В последние полвека 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. Сегодня ученые понимают, что эти возможности скоро будут исчерпаны, и нанотехнологии рассматриваются как один из путей для продолжения развития отрасли. Многие из перспективных направлений в наноэлектронике связываются в последнее время с фуллеренами, нанотрубками и другими похожими структурами, которые обозначают общим термином «углеродные каркасные структуры». Однако вместе с тем ученые прилагают все усилия, чтобы выжать максимум возможного из существующих производственных технологий. Так, на протяжении нескольких десятилетий полупроводниковая промышленность постоянно уменьшала размеры схем, стремясь повысить производительность и функциональность кристаллов, а соответственно и продуктов, в которых они используются. Однако сегодня величина кристаллов приближается к физическому пределу — размерам отдельных атомов и молекул, — что ставит под вопрос процесс дальнейшего совершенствования полупроводниковых кристаллов, описываемый законом Мура.

Рекордно малый шаблон

Как известно, кристаллы в микроэлектронике производят методом фотолитографии, которая по сути аналогична технологии трафаретной печати — за исключением того, что вместо краски или чернил используется свет. Фотолитографический процесс переносит различные шаблоны схемных решений на кремниевую пластину путем пропускания однородного пучка лазерного излучения через теневую маску и фокусирования его на светочувствительном материале (так называемом фоторезисте), которым покрыта кремниевая пластина. После этого выполняются операции проявления, гравирования травлением и осаждения, которые окончательно формируют элементы электронной схемы. Для изготовления типичного компьютерного процессора или микросхемы памяти могут потребоваться десятки фотолитографических циклов.

В течение многих лет отрасль формировала схемные элементы все меньшего размера (что позволяло делать электронные устройства более компактными, производительными и экономически доступными) за счет использования все более коротких световых волн и более мощных линз. Самое недавнее изобретение в этой области заключается в размещении между последней линзой и кремниевой пластиной жидкости (сейчас это вода), которая дополнительно повышает разрешающую способность. До настоящего времени не было известно, сможет ли отрасль с помощью технологии оптической иммерсии создавать устойчиво различимые объекты с размерами менее 32 нм. Считалось, что новые материалы, необходимые для таких малых размеров, будут несовместимы друг с другом или позволят создавать только расплывчатые, смазанные шаблоны. В результате в последние годы разрабатывались планы перехода на принципиально иные и гораздо более дорогие — но точно так же не гарантирующие успеха — технологии производства, где вместо лазерного излучения и линз используются соответственно мягкое рентгеновское излучение (в частности, вакуумное ультрафиолетовое) и экзотические зеркала.

Недавно исследователи IBM объявили о том, что нашли способ совершенствования ключевого процесса производства полупроводниковых кристаллов, позволяющий уменьшить размеры создаваемых на кристалле схемных элементов. Это достижение в перспективе способно отсрочить рискованный переход на дорогостоящие альтернативные технологии.

Быстрая сортировка молекул

В этом году исследователи корпорации IBM (http://www.ibm.com) продемонстрировали новую нанометровую технологию, позволяющую не только быстро разделять весьма малые количества молекул, но и с прецизионной точностью доставлять их на целевую поверхность с высокой степенью управляемости. После окончательной доработки эта технология позволит добиться значительного прогресса в таких прикладных областях, как проведение медицинских анализов и производство. В основе технологии лежит использование атомно-силового микроскопа (AFM), изобретенного 20 лет назад сотрудниками IBM, — которые получили за это Нобелевскую премию по физике. Микроскоп AFM позволяет проводить различные процедуры нанометрового масштаба с помощью миниатюрного кронштейна с конусообразным наконечником. При воздействии электрического поля на наконечник молекулы скользят по его поверхности со скоростью, соответствующей напряженности поля. Модифицируя поверхность наконечника, а также изменяя напряженность и продолжительность воздействия электрического поля, можно отделять различные виды молекул друг от друга за несколько миллисекунд, более чем в 1000 раз быстрее по сравнению с существующими методами.

В первых опытах использовались фрагменты ДНК, в одном из которых было пять пар оснований, а в другом — 16. Электрическое поле переместило эти молекулы вдоль наконечника AFM, длина которого составляла 11,2 мкм, за 5 и 15 мс соответственно. Количество перемещаемого материала контролировалось с точностью до 10 молекул, что подтвердило применимость подхода для анализа биологических образцов крайне малого объема и «рисования» чрезвычайно малых объектов.

Ученые IBM предполагают, что созданный ими метод будет со временем успешно применяться как минимум в двух прикладных областях. Поскольку это фактически миниатюризованная версия электрофореза — стандартного способа разделения биологических молекул, новый метод позволит ускорить выполнение широкого круга задач молекулярного и генетического анализа — от ДНК-дактилоскопирования до обычного анализа крови. Сегодня разделение молекул методом электрофореза в гелевой среде или в капиллярных трубках обычно занимает от нескольких минут до часов. Станет огромным достижением, если эта находящаяся на ранней стадии развития технология сможет работать с широким диапазоном размеров молекул, позволяя проводить прецизионное разделение за доли секунды, как это продемонстрировали первые эксперименты ученых IBM.

Кроме того, весьма интересна возможность с помощью этой технологии доставлять молекулы на поверхность с высочайшей точностью. Это может оказаться весьма полезным при создании будущих молекулярных электронных схем, а также литографических процедур для производства традиционных наноэлектронных устройств. При демонстрации принципиальной возможности молекулярного напыления ученые с помощью единственного наконечника нарисовали классическую восьмиштриховую эмблему IBM линиями шириной 59—79 нм, состоящими из фрагментов ДНК с пятью парами оснований. Чтобы представить себе, насколько эта картинка мала, скажем, что на поперечном срезе человеческого волоса поместится более 300 таких изображений.

Новая технология IBM имеет множество преимуществ по сравнению с существующими методами молекулярного осаждения с помощью микроскопа AFM, например, метода dip-pen lithography, при котором растворенные молекулы доставляются на целевую поверхность за счет процесса, аналогичного нанесению чернила на бумагу авторучкой.

Трехмерные наноструктуры

Международная группа ученых в сотрудничестве с Научно-техническим центром наноинженерии в Висконсинском университете в Мэдисоне, используя самоорганизующийся материал, сумела создать трехмерную наноструктуру. Такие структуры могут применяться в качестве катализаторов, для разделения химических веществ, производства полупроводников и во многих других областях науки и техники. Возглавляемая профессорами биохимии Висконсинского университета Полом Нили и Хуаном де Пабло, а также их коллегами из Университета Георга-Августа (Германия) и Института Пауля Шеррера (Швейцария), группа ученых открыла, что материалы, называемые блок-сополимерами, могут спонтанно объединяться в сложные трехмерные формы, будучи помещенными в двухмерный шаблон с поверхностью, созданной методом фотолитографии. По словам ученых, проведенные эксперименты показали, что трехмерные наноструктуры можно создавать с помощью стандартных инструментов полупроводниковой промышленности.

Как известно, фотолитография имеет существенное ограничение, будучи по сути двухмерной технологией. Однако использование самоорганизующихся блок-сополимеров позволило расширить этот метод до трех измерений. Исследователи подчеркивают тот факт, что полученные структуры полностью отличаются от простых блок-сополимеров, стабильны и не имеют дефектов на большой (относительно их собственных размеров) площади. Они также соответствуют своим шаблонам, что очень важно для производства материалов по этой технологии.

Под воздействием высокой температуры блок-сополимеры — макромолекулы, где чередуются последовательности звеньев одного химического соединения с другим, — плавятся и перемешиваются в произвольном порядке, а при охлаждении они спонтанно организуются в структуру с чередующимися по слоям блоками молекул. В итоге удалось получить структуру из двух независимых, но сильно переплетенных сетей каналов и переходов атомного размера. Большая (по сравнению с их объемом) площадь поверхности наноматериалов позволяет получать очень эффективные катализаторы, в частности, осаждая на стенках сетевых каналов соответствующие вещества. Другой областью использования таких наноструктур может стать отделение веществ разных размеров, так как процесс изготовления структур позволяет точно определять размер пор.

На протяжении почти тридцати лет исследователи подразделения IBM Research, расположенного в Сан-Хосе (шт. Калифорния), лидируют в области изучения и применения органических материалов в электронных устройствах. В начале 1980-х годов в IBM Research разработали и создали первые в мире светочувствительные материалы с химическим усилением — высокоскоростные фоторезисты, которые впервые позволили решить проблему отраслевого масштаба — низкую интенсивность светового излучения от ртутных ламп, работающих в УФ-области излучения. Химическое усиление — это новый, по сути своей революционный механизм, позволяющий каждому фотону света генерировать молекулы кислотного катализатора, что приводит к каскадным (от десятков до сотен событий) изменениям растворимости. Несколько поколений фоторезистов, использующих этот механизм, впервые были созданы в лаборатории IBM Almaden, а затем широко применялись в оптической литографии с длиной волны 248 и 193 нм.

Ученым IBM удалось создать высококачественные линейные шаблоны минимального размера с помощью технологии оптической литографии в области дальнего УФ-излучения (длина волны 193 нм), которая в настоящее время используется для глубокой «печати» электронных схем на полупроводниковых кристаллах. Отчетливо различимые и равномерно расположенные грани имеют ширину всего 29,9 нм — это менее одной трети от размера изделий, находящихся сегодня в массовом производстве (90 нм), и менее величины 32 нм, которую отраслевые эксперты единодушно считали физическим пределом для технологий оптической литографии.

Стремясь усовершенствовать существующие технологии оптической литографии, в корпорации IBM создали экспериментальный аппарат NEMO, предназначенный для исследований в области интерференционной иммерсионной литографии. В частности, IBM NEMO с помощью двух пересекающихся лазерных лучей создает интерференционные картины из освещенных и затемненных участков, промежутки между которыми имеют меньшие размеры, чем можно получить на существующих установках для производства электронных кристаллов. Данный аппарат служит инструментом для исследования, тестирования и оптимизации жидкостей с высоким коэффициентом преломления и фоторезистов, которые оцениваются на предмет использования в будущих системах дальней области спектра (УФ-излучения) для создания электронных компонентов сверхмалого размера. Теперь, когда новые результаты IBM указали направление дальнейшего совершенствования оптической литографии, чтобы сделать технологию коммерчески пригодной, необходимы оптические материалы с высоким коэффициентом преломления.

Известно, что при прохождении света через прозрачный материал его скорость уменьшается пропорционально коэффициенту преломления материала. Фактически пропускание света через материал с высоким коэффициентом преломления создает эффект уменьшения длины волны и обеспечивает более точную фокусировку. Разрешающая способность иммерсионной литографии ограничивается минимальным показателем преломления таких компонентов, как последняя линза, жидкость и светочувствительный материал. В экспериментах на аппарате IBM NEMO линза и жидкость имели показатель преломления около 1,6, а фоторезист — 1,7. По опубликованным данным, будущие исследования будут направлены на разработку линз, жидкостей и светочувствительных материалов с показателем преломления на уровне 1,9, что позволит создавать методом экспонирования элементы еще меньшего размера.

Стоит отметить, что рекордно малый шаблон, состоящий из хорошо различимых и равномерно расположенных линий 29,9 нм и промежутков, был создан на литографическом аппарате, спроектированном и построенном в исследовательском центре IBM Almaden Research Center, с использованием новых материалов, разработанных партнерской компанией JSR Micro (Саннивейл, шт. Калифорния). Первые технические подробности были представлены 20 февраля 2006 г. на конференции SPIE Microlithography в Сан-Хосе (шт. Калифорния). Полученные результаты — наиболее убедительное из имеющихся сегодня доказательств того, что отрасль, возможно, имеет в запасе не менее семи лет до того момента, когда потребуются радикальные изменения в технологиях производства полупроводниковых кристаллов. Ученые уверены в том, что метод печати с применением жидкости с высоким показателем преломления позволит распространить сегодняшнюю оптическую литографию за пределы проектных норм 45 и 32 нм.

Новый транзистор

Исследователи из корпорации Intel (http://www.intel.com) представили прототип транзистора, который, как считается, поможет закону Мура, да и всей полупроводниковой индустрии, продержаться еще десятилетие. Транзистор, разработанный Intel и британской компанией Qinetiq, по структуре аналогичен традиционным: у него есть исток и сток, соединенные каналом, потоком электронов в котором управляет затвор. Однако в отличие от традиционных полупроводниковых приборов канал выполнен не из кремния, а из антимонида индия, который состоит из атомов индия In и сурьмы Sb. В Периодической системе эти элементы расположены соответственно в колонках III и V (поэтому транзисторы на их основе обозначаются как III-V); кремний же находится в колонке IV. Близкие к нему индий и сурьма обладают похожими характеристиками, но ведут себя несколько иначе.

В Intel утверждают, что замена кремния антимонидом индия приводит к снижению потребляемой энергии в десять раз при повышении быстродействия на 50%. Не менее важно и то, что материалы III-V в принципе могут вписаться в существующие производственные процессы, что сделает массовое изготовление этих транзисторов более дешевым и простым по сравнению с такими новыми технологиями, как углеродные нанотрубки и кремниевые нанопроводники.

По сообщению Intel, микросхемы на базе таких транзисторов могут появиться на рынке уже к 2015 г. Экспериментальные транзисторы были выполнены на подложке из арсенида галлия — дорогостоящего материала, применяемого в некоторых коммуникационных микросхемах. Теперь компания пытается перенести свои транзисторы III-V на кремниевую подложку.

Ученые Intel уже отмечали, что использование материалов III-V входит в число основных идей, направленных на сохранение действия закона Мура. Известная максима гласит, что число транзисторов на кристалле будет удваиваться каждые два года. Это удвоение достигается главным образом за счет уменьшения размеров транзисторов и приводит к повышению производительности. Однако утечка тока и выделение тепла в миниатюрных транзисторах — вот две главные проблемы, которые не дают покоя производителям компьютеров и конструкторам микросхем. Они вынуждают ученых искать новые материалы и изобретать лучшую структуру транзисторов, чтобы уменьшить эти эффекты. Intel и Qinetiq уже демонстрировали транзистор III-V с длиной канала 200 нм; теперь же длина канала уменьшилась до 85 нм. Напомним, что при соблюдении 90-нм проектных норм в производстве кремниевых микросхем длина затвора составляет около 50 нм.

На атомарном уровне

Ученые IBM разработали новый мощный метод исследования и регулирования магнитных явлений на фундаментальном (атомном) уровне. Новый метод представляет собой развитие созданного той же группой исследователей IBM в конце 2004 г. метода спектроскопии переворота спина, позволяющего измерять магнитные свойства отдельных атомов. В проведенных экспериментах использовалась изоляционная поверхность из оксида алюминия, но перемещать атомы по такой поверхности было невозможно. В действительности с тех пор, как группа ученых IBM в 1990 г. впервые продемонстрировала применение сканирующего туннельного микроскопа для перемещения и позиционирования отдельных атомов на металлической поверхности, никто не сумел реализовать перемещение и позиционирование атомов на изоляционных поверхностях из-за их сложной атомной структуры, шероховатости, подверженности повреждениям и сильно меняющихся сил притяжения к атомам. Изоляционная поверхность необходима для экспериментов по измерению магнитных свойств атомов, потому что многочисленные электроны проводимости металла легко подавляют и компенсируют любые изменения спинового магнетизма изучаемых отдельных атомов. Успех экспериментов по спектроскопии спинового возбуждения стал возможен благодаря тому, что исследователи IBM научились покрывать участки гладкой поверхности металлической меди одноатомными слоями изолирующего нитрида меди.

Напомним, что спиновая электроника — это новая отрасль электроники, использующая так называемый спин — квантовое свойство электронов и атомов, связанное с их магнитными характеристиками, — в дополнение или в качестве альтернативы традиционным электрическим токам, представляющим собой потоки электрических зарядов. Спин электрона направлен либо «вверх», либо «вниз». Если спины в веществе направлены одинаково, материал обладает магнитными свойствами. Как известно, большинство веществ немагнитно, поскольку они содержат равное количество направленных вверх и вниз электронных спинов, компенсирующих друг друга. В магнитных же материалах, таких, как железо или кобальт, количество направленных вверх и вниз спинов неодинаково.

«Логические» наномагниты

Микроскопические магниты способны выполнять те же арифметические операции, что и логические элементы на основе транзисторов, которые составляют сегодня основу компьютерных кристаллов. Современные транзисторы, которые, по прогнозам, достигнут предельно малых размеров в ближайшие 20 лет, можно будет в дальнейшем заменить наномагнитами, создавая более мощные и быстрые процессоры.

До настоящего времени магнитная технология заменила электронную лишь в магнитной памяти MRAM. Такая память обладает высоким быстродействием (сравнимым с быстродействием современных ОЗУ) и может хранить данные без дополнительного источника энергии. А устройства, способные обрабатывать информацию так, как это делают логические элементы на основе транзисторов, появились совсем недавно. Новая технология была разработана Расселом Кауберном и его коллегами из лондонского Imperial College, которые обнаружили, что некоторые наномагниты способны обмениваться данными между собой. На сегодняшний день исследователи из Университета Нотр-Дам (США) во главе с Александрой Имре продолжают работать над этой темой, и, по словам Кауберна, их команде уже удалось сделать огромный шаг вперед, доказав, что с помощью наномагнитов можно создать универсальный логический элемент. Испытания показали, что магниты размером 110 нм способны работать на частоте 100 МГц, а дальнейшее их уменьшение соответственно повлечет за собой и повышение быстродействия.

Обычные постоянные магниты делаются из ферромагнитных материалов, таких, как железо или кобальт. В этих материалах спины атомов выстраиваются в одном направлении, создавая внешнее магнитное поле, которое можно измерить. Другие магнитные материалы, например марганец, называются антиферромагнитными, поскольку в них спины соседних атомов ориентированы в противоположных направлениях. Такие материалы не имеют внешнего магнитного поля, но обладают интересными с точки зрения спиновой электроники свойствами.

Новый метод обещает стать важным инструментом не только в попытках понять работу компьютерных электронных схем и элементов систем хранения данных в условиях уменьшения их размеров до атомных масштабов, но и в создании основ для получения новых материалов и вычислительных устройств, использующих магнитные явления атомного уровня. Ученые полагают, что открыли окно в мир атомного магнетизма, так как могут теперь устанавливать атомы в заданные положения и управлять их магнитными взаимодействиями с помощью точно сконструированных структур. Метод, получивший название спектроскопии спиновых возбуждений, основан на применении созданного в IBM специального низкотемпературного сканирующего туннельного микроскопа, способного работать в широком диапазоне магнитных полей — вплоть до полей в 140 тысяч раз сильнее земного. Исследователи сначала устанавливают атомы в нужные положения, а затем измеряют взаимодействия между их спинами. В ходе экспериментов исследователи IBM создавали цепочки длиной до 10 атомов марганца на поверхности с высокими изоляционными свойствами и следили за изменением магнитных свойств по мере добавления новых атомов. Выяснилось, что цепочки с четным числом атомов не имеют суммарного магнетизма, в то время как цепочки с нечетным числом атомов таким магнетизмом обладают.

Магнитные вихри

Группа исследователей из Университета Барселоны (Испания) совместно с учеными Аргоннской национальной лаборатории (США) и лаборатории Spintec в Гренобле (Франция) описали эффект микроскопических магнитных вихрей (смещенных вихревых состояний), который способен сильно увеличить плотность перспективной магнитной памяти нового поколения. Как известно, принцип работы магнитной памяти MRAM состоит в формировании зон микронного размера, которые можно использовать для хранения данных. Сложность заключается только в том, чтобы магнетизм одной зоны не влиял на соседнюю; для этого нужно, чтобы магнитные области находились достаточно далеко друг от друга. Магнитные поля вихревых состояний сконцентрированы внутри таких зон, что дает возможность сильно увеличить плотность записи. Для достижения такого эффекта ученые использовали материалы с противоположными магнитными свойствами, что дало формирование «смещенных» вихревых состояний, в которых внешнее магнитное поле не наблюдалось.

Помимо фундаментальных свойств магнитных материалов новый метод, по мнению исследователей IBM, в будущем удастся использовать для изучения пределов возможностей магнитных устройств хранения данных или для точной настройки энергии, необходимой для изменения коллективной ориентации спинов небольшого числа связанных магнитной связью атомов. Предполагается также с его помощью исследовать возможности «спиновых проводников» и спиновой версии «молекулярного каскада» — созданной той же группой в 2002 г. молекулярной системы, которая представляла собой действующую компьютерную схему размерами примерно в 260 тыс. раз меньше, чем такая же схема в традиционном кремниевом исполнении (что соответствует 50 годам сокращения размеров согласно закону Мура). Еще одна задача — изучение возможностей применения специально сконструированных спиновых взаимодействий в квантовых информационных системах, в частности, в квантовых компьютерах.

Достигнутый результат — лишь один из целого ряда достижений ученых IBM Research в области исследований наноструктур. Два исследователя из швейцарской лаборатории IBM были удостоены Нобелевской премии по физике 1986 г. за изобретенный в начале 1980-х гг. сканирующий туннельный микроскоп. В последние 16 лет исследователи из лаборатории IBM в Альмадине выполнили ряд пионерских работ по использованию сканирующего туннельного микроскопа для построения из атомов точно рассчитанных структур, которые позволяют лучше понять фундаментальные явления атомного масштаба и могут найти применение в информационных технологиях. Перечислим лишь некоторые из результатов группы:

  • позиционирование отдельных атомов на поверхности;
  • создание электронного переключателя с единичным атомом в качестве активного элемента;
  • изобретение нового вида электронной ловушки — «квантового корраля»;
  • открытие эффекта «квантового миража», позволяющего передавать информацию картиной квантовых электронных волн;
  • демонстрация полнофункциональной вычислительной схемы, основанной на принципе «молекулярного каскада» и имеющей размеры в 260 тыс. раз меньше, чем схемы, изготовленные лучшими современными полупроводниковыми методами;
  • метод «спектроскопии переворота спина» — определение с помощью сканирующего туннельного микроскопа спинового состояния отдельного атома и измерение энергии, необходимой для переворота спина единичного атома.

Нанотрубки

Нанотехнологии сегодня плотно вошли в современную электронику и продолжают развиваться. Кооперация в этой области особенно важна, и Евросоюз, высоко оценивая научный потенциал нашей страны, намерен активизировать сотрудничество с российскими учеными в области нанотехнологий. Представитель Еврокомиссии посетил в начале этого года Курчатовский центр синхротронного излучения и нанотехнологий (КЦСИ и НТ) и обсудил с его руководством возможности сотрудничества российских и европейских ученых в области новых технологий. По опубликованной информации, на встрече была достигнута договоренность о том, что Европа будет объявлять конкурсы, в которых примут совместное участие Евросоюз и Россия. Таким образом, перед российскими научными учреждениями и организациями открываются расширенные возможности участия в европейских проектах, и, наоборот, европейским организациям и институтам будет предоставлено больше возможностей в проектах, реализуемых в России.

Напомним, что под нанотехнологией понимают обычно синтез и сборку новых типов молекул и структур, размеры которых измеряются нанометрами — миллиардными долями метра. В частности, это углеродные каркасные структуры — большие молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Считается, что углеродные каркасные структуры — это новая аллотропная форма углерода (в дополнение к давно известным алмазу и графиту). Главная особенность этих молекул — каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри «оболочки». Самая знаменитая из углеродных каркасных структур — фуллерен C60, абсолютно неожиданное открытие которого в 1985 г. вызвало целый бум исследований в этой области. В частности, Нобелевская премия по химии за 1996 г. была присуждена именно первооткрывателям фуллеренов Роберту Керлу, Гарольду Крото и Ричарду Смалли. В конце 80-х — начале 90-х годов, после того как была разработана методика получения фуллеренов в макроскопических количествах, было обнаружено множество других, как более легких, так и тяжелых фуллеренов.

Отметим, что разнообразие углеродных каркасных структур на этом не заканчивается. В 1991 г., опять-таки совершенно неожиданно, были обнаружены длинные цилиндрические углеродные образования, получившие название нанотрубок, CNT (Carbon Nano Tubes). Углеродные нанотрубки — цилиндрические молекулы, тоже состоящие из одних лишь атомов углерода, внешне они выглядят как свернутая в цилиндр графитовая поверхность (рис. 1). Основная классификация нанотрубок проводится по способу сворачивания этой плоскости, который определяется двумя числами n и m, задающими разложение направления сворачивания на векторы трансляции графитовой решетки. По значению параметров (n, m) различают прямые (ахиральные), зубчатые (типа «кресло», n=m), зигзагообразные (m=0 или n=0), спиральные (хиральные) нанотрубки. При зеркальном отражении нанотрубка (n, m) переходит в нанотрубку (m, n), поэтому трубка общего вида зеркально несимметрична. Прямые же нанотрубки при зеркальном отражении переходят либо в себя, либо в себя с точностью до поворота.

Рис. 1. Макеты нанотрубки.

Различают металлические и полупроводниковые нанотрубки. Металлические нанотрубки проводят электрический ток даже при абсолютном нуле температур, в то время как проводимость полупроводниковых трубок равна нулю при абсолютном нуле и возрастает при повышении температуры. Технически говоря, у полупроводниковых трубок есть энергетическая щель на поверхности Ферми. Трубка оказывается металлической, если значение n — m делится на 3. В частности, к металлическим относятся все трубки типа «кресло». Сказанное верно для простейших однослойных нанотрубок. В реальных условиях трубки нередко получаются многослойными, т. е. представляют собой несколько однослойных нанотрубок, вложенных одна в другую.

Кто первый?

Если открытие фуллерена (C60) зафиксировано Нобелевской премией по химии, то точную дату открытия углеродных нанотрубок назвать затруднительно. Общеизвестен факт наблюдения структуры однослойных нанотрубок японским профессором Сумио Идзима в 1991 г., однако существуют и более ранние свидетельства открытия этих образований. Так, в середине 70-х гг. был опубликован ряд работ с описанием тонких трубок диаметром менее 100 ангстрем, приготовленных методом конденсации из паров, однако более детального исследования их структуры проведено не было. В 1992 г. в журнале Nature была опубликована статья, в которой утверждалось, что нанотрубки наблюдали еще в 1953 г. И это неудивительно — ведь годом ранее, в статье советских ученых Радушкевича и Лушкиновича сообщалось об электронно-микроскопическом наблюдении волокон с диаметром порядка 100 нм, полученных при термическом разложении оксида углерода на железном катализаторе. Но и эти исследования не были продолжены. Кроме того, существует множество теоретических работ, в которых предсказывалось существование данной аллотропной формы углерода.

Японские физики из Университета Аояма-Гакуин в г. Канагава смогли получить сверхпроводимость в многослойных углеродных нанотрубках при температуре 12 К. В однослойных нанотрубках эффект сверхпроводимости возникает при температуре в 30 раз меньшей. Как известно, явление сверхпроводимости наблюдается у ряда металлов и сплавов (сверхпроводников) и заключается в том, что электрическое сопротивление сверхпроводника обращается в нуль при охлаждении его ниже некоторой критической температуры. Сами по себе одномерные углеродные нанотрубки не относятся к сверхпроводящим материалам из-за наличия у них жидкой фазы Томонаги-Люттингера (TTL), которая препятствует образованию электронных пар. Однако японским ученым удалось построить систему, в которой сверхпроводящая фаза конкурирует с жидкой TTL и способна даже преодолеть ее, что ранее считалось невозможным.

Система включала массив многостенных нанотрубок, каждая из которых состояла из набора концентрических оболочек. Для создания матрицы для нанотрубок ученые использовали метод электрического связывания, нанося на подложку очень тонкие проводящие слоевые структуры. Начальный алюминиевый слой содержал нанопоры, что заставляло нанесенные позже нанотрубки ориентироваться в них перпендикулярно подложке. Всю структуру сверху покрывали слоем золота. Электрические контакты крепились ко всем оболочкам нанотрубок (обычно контакты, наоборот, располагали вдоль внешних оболочек нанотрубки). Ученые считают, что новый способ подключения контактов позволяет при более высокой температуре подавить жидкую фазу настолько, чтобы проявилась фаза сверхпроводимости. Эксперименты проводили с тремя массивами нанотрубок с разной степенью заполнения нанопор и с разной степенью внедрения. Только один массив, в котором все концы нанотрубок касались слоя золота, показал эффект сверхпроводимости при 12 К. В дальнейшем исследователи предполагают увеличивать количество оболочек, на которые будет подаваться электричество. Планируется также ряд экспериментов для оптимизации проведенных исследований и преодоления нынешнего температурного барьера.

Использование нанотрубок

Исследователи IBM объявили о том, что построили первую законченную электронную интегральную схему на базе единичной «углеродной нанотрубки» — молекулы материала, который в перспективе может стать основой для более высокопроизводительных полупроводниковых устройств, чем современные устройства на базе кремния. Важность этого достижения в том, что интегральная схема была создана с использованием стандартных полупроводниковых технологических процессов, а все ее компоненты были выполнены на базе одной молекулы, а не путем соединения изготовленных по отдельности частей. Это создает предпосылки для упрощения производства и обеспечивает единство технологии, необходимое для более тщательного тестирования и совершенствования материала для прикладного применения.

Эксперты полагают, что транзисторы на базе углеродных нанотрубок в будущем могут превзойти по производительности сегодняшние кремниевые устройства. Однако ученые до сих пор в основном были сосредоточены на изготовлении отдельных транзисторов на основе углеродных нанотрубок. Теперь можно оценить потенциал электроники углеродных нанотрубок с точки зрения построения законченных электронных схем — это важнейший шаг к интеграции новой технологии с существующими микроэлектронными процессами. Исследователи IBM создали кольцевой генератор (рис. 2) — схему, на которой изготовители микросхем обычно проверяют возможности новых производственных процессов или материалов. Эта схема выделяет ряд аспектов, которые служат хорошим индикатором того, как новые технологии поведут себя в законченных изделиях.

Рис. 2. Кольцевой генератор на CNT в сравнении с человеческим волосом.

Построив законченную схему на одной нанотрубке, исследователи IBM сумели достичь скоростей, почти в миллион раз превышающих полученные ранее на схемах с множеством нанотрубок. Хотя эти скорости все еще ниже тех, на которых работают современные кремниевые кристаллы, ученые IBM уверены, что новые нанотехнологические процессы в конечном счете позволят раскрыть колоссальные потенциальные возможности электроники углеродных нанотрубок. Теперь исследователи IBM планируют изучить на примере построенного кольцевого генератора возможности совершенствования транзисторов и цепей на базе углеродных нанотрубок и оценить их возможности в законченных конструкциях электронных схем.

А вот ученые из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли (шт. Калифорния, США) и Кильского университета имени Христиана Альбрехта (Германия) полагают, что процессоры на основе нанотрубок уже не за горами. Они исследовали интересное явление: образование сложного комплекса, буквально сети нанотрубок из меди, осажденной на поверхности кристалла селенида ванадия. Ранее полагали, что такая структура образуется из-за того, что тонкий слой меди коробится после нанесения. Однако исследователи показали, что система нанотрубок строится за счет возникновения резкого поверхностного натяжения молекул кристаллической поверхности, вызванного осаждением частиц металла. Наблюдаемое явление, как полагают ученые, зависит от природы вещества подложки (в данном случае кристалла селенида ванадия). Дальнейшее изучение этого явления даст возможность создать проводящий материал, в котором электроны будут проходить по нанотрубкам, а не кремниевым проводам. Это позволит увеличить компьютерные мощности за счет размещения много большего количества транзисторов на поверхности стандартной микросхемы.

Исследователи из Политехнического университета в Гонконге разработали прототип модуля памяти на основе углеродных нанотрубок. Не исключено, что в перспективе подобные устройства станут альтернативой традиционной флэш-памяти. Как известно, энергонезависимая флэш-память в настоящее время широко применяется в различных портативных устройствах. На сегодняшний день можно выделить два основных типа флэш-памяти — NOR и NAND. При этом в обоих типах в качестве элементарных ячеек хранения информации выступают полевые двухзатворные МОП-транзисторы (транзисторы с «плавающим» затвором). Флэш-память может изготавливаться по технологии одноуровневых (Single-Level-Cell, SLC) или многоуровневых (Multi-Level-Cell, MLC) ячеек. Во втором случае в каждой ячейке хранится более одного бита данных.

Методика, предложенная гонконгскими учеными, основана на том, что ячейками хранения информации служат углеродные нанотрубки. Судя по опубликованным данным, в ходе экспериментов исследователи помещали нанотрубки в состав на основе гафния, алюминия и кислорода. В качестве подложки использовался кремний. Впрочем, новая технология пока еще нуждается в доработке: исследователям предстоит улучшить некоторые показатели, в частности, характеристики хранения заряда. Отметим, что попытки создания памяти на основе нанотрубок предпринимались и ранее. Однако образцы таких устройств работают, как правило, только при очень низких температурах, что делает их непригодными для практического применения. В методике же гонконгских ученых память на нанотрубках функционирует при комнатной температуре.

Ученые из Ренселеровского политехнического института (Нью Йорк, США) создали уникальный нанокомпозит на основе полимера и углеродных нанотрубок, который назвали нанокожей. Хотя новый материал может найти применение во многих областях промышленности, от электронной бумаги до различного вида сенсоров, в первую очередь эта разработка направлена на создание гибких тонких дисплеев. Для получения композита использовали технологию осаждения нанотрубок из газовой фазы. Суть метода состоит в испарении при высокой температуре углерода, который потом осаждается на более холодную кремниевую подложку. Осажденный слой заливают жидким полидиметилсилоксаном. После кристаллизации полимер усиливается трубками и превращается в нанокомпозит; композит отделяют от подложки и получают готовый материал. Для определенной ориентации нанотрубок на подложке на кремний литографическим методом наносят слой диоксида. На чистом кремнии нанотрубок не образуется.

Японская корпорация Fujitsu разработала новую технологию охлаждения полупроводниковых микросхем. Как сообщается, методика основана на использовании углеродных нанотрубок. Технология охлаждения сводится к созданию радиатора, состоящего из миллионов нанотрубок диаметром не более 10 мкм и длиной примерно 15 мкм. При этом структура радиатора повторяет рисунок электродов микросхемы. По заявлениям представителей корпорации, радиаторы из нанотрубок обеспечат гораздо более эффективный отвод тепла от мощных микросхем по сравнению с применяемыми в настоящее время решениями. Впрочем, предложенная методика еще нуждается в доработке, и появления первых коммерческих образцов «нанорадиаторов» следует ожидать не ранее чем через три года. Предполагается, что первоначально технология будет применяться для охлаждения высокочастотных усилителей мощности, используемых в базовых станциях сетей сотовой связи. Не исключено, что впоследствии радиаторы из нанотрубок найдут применение и в высокопроизводительных компьютерных системах.