Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

кости сложного состава по вкусу, то есть выполняет работу электронного дегустатора.

В основе этой системы – массив сенсоров, методы распоз навания образов и многомерной калибровки для обработки данных. Издавна принято различать четыре основных вкуса: кислый, сладкий, соленый и горький. В целом же считается, что вкусовые ощущения связаны с характерными сигналами ”отпечатками”, порождаемыми разными сочетаниями импуль сов от вкусовых рецепторов языка. На этих же принципах стро ится и работа электронного языка. Он состоит из четырех раз ных химических сенсоров, каждый из которых по разному реа гирует (изменением электрического сопротивления) на тот или иной вкус. Комбинация сигналов сенсоров составляет элект ронный “отпечаток” вкуса. Для удобства классификации “от печатков” разработчики сводят реакции всех сенсоров к место положению одной точки на графике. Присутствие сладкой компоненты смещает точку к верхней левой вершине диаграм мы, кислой компоненты к верхней правой вершине, горькой или соленой вниз графика. Вкус кофе при такой классифика ции, к примеру, попадает в нижнюю часть диаграммы, ближе к середине по горизонтали, а такие, казалось бы, похожие для че ловеческого языка вкусы дистиллированной и слабо минерали зованной воды оказываются на графике легко различимыми.

Как и “электронный нос”, данная система основана на хро матографии, когда состав смеси определяется путем разделения присутствующих в ней компонентов. В “электронном языке” это достигается за счет применения специального микрочипа с миллионами мельчайших каналов, предназначенных для отбо ра молекул строго определенного размера. Сигнал от микрочи па обрабатывается компьютером и выдается в удобной для пользователя форме.

Возможности распознавания вкуса с помощью “электрон ного языка” ученые показали на примере минеральной воды, соков, кофе и растительного масла: электронный дегустатор ус пешно различил около 30 видов грузинских и итальянских ми неральных вод, более 30 различных соков, 15 типов кофе, представляющих смеси разных близких по вкусу сортов. Разу меется, “электронный язык” легко отличил настоящую, при

208

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

родную минеральную воду от ее искусственной подделки, хотя по основному химическому составу они были практически идентичны. Удалось решить и более сложную задачу – распоз нать три разных сорта растительного масла. На очереди твердые пищевые продукты – фрукты, мясо, рыба.

Помимо чисто дегустаторских “способностей” электрон ного языка, его также можно использовать и для анализа рабо чих жидкостей на предмет наличия примесей. Кроме того, ста нет возможным быстрый и точный мониторинг окружающей среды, ведь для определения уровня загрязнения воды доста точно «лизнуть» воду в реке или озере.

Проект “Видеоочки”

Новая МЭМС технология позволила компании Microvision сделать систему проекции изображения прямо на сетчатку гла за. Этим создается иллюзия полноразмерного изображения.

Теперь не только пилоты сверхзвуковых самолетов могут использовать шлем с трехмерным изображением. Он перешел на службу к автомеханикам и инженерам. Простой автомеха ник, надев такой шлем, превращается в информационного гуру. На сетчатку глаза передается рисунок, показывающий точные чертежи выбранного автомобильного узла, его комплектация, необходимые расчеты. С помощью беспроводной системы пользователь связан с Интернетом – если чего нет в стандарт ной базе данных, он может поискать там. Также с помощью встроенной системы расчетов автомеханик может рассчитать любой узел автомобиля (или другого механизма).

Рис 122. Видеоочки экспертная система NOMAD от Microvision

Вскоре такими шлемами обзаведутся не только автолюби тели. Фактически передаваемая на сетчатку глаза картинка мо

* Перепечатано с www.mvis.com/nomad

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

жет быть любой. Новинка очень пригодится инженерам, хими кам, биологам и, конечно, любителям компьютерных игр.

Наноэлектроника

Уже в начале нашего века появились серьезные преграды на пути развития электроники. Прежде всего это касается роста степени интеграции и быстродействия ИС. Планарная техно логия приближается к фундаментальным пределам, определяе мым самой природой. Ведущие производители ИС уверенно осваивают технологию 90 нм. Казалось бы, “еще немного, еще чуть чуть”, и будет технология в 50 нм, но… в силу вступают квантовые законы и эффекты. Например, пробел между прово дящими дорожками шириной 50 нм будет насквозь “простре ливаться” в поперечном направлении электронами за счет тун нельного эффекта.

Другие проблемы – отвод тепла, выделяемого элементами ИС, сверхплотно расположенными в микрообъеме кристалла, а также уровень собственных шумов, равный полезному сигналу или превышающий его.

В связи с этим рассматриваются различные пути преодоле ния трудностей, связанных с нанометровыми масштабами. Один из возможных путей дальнейшего прогресса – разработка миниатюрных интегральных устройств, в которых роль элект ронов частично или полностью передана фотонам. Это должно привести к созданию вычислительной техники, превосходящей по быстродействию и информационной емкости современные электронные устройства. Для реализации приборов с кванто вой связью или устройств оптической обработки информации могут быть использованы квантовые плоскости на основе мно жества чередующихся сверхтонких (толщиной в один атом) по лупроводниковых пленок. Замена электронов на фотоны поро дило новое направление в электронике – нанофотонику.

Союз магнитных полупроводников с фотоникой позволит создать запоминающие устройства на ядрах атомов. А благода ря интеграции традиционных составных частей компьютера на одном магнитно полупроводниковом оптическом чипе мы по лучим сверхбыстрые и сверхэффективные нанокомпьютеры и другие устройства обработки, передачи и хранения данных. Свою лепту в повышение быстродействия внесет также отказ от

210

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

необходимости изменять способ представления информации в памяти, процессоре, канале передачи данных.

Использование на чипе магнитооптоэлектронных структур позволит изготавливать очень быстрые переключатели и комму таторы сигналов, способные работать на частотах в несколько терагерц. Следует также отметить, что магнитооптические по лупроводники дадут возможность осуществлять прямое преоб разование квантовой информации из электронного представле ния в оптическое и обратно минуя процесс детектирования.

Еще одна альтернатива – углеродная наноэлектроника, где ведущая роль принадлежит уже знакомым нам углеродным на нотрубкам. Одним из уникальнейших свойств нанотрубок яв ляется возможность управления их физико химическими свой ствами посредством изменения хиральности – скрученности решетки относительно продольной оси.

Всего лишь правильно изогнув нанотрубку в нужном мес те, можно с легкостью получить проволоку нанометрового диа метра как с металлическим, так и с полупроводниковым типом проводимости. При этом соединение двух таких нанотрубок образует диод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины, – канал нанотранзистора.

Компания Chartered Semiconductor Manufacturing предста вила архитектуры микросхем, разработанных по 65 нанометро вому процессу. Завод в Сингапуре планирует начать их массо вое производство начале 2006 года, а Texas Instruments уже про извел образцы 65 нм чипов.

Такие наноэлектронные устройства уже созданы и доказали свою работоспособность. Samsung намерен применить нано и биотехнологии в мобильных телефонах для передачи сигнала нейронам и считывания эмоций. Philips делает энергонезависи мую наноэлектронную память.

Исследователям из японского Национального Института материаловедения удалось перенести старую технологию ме ханоэлектрических выключателей на квантовый уровень. Они создали миниатюрный механический выключатель, подобный тем, которые по сей день используется во многих бытовых приборах.

Принцип работы выключателя прост при подаче напря жения на устройство между двумя нанопроводниками возника

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ет или распадается мостик из серебра, кото рый выполняет роль проводника. Длина мос тика, по которому протекает ток, – всего 1 на нометр. На отрезке длиной 1 нанометр можно расположить 10 атомов водорода. Транзистор, изготовленный на основе этого ключа, будет

Рис 123. Обычный вдесятеро меньше транзистора, используемо выключатель го в современном процессоре Pentium IV. По

этому наноэлектроника на основе новых квантовых переклю чателей может вытеснить современную уже через 10 лет. В отли чие от обычных механоэлектрических переключателей у нано аналога нет движущихся механических частей. “Перемычка из серебра возникает между шинами просто от подачи на них нап ряжения”, – говорит Хасегава, директор Национального инс титута материаловедения Японии.

Мостик, состоящий из атомов серебра, формируется, когда между шинами возникает небольшая положительная разность потенциалов. А когда это напряжение меняет знак, мостик раз рушается. Устройство работает при комнатной температуре.

Рис 124. Матрица квантовых наноключей*

Прототип, изготовленный учеными, переключается с час тотой около 1 мегагерц (или миллион раз в секунду) при разни це потенциалов между шинами 0,6 В. Частота переключений устройства связана с толщиной шин. Как говорит Хасегава, ес

* Перепечатано из "Quantized Conductance Atomic Switch," Nature, January 6, 2005 (National Institute for Material Science)

212