Марголин В.И. Основы нанотехнологии

Подождите немного. Документ загружается.

Министерство образования РФ

____________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

___________________________________________________________

Основы нанотехнологии.

В. И. Марголин

Санкт-Петербург

2004

Министерство образования РФ

_______________________________

Санкт-Петербургский государственный электротехнический

университет "ЛЭТИ"

___________________________________________________________

В. И. Марголин

Основы нанотехнологии.

Учебное пособие

Санкт-Петербург

Издательство СПбГЭТУ "ЛЭТИ"

2004

Введение

В 1942 году, когда Джон фон Нейман создал первую в мире электронно-

вычислительную машину ENIAK, началась новая научно-техническая и промыш-

ленная революция - компьютерная. К началу 21 века информационные технологии

- кошмарное детище этой революции, полностью преобразили мир, по крайней ме-

ре промышленно развитые страны. Появление Интернета покончило с информаци-

онной монополией

государства, правящих партий (как коммунистической, так и ее

незаконнорожденной дочки - Единой России и всякого отребья типа СПС) и фи-

нансовых воротил. Интернет и более локальные сети сделали в принципе доступ-

ной для любого гражданина (естественно, имеющего деньги на компьютер и опла-

ту сетевых услуг и достаточно образованного, чтобы всем этим пользоваться

) лю-

бую информацию, которая представляет для него интерес. Правда, как в рассказе

Станислава Лема, как чертик из коробочки появился гигантский океан бессмыс-

ленной информации, в котором выловить нужную, а тем более правдивую, чрезвы-

чайно сложно, а отличить правду ото лжи весьма и весьма затруднительно. Каждый

может завести свой сайт и

писать на нем все, что угодно, любую чушь и откровен-

ную ложь, не неся за это абсолютно никакой ответственности. Демократия в чис-

том виде - свобода, ложь и безнаказанность.

Сейчас мир стоит на пороге новой научно-технической революции, последст-

вия которой представить пока крайне затруднительно, но особого оптимизма они

не внушают. Наука

и технология в своем развитии вплотную подошли к опериро-

ванию объектами нанометрового диапазона размеров, что получило комплексное

название нанотехнологии. И это действительно очередная революция, только почти

бескровная, и прежде всего она должна произойти в умах людей, а не в гадких же-

лезяках.

Нанотехнология создает принципиально новую техническую и технологиче-

скую

базу цивилизации и опирается на новейшие достижения в области физики

твердого тела, химии и физической химии, прикладной математики, материалове-

дения и других естественных наук. В результате информационной революции эле-

мент сам стал производить сложные действия над потоками информации, общаясь

с внешним миром на языке математической логики. Каждый последующий этап

компьютерной эволюции

будет изменять именно функции элементов, а важнейшие

принципы их работы и, возможно, технологии их изготовления предыдущей рево-

люции останутся в какой-то степени до поры и времени консервативными. До той

поры, пока в недрах технологического прогресса не созреет новая техническая ре-

волюция нанотехнологии и никому тогда мало не покажется.

Потоки

электронов, заключенные в полупроводниковый кристалл, дали в свое

время начало новой ветви эволюции элементной базы - поколению интегральных

схем. Подвижность электронов в сочетании с малыми внутрикристаллическими

размерами обеспечили скорость, а структура твердого тела − организацию инфор-

мационных потоков в микропространстве. Это привело к необходимости формиро-

вать кристалл с почти идеальным расположением атомов в решетке, заданным рас-

пределением примесей, образующими внутри кристалла сложную пространствен-

ную фигуру, и созданием на поверхности элементов с возможно более малыми

размерами. Эти принципы распространились уже и на аморфные твердые тела, а не

только на идеальные кристаллы. В нанотехнологии ситуация более сложная и иная

принципиально. Надо отказаться от многих привычных взглядов и понятий, или

относится у ним по крайней мере с величайшей осторожностью. Более того, надо

осознать многие непривычные и вызывающие инстинктивное отторжение понятия

и физические явления.

При этом с глубоким прискорбием надо

осознать, что единичные образцы даже

самой уникальной техники не определяют уровень развития технологии. Многое

человечеству было известно и ранее, хотя знания, которыми не обладали древние,

были исключительно обширны. Более 6 тысяч лет до нашей эры на Ближнем Вос-

токе разработали технологию изготовления искусственной бирюзы путем последо-

вательного нанесения очень большого числа тонких

пленок сложного состава с от-

жигом в закрытой камере при определенных для каждого этапа условиях. И сейчас

эта искусственная бирюза практически бездефектна и отличить ее от природной

можно только с помощью современной аналитики. В Месопотамии 4 тыс. лет до

н.э. умели изготовлять гальванические элементы и с их помощью путем электро-

химического наращивания получать золотое покрытие на медных изделиях, что

немножко попахивает криминалом (живы, живы достойные древние традиции). В

1000 г. н.э. индейцы майя в совершенстве владели техникой литографии − они на-

носили на раковины тонкие рисунки из смолы или асфальта и травили их соком

кактуса, получая рельефное изображение, используемое ими

для своих специфиче-

ских нужд и забав. Древние карфагеняне и финикийцы умели варить стекла, в со-

став которых входили наночастицы металлов, что придавало стеклам уникальные

оптические свойства - они меняли цвет в зависимости от освещения. В состав вит-

ражных стекол, украшавших средневековые соборы, в качестве компонента также

входили наночастицы металлов и оксидов

, что определяло их уникальные оптиче-

ские свойства.

Однако тысячи остроумных приемов и десятки сложных физических явлений

не реализуют сами по себе предмет развитой технологии, а нанотехнологии в осо-

бенности. Не существует такого приема или явления, которые бы самодостаточно

выразили бы ее сущность. Элементную базу для достижения практически любой

поставленной цели

можно реализовывать на основе самых разнообразных физиче-

ских явлений и использовать разные материалы − полупроводниковые, сверхпро-

водящие, магнитные или оптические. При этом должен сохраняться единственный

принцип − это обработка информационных сигналов в мезоскопически и наноско-

пически малых областях твердого тела, в которых средствами современной техно-

логии создано определенное распределение электронных свойств. Это относится к

более или менее (скорее менее, чем более) понятной для продвинутого студента

ботаника электроники, но ведь есть еще нанохимия и подрастают нанобиология и

наномедицина, которые есть тоже порождения нанотехнологии.

Если бы темпы микроминиатюризации сохранились бы до 2010 г., то транзи-

стор уменьшился бы

до размеров вируса, его рабочая частота сравнялась бы с час-

тотой колебаний атомов в решетке кристалла, число транзисторов в одной ИС дос-

тигло бы триллиона, а рекордные размеры литографического рисунка достигли бы

величины в 10 раз меньше размеров атома. Однако, в 2003 г. 5 крупнейших фирм

США объявили в очередной раз (первый раз

они сподобились на столь смелое за-

явление еще в 1997 г.) технологическим стандартом размер 0,1 мкм и почти доби-

лись совпадения желаний и возможностей Однако в лабораторных образцах и мел-

кой серии этот рубеж был преодолен давным-давно, причем и на просторах нашей

Родины (увы, только в прошедшем времени), что дает определенное право

гово-

рить (но, естественно, ничего для этого не делать) о грядущем практическом пере-

ходе от микротехнологии к нанотехнологии (от греческого слова ″нанос″ − карлик),

сфера действия которой размеры порядка нанометра (10

−9

м = 10 ангстрем).

Теоретически (в некоторых прогнозах) считается, что нанотехнология позволит

создавать практически любые изделия - от вычислительных машин сверхвысокой

производительности до искусственных органов человека, причем, чем дальше ав-

тор от практической деятельности в области нанотехнологии (а таких пока подав-

ляющее большинство), тем смелее и масштабнее генерируемые им прогнозы. Осо-

бенно это

касается вторжения в область биологии, биофизики и биотехнологии.

Современная биотехнология рассматривается как первый этап становления и раз-

вития нанотехнологии, но на самом деле ей пока лишь доступен осмысленный син-

тез известных биологически активных веществ и их весьма ограниченные вариа-

ции.

Этот синтез ведется из сравнительно крупных молекулярных блоков, а основ-

ным

инструментом нанотехнологии в биологии должен стать молекулярный сбор-

щик, способный встраивать в молекулярную структуру отдельные атомы по задан-

ной программе. Сборщик первого поколения будет создан из белка, его разработка

будет вестись по аналогии со структурой рибосомы живой клетки. Итогом этой ра-

боты должен стать сборщик второго поколения - небелковый молекулярный робот,

способный манипулировать атомами любых элементов.

Предпосылки к этому имеются исключительно в мире живой природы. Моле-

кула хлорофилла при фотосинтезе получает сигнал в виде кванта света, после чего

переходит в возбужденное состояние и практически без потерь передает этот сиг-

нал и запускает цепь последовательных химических превращений. Структуры, от-

ветственные за фотосинтез в

клетках имеют размеры порядка десяти нанометров и

на одном квадратном миллиметре помещается более миллиарда таких элементов.

К сожалению, вследствие совершенно не зависящих от читателя, но хорошо

ему известных причин, положение России на рынке нанотехнологий существенно,

если не катастрофически, пошатнулось. Если до прихода Горбачева к власти во

многих областях развивающейся нанотехнологии мы имели бесспорное лидерство

(достаточно просмотреть, к примеру, сборники "Рост кристаллов", регулярно изда-

вавшиеся до 1991

г. под патронажем Института кристаллографии АН СССР - в них

за немалую честь почитали опубликоваться ведущие исследователи "свободного

мира", причем делали это на русском, очень правильном и хорошем литературном

языке. Правда, не всех их там печатали, (вследствие недостаточно высокого для

подобных сборников научного уровня). Теперь положение катастрофически ухуд-

шилось. Согласно результатов анализа

, проведенного зарубежными специалистами

(действительно, специалистами), прирост в публикациях в мире по нанотехнологии

только с 1989 по 1998 год составил 27%, но на долю России приходится 4,6% об-

щего количества публикаций (США - 23,7%, Китай и Франция - по 6,3%). Еще ху-

же ситуация с патентами и авторскими свидетельствами. На долю России их при-

ходится только 1,1% (США - 42%, Германия - 15,3%, Япония

- 12,6%, Франция -

9,1%) от общего числа. В 2000 г. работы по нанотехнологии правительством США

были отнесены к работам, характеризующимся высшим национальным приорите-

том и при президенте (США) создан специальный комитет, координирующий ра-

боты по нанотехнологии в 12 крупнейших отраслях промышленности США и воо-

руженных силах. Только в фирме Intel в 2001 г. на разработки в области

нанотех-

нологии было затрачено более 1 млрд. долл. И самое главное, разумеется, это от-

ношение властей к образованию в России и, как альтернатива, в остальном мире.

Одним из важнейших условий быстрого и успешного развития нанотехнологии

является разработка учебных курсов и программ, которые позволят профессио-

нально подготовить новое поколение исследователей, инженеров и

рабочих, спо-

собных работать в этой новой, сложной и мультидисциплинарной области науки и

техники. Основные идеи и концепции структуры вещества в нанометровом мас-

штабе должны быть включены в учебные программы всех уровней обучения,

включая дошкольное образование, подобно тому, как в 40-50 гг. прошлого века

система образования вобрала в себя идеи микроскопического строения

вещества.

О проблемах нанотехнологии должны быть информированы также обществен-

ные круги и организации, непосредственно не связанные с наукой, поскольку от

них в значительной степени зависят возможности финансирования новых про-

грамм. В США ключевую роль в финансировании программ образования и профес-

сиональной подготовки в областях, связанных с нанотехнологией, играет Нацио-

нальный

научный фонд совместно с Министерством обороны, Национальным ин-

ститутом стандартов и технологии, Национальным институтом здоровья и други-

ми, менее значительными федеральными ведомствами. Образовательные програм-

мы и курсы по нанонауке и нанотехнологии уже включены в учебные планы уни-

верситетов США. Система обучения в Корнеллском университете включает в себя

подготовку в области нанонауки учителей для школьного и дошкольного обра-

зования, вводный курс нанотехнологии для новичков и лабораторный практикум

для преподавателей высшей школы и сотрудничество с передвижной выставкой по

нанотехнологии в Научном центре г. Итака. Нужны ли комментарии?

Переход к

нанотехнологии является довольно болезненным, как и всякая рево-

люция и всякая резкая ломка привычных представлений, даже заключающаяся в

простом, но резком расширении границ мировосприятия. В связи с этим осмелюсь

привести две цитаты. Первая принадлежит западному философу Уильяму Джейм-

су, занимавшемуся философией научного познания. ""В любой науке вокруг обще-

признанных и

упорядоченных фактов вечно кружит пыльное облако исключений

из правил - явлений малозаметных, непостоянных, редко встречающихся, явлений,

которые проще игнорировать, нежели рассматривать. Всякая наука стремится к

идеальному состоянию замкнутой и строгой системы истин. Феномены, не подле-

жащие классификации в рамках системы, считаются парадоксальными нелепостя-

ми и заведомо не истинны. Ими пренебрегают и их

отвергают, исходя из лучших

побуждений научной совести. Тот, кто всерьез займется иррегулярными феноме-

нами, окажется способен создать новую науку на фундаменте старой. По заверше-

нию же этого процесса правилами обновленной науки по большей части станут

вчерашние исключения"".

Вторая цитата принадлежит нашему соотечественнику, физику, занимающему-

ся проблемами квантовых измерений, Михаилу Борисовичу

Менскому. ""Нере-

шенные концептуальные вопросы квантовой механики часто объединяют под име-

нем "проблемы измерения". Они не имеют, подобно другим проблемам в физике,

вполне ясной и однозначной формулировки и порой разными авторами преподно-

сятся по-разному. Более того, большое число вполне квалифицированных и опыт-

ных специалистов считает, что никаких концептуальных проблем в

квантовой ме-

ханике вообще не существует. Те, кто такие проблемы обсуждает, часто встречают

не только непонимание, но и осуждение. Типичная оценка такого рода обсуждений

состоит в замечании, что это не физика, а философия, и при этом слово "филосо-

фия" иногда произносится несколько свысока… Парадоксы в квантовой физике

возникают лишь тогда,

когда исследователь не удовлетворяется этим "физическим"

уровнем теории, когда он ставит такие вопросы, которые в физике ставить не при-

нято, другими словами, - когда он берет на себя смелость попытаться выйти за пре-

делы физики. Вполне оправданной является точка зрения, что такая попытка со

стороны физика не имеет смысла. Те, кто этой

точки зрения придерживается, не

заслуживают осуждения. Более того, они по-своему правы, потому что для конст-

руктивной работы в физике необходимо ограничить себя точно сформулированны-

ми, чисто "физическими" задачами. Однако для некоторых физиков оказывается

необходимым иногда попытаться выйти за рамки собственно физической методо-

логии и поставить более широкий круг вопросов. Вот тогда возникают квантовые

парадоксы. Оказывается, что попытки разрешить эти парадоксы могут приводить к

удивительным новым концепциям, которые по меньшей мере весьма любопытны.

Нельзя сказать, что на этом пути достигнут существенный прогресс. Однако красо-

та и смелость возникающей при этом картины квантового мира

невольно заставля-

ют надеяться, что этот путь позволит в конце концов вывести теорию на качест-

венно новый уровень"".

Но прогнозы - прогнозами, а учебный план - учебным планом. В данном курсе

предполагается, что изучающий его уже познал к этому моменту физику твердого

тела, ФОМЭ, элементы физхимии, матфизику и многое другое, если верить

зачет-

ной книжке. Предполагается, что выражения типа "уравнение Шредингера" и "вол-

новой дуализм Де Бройля" вызовут тень узнавания, а не тупое мычание. С этим

чрезвычайно оптимистическим предположением приступим к изучению курса.

Глава I. Общие представления о нанотехнологии.

Раздел 1. Переход от микротехнологии к нанотехнологии.

Поступательное развитие науки, техники и технологии позволило в последнее

время практически, а не на словах и прогнозах, перейти к освоению нанометрового

диапазона размеров объектов человеческой деятельности. Появилась и оформилась

соответствующая наука - нанотехнология (хотя надо признать, что на словах она

появилась

гораздо раньше, чем на практике). Значительное внимание стало уде-

ляться проблемам, возникающим при создании и исследовании наноразмерных

структур в различных областях науки и техники. Развитие нанотехнологии и нано-

электроники приводит к необходимости уже не на словах, а промышленно осваи-

вать нанометровый диапазон размеров элементов. В достаточно далеком будущем

очень хотелось

бы разработать практически реализуемые технологии, позволяю-

щие оперировать отдельными атомами или молекулами и осуществить в промыш-

ленных масштабах принципы атомной и молекулярной сборки.

В связи с этим неизбежным переходом возникает ряд технических, технологи-

ческих и фундаментальных проблем, требующих своего разрешения. Их неорди-

нарность обуславливается исторически сложившейся особенностью нанотехноло-

гии, заключающейся в

том, что на одном поле нанонауки оперируют два совер-

шенно разных и мало взаимодействовавших доселе научных направления: химиче-

ское, связанное с коллоидной химией и ультрадисперсным состоянием вещества, и

физическое, связанное с развитием микроэлектроники и микротехнологии и бази-

рующееся в основном на достижениях субмикронной технологии. Каждое направ-

ление имеет свои представления

о приоритетах, устоявшуюся терминологию, ме-

тодики работы, и, естественно, колоссальные амбиции и алчность руководства.

С физической точки зрения, это во-первых проблема создания функционирую-

щего элемента с нанометровыми размерами, во-вторых это обеспечение его комму-

тации его с другими аналогичными элементами, и в третьих, это вопрос создания

групповых методов обработки, позволяющих

получать требуемую структуру как

минимум сразу на всей поверхности подложки или достаточно большой ее локаль-

ной области. На втором плане просматриваются проблемы перехода к многоуров-

невым схемам, в дальней перспективе к объемным (так называемая 3D технология),

и связанные с этим острейшие проблемы трехмерной коммутации и теплоотвода.

С точки зрения химической - это

гигантский комплекс проблем, связанный с

получением и исследованием ультрадисперсных и наночастиц, размерные эффекты

в нанохимии, многофазные комплексы в пределах одной наночастицы, нанореакто-

ры и наноконтейнеры и многое другое. Особый интерес представляют "материалы

с интеллектом", которые обладают способностью реагировать изменением своих

физических характеристик на внешнее воздействие. Их характерной особенностью

является наличие двух

фазовых превращений. В нанохимии также просматривают-

ся два стратегических направления, первое связано с изучением химических

свойств и реакционной способности наночастиц как функции их размера и числа

образующих их атомов. Второе занимается более практическими вещами - приме-

нением нанохимии для получения и модификации отдельных наночастиц, реализа-

цией принципов самоорганизации для построения из этих наночастиц более слож-

ных конструкций микро и макромира и изучением свойств получаемых микро и

макрообъектов как функции свойств образующих их наночастиц.

Переход к нанометровым размерам и необходимость практического освоения

технологий, оперирующих с отдельными атомами и молекулами, означает также

необходимость пересмотра некоторых воззрений в связи с полученными новыми

данными, поскольку накопленный экспериментальный материал достиг объема,

провоцирующего переход количества в качество. Не исключена возможность соз-

дания

в перспективе "интеллектуальных материалов", способных к самодиагности-

ке различных дефектов и их устранению, осуществлении сенсорной и исполни-

тельной функции в процессе работы. По уровню внутриструктурной организации и

сложности такие материалы будут приближаться к белковым структурам. А как хо-

телось бы, чтобы они их превзошли!

Необходимость приведения в порядок хотя бы терминологии

, не говоря уже о

большем, была наконец-то осознана и в "Концепции развития в Российской Феде-

рации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года", одобренной Пра-

вительством Российской Федерации (18 ноября 2004 г.), используются следующие

термины:

"нанотехнология" - совокупность методов и приемов, обеспечивающих воз-

можность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты,

вклю-

чающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в

результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осу-

ществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего

масштаба; в более широком смысле - этот термин охватывает также методы диаг-

ностики, характерологии и исследований таких объектов;

"наноматериал"- материал, содержащий

структурные элементы, геометриче-

ские размеры которых, хотя бы в одном измерении, не превышают 100 нм, и, бла-

годаря этому, обладающий качественно новыми свойствами, в том числе заданны-

ми функциональными и эксплуатационными характеристиками;

"наносистемная техника" - созданные полностью или частично на основе на-

номатериалов и нанотехнологий функционально законченные системы и устройст-

ва,

характеристики которых кардинальным образом отличаются от показателей

систем и устройств аналогичного назначения, созданных по традиционным техно-

логиям;

"наноиндустрия" - вид деятельности по созданию продукции на основе нано-

технологий, наноматериалов и наносистемной техники. В результате этого эпичес-