров, а также комплексной диагностики свойств наноструктур, включая контроль в 
процессе изготовления и управление на его основе технологическими процессами. По многим прогнозам, именно развитие 
нанотехнологий определит облик XXI века, подобно тому как 
открытие атомной энергии, изобретение лазера и транзистора 
определили облик XX столетия. 
Одним из самых значимых разделов нанотехнологии является наноэлектроника, которая предполагает использование 
элементов нанометрового диапазона и даже отдельных молекул. 
Фундаментальной задачей наноэлектроники является создание 
электронных устройств и проводников молекулярных размеров. 
Решение этой задачи позволило бы конструировать сверхбыстрые и сверхкомпактные компьютеры, использующие принципиально новые квантовые алгоритмы. 
Нанотехнологии - это технологии создания функциональных материалов, устройств и систем на основе контроля свойств 
наночастиц размерами от 1 до 200 нм с использованием физических, химических и биологических закономерностей и характеристик. В наномире применяемые структуры состоят из десятков, сотен или нескольких тысяч атомов, где действуют законы 
квантовой физики и химии. 
4 

Нанотехнология включает в себя производство устройств и 
их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. 
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных 
дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы. 
Многие из перспективных направлений в материаловедении, нанотехнологии, наноэлектронике, прикладной химии связываются с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими 
структурами, которые можно назвать общим термином «углеродные каркасные структуры». 
Объединение наноэлектронных устройств со сложными 
биологическими структурами, такими, как клетка, соединяет 
нанобиоэлектронику с биотехнологией. Объединение биоматериалов с металлическими или полупроводниковыми частицами, 
фуллеренами или углеродными нанотрубками порождает новый 
класс материалов для создания уникальных электронных или 
оптических систем, создание сложных наноэлектронных схем, 
конструирование нанобиотранзисторов, диодов, нанодвигателей 
и т. д. 
Принципиальная особенность наноэлектроники связана с 
тем, что в элементах таких размеров начинают преобладать 
квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, 
открываются новые перспективы их использования. Если при 
переходе от микроэлектроники 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. 
Информационное поле вокруг наноэлектроники становится 
все более и более популярным и затрагивает практически все 
сферы не только науки, но и производства: развитие техники 
сверхвысоких частот, инфракрасной техники, создание излучательных приборов на основе полупроводников. 
Радиотехнические системы и системы передачи информации играют все возрастающую роль в области радиоэлектрони5 

ки. Эффективность систем, параметры радиоэлектронной аппаратуры в значительной степени зависят от элементной базы, т. е. 
от характеристик использованных в них интегральных схем, полупроводниковых приборов, резисторов и конденсаторов, коммутационных устройств, катушки индуктивностей, фильтров и 
линий задержек и др. Развитие функциональной микро-, опто-  
и наноэлектроники выдвигает новые требования к радиокомпонентам, дает толчок к их совершенствованию, созданию новых 
радиокомпонентов. 
Среди основных направлений науки о наноматериалах  
и нанотехнологиях можно выделить следующие: 
- фундаментальные исследования свойств материалов на 
уровне наночастиц; 
- развитие нанотехнологий для создания наноматериалов  
и использование природных объектов с наноструктурными элементами; 
- создание готовых изделий с использованием наноматериалов и интеграция наноматериалов и нанотехнологий в различные отрасли промышленности и науки; 
- развитие средств и методов исследования структуры  
и свойств наноматериалов. 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
6 

 
Глава 1. НАНОТЕХНОЛОГИИ  
И НАНОМАТЕРИАЛЫ  
 
 
1.1. Нанотехнологии 
 
Нанотехнология - междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов 
исследования, анализа и синтеза, а также методов производства 
и применения продуктов с заданной атомной структурой путём 
контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. 
Нанотехнология - это создание функциональных мате- 
риалов, устройств и систем на основе контроля свойств областей размерами от 1 до 200 нм с использованием физических, 
химических и биологических закономерностей и характеристик, соответствующих этой наномасштабной шкале. В наномире применяемые структуры состоят из десятков, сотен или 
нескольких тысяч атомов, где действуют законы квантовой 
физики и химии. 
Практический аспект нанотехнологий включает в себя производство устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами. Подразумевается, что объект не обязательно должен 
обладать хотя бы одним линейным размером менее 100 нм -  
это могут быть макрообъекты, атомарная структура которых 
контролируемо создаётся с разрешением на уровне отдельных 
атомов, либо содержащие в себе нанообъекты. В более широком 
смысле этот термин охватывает также методы диагностики,  
характерологии и исследование таких объектов. 
Нанотехнологии качественно отличаются от традиционных 
дисциплин, поскольку на таких масштабах привычные, макроскопические технологии обращения с материей часто неприменимы, а микроскопические явления, пренебрежительно слабые 
на привычных масштабах, становятся намного значительнее:  
7 

это свойства и взаимодействия отдельных атомов и молекул или 
агрегатов молекул (например, ван-дер-ваальсовы силы), квантовые эффекты. 
Развитие современной электроники идет по пути уменьшения размеров устройств. С другой стороны, классические методы производства подходят к своему естественному экономическому и технологическому барьеру, когда размер устройства 
уменьшается не намного, зато экономические затраты возрастают экспоненциально. Нанотехнология - следующий логический шаг в развитии электроники и других наукоёмких производств. 
Одним из самых значимых разделов нанотехнологии является наноэлектроника, которая предполагает использование 
элементов нанометрового диапазона и даже отдельных молекул. Фундаментальной задачей наноэлектроники является создание электронных устройств и проводников молекулярных 
размеров. Решение этой задачи позволило бы конструировать  
и принципиально новые элементы ИС, такие, например, как 
«одноэлектронные» устройства, потребляющие предельно малые энергии на переключение, или сверхбыстродействующие 
биполярные Si-Ge-транзисторы с базами толщиной в несколько нанометров. 
Резкое увеличение пропускной способности каналов связи 
подразумевает создание высокоэффективных излучающих и фотоприемных устройств для волоконно-оптических линий связи 
(ВОЛС) и устройств СВЧ-техники для терагерцевого диапа- 
зона. Сразу же следует подчеркнуть, что эффективные лазерные 
диоды для линий связи есть типичный продукт нанотехноло- 
гии. То же относится и к твердотельным устройствам СВЧэлектроники. Переход на наноуровень позволит существенным 
образом улучшить характеристики СВЧ-транзисторов и создать 
приборы, основанные на квантово-механических эффектах. 
Резкое увеличение информационного объёма 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 
8 

источники на основе наноструктур. Полупроводниковые лазеры 
средней и большой мощности, изготовленные на основе наноструктур, эффективны для использования в проекционных системах различного назначения (в т. ч. для проекционных телевизоров). 
Резкое повышение чувствительности сенсорных устройств 
и значительное расширение спектра измеряемых величин как 
путем улучшения характеристик уже существующих приборов и 
устройств при переходе к размерам в нанометровом диапазоне, 
так и использованием высокой поверхностной чувствительности 
наноструктурированных материалов. Примером использования 
нанотехнологии 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 до 20  потребляемой в мире 
энергии и перевод хотя бы половины освещения на высокоэкономичные полупроводниковые источники света на основе наноструктур уменьшит мировые затраты энергии на 10 . 
Биомолекулярная электроника (нанобиоэлектроника) - раздел электроники и нанотехнологий, в которых используются 
биоматериалы и принципы переработки информации биологическими объектами в вычислительной технике для создания 
электронных устройств. 
Нанобиоэлектроника является новой, быстро развивающейся дисциплиной, интегрирующей достижения наноэлектроники 
и молекулярной биологии. В основе нанобиоэлектроники лежит 
использование процессов переноса заряда в биомакромолекулах 
и созданных на их основе молекулярных структурах нанометрового размера. Объединение наноэлектронных устройств со 
сложными биологическими структурами, такими, как клетка, 
перебрасывает мостик от нанобиоэлектроники к биотехнологии. 
Объединение биоматериалов с металлическими или полупроводниковыми частицами, фуллеренами или углеродными нанотрубками порождает новый класс материалов для создания уни9 

кальных электронных или оптических систем. Основные 
направления нанобиоэлектроники включают создание на базе 
таких гибридных систем биосенсоров, сложных наноэлектронных схем, конструирование нанобиотранзисторов, диодов, 
нанодвигателей, нанотранспортеров и т. д. 
В силу того, что нанотехнология - междисциплинарная 
наука, для проведения научных исследований используют те же 
методы, что и «классические» биология, химия, физика. 
Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ).  
В рамках сканирующей зондовой микроскопии реализованы как 
не оптические, так и оптические методики. В современных исследовательских лабораториях используются не только «классические» зондовые микроскопы, но и СЗМ в комплексе с оптическими микроскопами, электронными микроскопами, спектрометрами комбинационного (романовского) рассеяния и флюоресценции, ультрамикротомами (для получения трёхмерной 
структуры материалов). 
Исследование свойств поверхности с помощью сканирующего зондового микроскопа проводят на воздухе при атмосферном давлении, вакууме и даже в жидкости. Различные СЗМ позволяют изучать как проводящие, так и непроводящие объекты. 
Кроме того, СЗМ поддерживает совмещение с другими методами исследования, например с классической оптической микроскопией и спектральными методами. 
С помощью сканирующего зондового микроскопа можно не 
только увидеть отдельные атомы, но и избирательно воздействовать на них, в частности перемещать атомы на поверхности. Ученым удалось создать двумерные наноструктуры на поверхности, 
используя данный метод. Например, в исследовательском центре 
компании IBM, последовательно перемещая атомы ксенона на поверхности монокристалла никеля, сотрудники смогли выложить 
три буквы логотипа компании, используя 35 атомов ксенона. 
При выполнении подобных манипуляций возникает ряд 
технических трудностей. В частности, требуется создание условий сверхвысокого вакуума, необходимо охлаждать подложку и 
микроскоп до сверхнизких температур, поверхность подложки 
должна быть атомарно чистой и атомарно гладкой, для чего 
10