Студ. Мустафаєв М.Г.
Кафедра електронних приладів.
Північно-Кавказький гірничо-металургійний інститут (державний технологічний університет)
Розглянуто деякі властивості наноструктурних матеріалів. Показано можливість створення функціональних пристроїв на основі наноструктурних матеріалів.
Розвиток наноелектроніки сприяє зменшенню розмірів елементної бази, підвищенню рівня технології та створення нових функціональних пристроїв.
Визначальними характеристиками є характерні розміри елементів, фізичні обмеження, технологія і функціональні пристрої. Це дозволяє встановити зв'язок характерних розмірів з фізичними обмеженнями, необхідної технологією і функціональними пристроями.
Зміна розмірів від 130 до 7 нм веде до переходу від класичної фізики до квантової механіці і необхідності використання синергетичних підходів [1].
Прогрес в мікроелектроніці - підвищення функціональної складності та швидкодії - досягався за рахунок зменшення розмірів елементів без зміни фізичних принципів їх функціонування (масштабування). При переході до нанорозмірів виникає ситуація, коли всі в більшій мірі проявляється хвильова природа електронів, тобто проявляються квантово-механічні ефекти (розмірне квантування, тунелювання, інтерференція). З одного боку, квантові ефекти обмежують можливості подальшого використання традиційного масштабування, а з іншого - відкривають можливості створення нових функціональних елементів, дозволяють використовувати принципи обробки інформації, характерні для біологічних об'єктів.
Традиційна кремнієва технологія не забезпечує вимоги по розмірах і розкид, пропонованим до нанооб'єктів. Усе більше застосування отримують наноструктури та наноструктуровані матеріали. Це штучні матеріали, в яких необхідна зонна структура забезпечується вибором речовин, з яких виготовляються окремі шари, толщинами шарів, зміною зв'язку між шарами. Ці підходи до напівпровідникових наноструктур дозволили створити лазери ближнього і дальнього ІЧ-діапазону, фотоприймачі, високочастотні транзистори з високою рухливістю електронів, одноелектронних транзистори, різного роду сенсори. Поряд з напівпровідниковими наноструктурами застосовуються і альтернативні наноматеріали: магнітні наноструктури, молекулярні наноструктури, фотонні кристали, фуллереноподобние матеріали, конструкційні наноматеріали.
В магнітних багатошарових наноструктурах з чергуються феромагнітними і діамагнітними шарами спостерігається ефект гігантського магнітоопору, що дозволяє використовувати їх для створення середовищ зі надщільний записом інформації і нових типів датчиків магнітного поля.
Молекулярні наноструктури є невід'ємною частиною нанотехнології і включають полімери, молекулярні ансамблі і одиничні молекули.
Фотонні матеріали - це впорядковані системи, в яких є зонний спектр для фотонів. Прикладами служать опалові матриці і самоорганізовані нанопористого структури, наприклад, на основі оксиду алюмінію. Такі матеріали сприяють створенню нізкопорогових лазерів, приймачів випромінювання, систем управління світловими потоками, а також служать впорядкованими підкладками в нанотехнології [2].
Фуллереноподобние матеріали на основі вуглецю та інших неорганічних матеріалів володіють такими властивостями, як міцність, кероване зміна розмірів від одиниць до сотень нанометрів, можливість заповнення порожнин молекулами газів, органічних і неорганічних молекул, атомів металів, а також керованими фізичними властивостями, ефективної автоеміссіей.
Сучасні інтегральні схеми містять елементи нанометрового масштабу. Наприклад, товщина подзатворного діелектрика в МОП - транзисторах досягла величин 5 - 10 нм.
В нанотехнології визначилися два головних принципи: "зверху - вниз" та "знизу - вгору ". Принцип "зверху - вниз" - це мініатюризація традиційних мікроелектронних схем до нанорозмірів. Принцип "знизу - вгору" - це створення наноприладів і нанопристроїв, зібраних з молекул або атомів.
Основу приладів молекулярної наноелектроніки складають молекулярні кластери або окремі молекули. Пристрої молекулярної електроніки володіють високою щільністю елементів і розсіювання потужності.
Нанотехнологія дозволити забезпечити швидкодію процесорних систем обробки інформації, збільшення ємності запам'ятовуючих пристроїв, зниження часу зчитування та масогабаритних характеристик пристроїв відображення інформації, розширення діапазону частот передачі інформації, що забезпечить майже миттєву телекомунікаційний зв'язок, прискорену ідентифікацію об'єктів, нові можливості в кодуванні і декодуванні інформації, розширену мультиспектральних візуалізацію.
В магнітоелектроніки істотними стають кооперативні квантові властивості спін-поляризованих електронних схем, складових основу функціональних приладів розвивається спінтонікі. Принцип магніторезистивного зчитування інформації і перехід до нанорозмірних елементів магнітної пам'яті дозволяє реалізувати динамічне енергонезалежне ОЗУ з субнаносекундним часом доступу.
При створенні різних пристроїв використовуються різноманітні додатки магнетизму в електроніці, такі як магнітні дискретні і аналогові запам'ятовувальні пристрої, датчики поля, прискорення і струму, постійні магніти, спін-хвильові і невзаємні оптоелектронні компоненти мереж і систем зв'язку, прилади магнітосіловой і бліжнепольной оптичної мікроскопії.
Для підвищення щільності запису інформації в магнітних дисках застосовуються нові нанотехнології: наноімпрінтная літографія, застосування пористого оксидованого алюмінію або кремнію в якості матриць для З, Ni, самоструктурірованние полімерні шари - висаджування з розчину на металеву плівку стеклообразующих полімерів (полістирол - полівініл - піридин), що утворюють нанорозмірні ламелі і пори, в якості маски. Проблеми підвищення щільності записи в дискретних пристроях запам'ятовування пов'язані з тепловими обмеженнями стійкості записаного стану для мезоскопических малих обсягів, з зростанням шумового і падінням корисного сигналу при зчитуванні інформації [3].
Зменшення розмірів елементів веде до зменшення товщини використовуваних функціональних шарів (ФС). Такий розвиток технології вимагало розробки процесів, заснованих на нових фізичних і хімічних принципах: молекулярно-променевої та атомарно-шарової епітаксії, іонної імплантації, молекулярного нашарування, зондових способів обробки поверхонь та їх діагностики, в тому числі на основі атомно-силової мікроскопії. З'явилися технології, пов'язані з використанням різних видів радіаційного стимулювання: плазми, іонних потоків, СВЧ - випромінювання, фотонів різних енергій в спектральному діапазоні від рентгенівського до ультрафіолетового і навіть інфрачервоного випромінювань. Розробка таких технологій, дозволяючи використовувати ще один ступінь свободи для управління технологічним процесом, веде до зниження температури і, як правило, до збільшення точності відтворення товщини ФС і його фізико-хімічних параметрів. Все більшого вплив на технологію надає синтез ФС і елементів з атомів, молекул або їх ансамблів на принципах самоорганізації.
Такі нанопроцесів роблять можливим конструювання надмініатюрних електронних пристроїв.
Список літератури
1. Елінсон М.І. Дослідження фізичних проблем мікро-та наноелектроніки в ІРЕ РАН// Зарубіжна радіоелектроніка. 1998, № 8.
2. Третьяков Ю.Д. Процеси самоорганізації в хімії матеріалів// Успіхи хімії. 2003. Т.73, № 5.
3. Андрієвський Р.А. Наноматеріали: концепція та сучасні проблеми// Російський хімічний журнал. 2002. Т.46, № 5.
