Нанотехнологии, наноматериалы, наноэлектроника, нанофотоника в радиоэлектронике

 
 
В. Д. Казаков 
 
 
 
 
НАНОТЕХНОЛОГИИ, 
НАНОМАТЕРИАЛЫ, 
НАНОЭЛЕКТРОНИКА, 
НАНОФОТОНИКА 
в радиоэлектронике 
 
 
Справочник 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
 
1 

УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
 
 К14 
 
 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор (кафедра транспортно-технологических  
машин и комплексов, Чувашский государственный аграрный  
университет) Казаков Ю. Ф.; 
канд. техн. наук, доцент (кафедра радиотехники и радиотехнических систем,  
Чувашский государственный университет им. И. Н. Ульянова) Медведев В. Г. 
 
 
 
 
 
Казаков, В. Д. 
К14   
Нанотехнологии, наноматериалы, наноэлектроника, нанофотоника в радиоэлектронике : справочник / В. Д. Казаков. – 
Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. – 164 с. : ил. 
ISBN 978-5-9729-1953-6 
 
Изложены основные понятия нанотехнологии, наноэлектроники и 
нанофотоники и описаны методы применения наноматериалов в полупроводниковых приборах и системах. Показаны создание биполярных 
транзисторов, диодов, цифровых устройств на основе наноматериалов и 
перспективы развития нанотехнологии в электронике и нанофотонике, 
компьютерной и телевизионной технологии, лазерной видеотехнике. 
Для студентов специальности «Радиотехника и радиотехнические 
системы», «Микроэлектроника», «Автоматика и телемеханика». Может быть полезно специалистам, занимающимся вопросами наноэлектроники. 
УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1953-6 © Казаков В. Д., 2024 
 
© Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
 
Интенсивный рост научных исследований в области создания наноматериалов и нанотехнологий требует создания все новых методов и средств исследований свойств наноматериалов. 
Обуславливается это тем, что, обладая своеобразной структурой, 
наноматериалы проявляют уникальные свойства. На основе использования наноматериалов и нанотехнологий достигнуты впечатляющие результаты в биологии, медицине, оптике, микроэлектронике и др. Нанотехнология включает в себя производство 
устройств и их компонентов, необходимых для создания, обработки и манипуляции атомами, молекулами и наночастицами (наночастицы размерами от 1 до 200 нм). 
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. 
Новая отрасль полупроводниковой промышленности – наноэлектроника – приходит на смену микроэлектронике, а на смену 
электронике уверенно движется молодая наука í фотоника. Частицы света – фотоны – самые элементарные частицы, способные 
переносить электромагнитное взаимодействие. Разделом фотоники является нанофотоника, в котором исследуются явления со 
считанным количеством фотонов и исследуется поведение света 
на нанометровой шкале, в том числе при взаимодействии с наночастицами и наноструктурами. 
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 наибо3 

лее 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 т. ч. для проекционных телевизоров). 
Сразу же следует подчеркнуть, что эффективные лазерные 
диоды для линий связи есть типичный продукт нанотехнологии. 
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. 
Улучшение характеристик уже существующих приборов и 
устройств при переходе к размерам в нанометровом диапазоне 
повышает чувствительность сенсорных устройств и значительно 
расширяет спектр измеряемых величин. 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. 
Одним из методов, используемых для изучения нанообъектов, является сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ). С помощью сканирующего зондового микроскопа можно не только 
увидеть отдельные атомы, но и избирательно воздействовать на 
них, в частности перемещать атомы на поверхности.  
Многие из перспективных направлений в нанотехнологии, 
наноэлектронике связываются с фуллеренами, нанотрубками и 
другими похожими структурами, которые можно назвать общим 
термином «углеродные каркасные структуры». 
К наноматериалам, используемым в той или иной области, 
предъявляют различные требования. Так, например, материалы, 
предназначенные для радиоэлектроники, должны, прежде всего, 
характеризоваться физическими свойствами и обеспечивать миниатюризацию устройств. Наноматериалы конструкционного 
назначения предназначены в основном для изготовления массивных изделий, и их оценивают уровнем механических свойств. 
4 

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 и 
управление на его основе технологическими процессами.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
5 

Глава 1 
 
НАНОТЕХНОЛОГИИ, НАНОМАТЕРИАЛЫ,  
НАНОЭЛЕКТРОНИКА И НАНОФОТОНИКА 
 
1.1. Нанотехнология 
 
1. 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 атомарной структурой 
путём контролируемого манипулирования отдельными атомами 
и молекулами. 
2. Нанотехнология – область прикладной науки и техники, 
занимающаяся изучением свойств объектов и разработкой 
устройств размеров порядка нанометра (по системе единиц СИ, 
10-9 метра). 
3. Нанотехнологии – это технологии манипулирования веществом на атомном и молекулярном уровне – это создание 
функциональных материалов, 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. 
4. Нанотехнологией называется междисциплинарная область 
науки, в которой изучаются закономерности физико-химических 
процессов в пространственных областях нанометровых размеров 
с целью управления отдельными атомами, молекулами, молекулярными системами при создании новых молекул, наноструктур, 
наноустройств и материалов со специальными физическими, химическими и биологическими свойствами. 
Федеральное агентство по науке и инновациям в «Концепции 
развития в РФ работ в области нанотехнологий до 2010 года», дает 
такое определение: 
6 

5. Нанотехнология – совокупность методов и приёмов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и 
модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате 
этого получившие принципиально новые качества, позволяющие 
осуществить их интеграцию в полноценно функционирующие 
системы большого масштаба; в более широком смысле этот термин охватывает также методы диагностики, характерологии и исследований таких объектов. 
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: 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.  
7 

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 уникальных 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. 
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 применяются специальные методы её приготовления. Охлаждение 
подложки производится с целью уменьшения поверхностной 
диффузии осаждаемых атомов. 
Однако в большинстве случаев нет необходимости манипулировать отдельными атомами или наночастицами в достаточно 
обычных лабораторных условиях для изучения интересующих 
объектов. 
8 

Частицы нанометровых размеров, или наночастицы, имеют 
одно свойство, которое очень мешает их использованию. Они могут образовывать агломераты, т. е. слипаться друг с другом. Эту 
проблему необходимо решать, так как наночастицы многообещающи в металлургии в производстве керамики. Одно из возможных решений – использование веществ-дисперсантов, таких, как 
цитрат аммония (водный раствор), имидазолин, олеиновый спирт 
(нерастворимые в воде). Их можно добавлять в среду, содержащую наночастицы. 
Нанотехнологии широко применяются в медицине, электронике, производстве, сельском хозяйстве, строительстве. Помимо 
этих областей существует ряд областей, в которых эта глобальная 
технология существенно влияет на технический прогресс. Благодаря им появятся новые методы лечения. Многие неизлечимые 
болезни будут побеждены. Нанотехнологии помогут создать новое поколение лекарств. 
На основе нанотехнологий будут созданы новые образцы вооружений, новые системы защиты, что в итоге улучшит существенным образом обороноспособность страны. Благодаря развитию нанотехнологий произойдет революция в компьютерах. 
Нанотехнологии позволят решить энергетические проблемы, их внедрение позволит более эффективно использовать 
традиционные и откроет путь к новым источникам энергии. 
Одно из важнейших направлений нанотехнологий – это получение наночастиц (нанопорошков) и их применение. К наночастицам, как правило, относят объекты, геометрические размеры 
которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм. 
Используя нанопорошки, можно значительно улучшить 
свойства различных материалов и продуктов: строительных композиций, смазочных материалов, присадок к смазочным материалам, топлив, полимеров, лекарств. 
Постоянный рост объёма информации, передаваемой по каналам связи, требует повышения их пропускной способности. 
Наибольшими возможностями обладают волоконно-оптические 
системы передачи (ВОСП). В основе современной элементной 
базы ВОСП лежит наноэлектроника. Ее развитие, а также совершенствование методов кодирования и модуляции позволяют по9 

высить эффективность волоконно-оптической связи. Информационные технологии помогают повысить пропускную способность за счет различных способов сжатия сигналов, уменьшения 
шумов квантования, уменьшения искажений и улучшения соотношения сигнал/шум, а нанотехнологии в свою очередь повышают канальную скорость, число каналов в системах с волновым 
уплотнением. 
Нанотехнология создает новые возможности для развития 
бизнеса и конкуренции. В соответствии с существующими прогнозами мировой объем производства в области нанотехнологий 
через 10–15 лет должен превысить 1 трлн долл., что приведет к 
созданию 2 миллиона новых рабочих мест. 
В России интенсивные исследования наноматериалов начались с запозданием на 3–5 лет. При этом если в фундаментальных 
исследованиях Россия пока не очень сильно отстает от развитых 
стран, то в приборном обеспечении и технологиях отставание 
уже велико. 
В развитых странах одним из важнейших условий быстрого 
и успешного развития нанотехнологии считается разработка 
учебных курсов и программ, которые позволяют профессионально подготовить новое поколение исследователей, инженеров 
и рабочих, способных работать в этой новой, достаточно сложной 
и мультидисциплинарной области науки и техники. 
 
1.1.1. Нанонаука: возникновение, развитие 
 
В узком смысле слова термин «нанонаука» – это наука о 
наноразмерных объектах. Она изучает создание и модифицирование объектов, которые включают фрагменты размерами менее 
100 нм хотя бы в одном измерении и в результате приобретают 
принципиально новые качества. Эта отрасль знания относительно молода. Но с самого начала стало ясно, что свойства нанообъектов могут быть успешно изучены только совместными усилиями различных наук. Иными словами, нанонаука – это типичное междисциплинарное направление в изучении материального 
мира. Со временем к названию соответствующих наук стали добавлять «нано». Так возникли нанохимия, нанофизика, нанобио10