Материал: Нанотехнологии. Наука будущего (Балабанов), 2009, c.258

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Раздельное или совместное действие этих факторов может приводить к регистрируемой локальной наномодификации или наноструктурированию поверхностей. При использовании сканирующих зондовых микроскопов как источника электронов для экспонирования электронорезистов и последующего проявления в стандартных растворах достигается разрешение до 50 нм. Так, методом, основанным на переносе молекул с зонда на подложку посредством диффузии через мениск воды, разъединяющий зонд и подложку, наносятся линии до 12 нм на расстоянии 5 нм одна от другой. Путем термомеханического стимулирования фазового перехода «полимер-стекло» обеспечивается формирование углублений в пленках поликарбоната размером до 100 нм. Термомеханическая литография является базовой идеей создания терабитных запоминающих устройств, разработанных компанией IBM.

Широкое распространение в зондовой литографии получил метод локального зондового окисления, который позволяет создавать оксидные области с типичными линейными размерами 3 нм.

Локальный управляемый межэлектродный поатомный массоперенос с применением силового туннельного микроскопа — в настоящее время единственный метод получения предельной миниатюризации при формировании наноразмерных объектов.

Различные методы зондовой нанотехнологии являются соединительным звеном между достаточно развитыми инкрементными и находящимися на начальном пути развития эволюционными нанотехнологиями.

Достаточно широкое применение нашли нанотехнологии, основанные на гетероструктурах, в производстве полупроводниковых источников света — светодиодов.

6 нашей стране первые открытия в этой области были сделаны Олегом Владимировичем Лосевым, работавшим в Ленинградском физико-техническом институте и Нижегородской радиотехнической лаборатории, еще в ? 923 году. В книге «У истоков полупро-

118

— Прикладная нанотехнология —

водниковой техники: избранные труды», вышедшей в свет только в 1972 году, так описываются полученные им наблюдения: «У кристаллов карборунда (полупрозрачных) можно наблюдать (в месте контакта) зеленоватое свечение при токе через контакт всего 0,4

мА... Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безынертный источник света». О. В. Лосев умер в бло-

кадном Ленинграде, отказавшись от эвакуации в глубь страны, и многиеполученныеимрезультатыбылизабыты.

Может быть, именно поэтому первые светодиоды были изготовлены за рубежом только в 1962 году, а уже в 1968 году появилась первая светодиодная лампочка для индикатора

Monsanto и первый дисплей от Hewlett Packard.

К 1976 году были созданы оранжевые, желтые и желто-зе- леные светодиоды такой мощности, что они были видны и при ярком солнечном свете. До 1985 года светодиоды использовались исключительно в качестве индикаторов. В 1990 году светоотдача полупроводниковых диодов достигла уже 10 лм/Вт, что позволило им стать равноценной заменой обычным лампам накаливания. В настоящее время светоотдача составляет более 60 лм/Вт.

Принципиальная схема современного светодиода показана на рис. 35. В корпусе из прозрачной пластиковой линзы 1, служащей для фокусировки света, на специальный кристаллодержатель (основание) устанавливается полупроводниковый кристалл 3, свойства которого определяют цвет видимого света. К полюсам кристалла при помощи соединенительных проволочек 2 подключаются контакты (катод и анод) от источника питания.

Рассмотрим принцип работы и процесс создания светодиодного прибора. Классическая схема изготовления светоДиода заключается в следующем: на поверхности сапфирового кристалла (подложке) выращиваются кристаллические слои полупроводникового материала, например на основе гетероструктур типа InGaN/AlGaN/GaN (индий-галлий-азот/алю- Миний-галлий-азот/галлий-азот), толщиной от 100 нм до 4,5 мкм (рис. 36). Продолжительность эпитаксиального рос-

119

Анод Катод

Рис. 35. Принципиальная схема светодиода:

? — прозрачная пластиковая линза; 2 — контактные проволочки; 3 — излучающий кристалл (полупроводник);

4 — кристалл оде ржатель (основание)

та светодиодной структуры, способной излучать свет при пропускании через нее электрического тока, составляет около шести часов.

На основе полученной пластины изготовляются кристаллы, которые служат основой для изготовления полупроводниковых приборов. На полученной пластине методами фотолитографической обработки, реактивного ионного травления, вакуумного напыления и ряда других операций создаются светоизлучающие кристаллы. При этом на одной пластине может находиться до 4000 кристаллов, которые лазерной резкой разделяются на отдельные чипы.

Полученные чипы монтируются на специальные электрические платы, где ультразвуковой сваркой осуществляется соединение контактных площадок кристаллов и электропроводящих элементов печатных плат. Кристаллы заливаются компаундом (затвердевающим составом) для надежной фиксации и защиты от внешнего воздействия.

Для изготовления готового светового прибора разработано два конструкторских решения:

120

Рис. 36. Схемасветодиода(чипа) наоснове гетероструктур типа InGoN/AlGaN/GaN (индий-галлий-азот/алюминий-галлий-азот/ /галлий-азот)

» группу кристаллов монтируют на печатную плату, коммутируют и заливают компаундом; в результате получается готовый светодиодный модуль;

• несколько дискретных (отдельных) светодиодов устанавливаютна общую печатнуюплату.

Полученный блок светодиодов (матрица) в дальнейшем используется для создания различной осветительной техники и приборов, в том числе для подводного использования.

Эти и другие разработки наноразмерной электротехники, в том числе отечественных ученых, в настоящее время являются наиболее весомыми достижениями в области практической нанотехнологии.

Эволюционная нанотехнология

Эволюционная нанотехнология связана с наномеханизМами, работы над которыми находятся на начальном этапе.

Как уже было отмечено, по идее К. Э. Дрекслера, из фуллеренов, нанотрубок, наноконусов и других аналогичных структур могут быть собраны молекулы в форме разнообраз-

121

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

ных нанодеталей — зубчатых колес, штоков, деталей подшипников и других узлов, роторов молекулярных турбин, подвижных узлов манипуляторов и т.д. Сборка готовых деталей в работоспособную механическую конструкцию может осуществляться с использованием СЗМ или ассемблеров (самосборщиков) с прикрепленными к деталям биологическими макромолекулами, способными избирательно соединяться другсдругом.

Изделия, созданные на основе оптимальной сборки атомов и молекул, будут иметь предельно высокие характеристики.

На рис. 37—39 приведены примеры простейших и довольно сложных механических конструкций, рассчитанных методами молекулярной динамики и собранных из нанокомпонентов.

Наибольшего прогресса в этом направлении достигли японские ученые из университета префектуры Айти вместе с коллегами из токийского университета Сэйкэй, создавшие микроскопический «подшипник», в котором потери на трение настолько незначительны, что даже самые точные современные приборы не способны их зарегистрировать. Силу трения, которую измеряли при помощи силового зондового микроскопа, зафиксировать не удалось, так как она оказалась меньше триллионной доли Ньютона, что пока измерить невозможно.

Материалом для «вечного» мини-подшипника послужили синтетические молекулы — фуллерены. В данном случае они состояли из 60 атомов углерода, расположенных в виде правильных пяти- и шестиугольников, которые вместе составляли шар. Эти вращающиеся «шарики» после сложного технологического процесса поставили в ряд между двумя удлиненными пластинками из графита.

В данном случае был реализован принцип безызносного подшипника, простейшая схема работы которого представлена на рис. 40. Это достижение нанотехнологии, по мнению ученых, планируется использовать в производстве ми-

— Прикладная нанотехнология —

Рис. 37. Простейшиешестеренныепередачи (разработка NASA)

Рис. 38. Сборочныеединицынаноподшипника

Рис. 39. Сборкаконструкцийнаноманипуляторами

- НАНОТЕХНОЛОГИИ -

Рис. 40. Схемаантиизносногомеханизмафуллеренов

ниатюрных роботов и микромеханизмов, детали которых практически не будут изнашиваться.

В 2006 году была создана молекулярная механическая «конструкция» — катящийся по золотой поверхности цельномолекулярный четырехколесный «автомобиль», работающий на поглощении энергии света. Однако у фуллереновых «колес» оказались слишком большие потери на сцепление с поверхностью, и их пришлось заменить карборановыми (борорганическими) .

Наибольшее внимание это направление исследований получило в электротехнике, ниже оно будет рассмотрено подробнее, поскольку в будущем послужит переходным звеном к радикальным нанотехнологиям.

Радикальная нанотехнология

Радикальная нанотехнология — нанороботы (предполагаемые конструкции и результаты их использования в настоящее время существуют лишь в фантастических рассказах и кинофильмах). Они способны к перемещению в окружающей среде и снабжены бортовой системой управления. Нанороботы могут быть использованы для решения широкого круга задач, включая диагностику и лечение болезней, в том числе борьбу со старением, для перестройки организма человека «по заказу», изготовления сверхпрочных конструк-

—Прикладная нанотехнология —

цвплоть до лифтов «Земля-орбита» и даже «Земля-Луна», терраформирования (изменения) Луны, других планет, их естественных спутников и т.д.

Один из самых известных последователей идей Дрекслера и значительный мыслитель в области молекулярной нанотехнологии — австралийский ученый и писатель Джон Сторрс Холл (John Starrs Halt). Он основал сайт новостей sd.nanotech Usenet, которым руководил на протяжении десяти лет. Холл в течение двух лет рабо-

тал в качестве главного специалиста Nanorex Inc. Он написал несколько научных работ по нанотехнологии и разработал такие идеи, как конструкторский туман (Utility fogj, космический пирс — концепция космического гибрида пирса-башни (Space Pier) и косми-

ческий автомобиль (flying car).

В 2006 году Институтом предвидения нанотехнологии

(Foresight Nanotech Institute) Д. Холл награжден премией Р.

Фейнмана, не только за научные работы, но и популяризацию идей области молекулярной нанотехнологии.

Время от времени доктор Холл на различных конференциях по нанотехнологиям представляет концепцию космического пирса как один из фантастических проектов, реализация которого будет технически и экономически возможна методами молекулярной нанотехнологии.

Идея космодрома, использующего силы земного притяжения и центробежного ускорения в виде системы супервысоких башен, связанных между собой специальной дорогой, достаточно стара. Еще в 1686 году в одном из писем Исаак Ньютон рассуждал об использовании в качестве средства передвижения конструкции (повозки), основанной на этих принципах.

В 1895 году основоположник отечественной космонавтики Константин Эдуардович Циолковский в своей работе «Грезы о Земле и небе» также выдвинул аналогичные идеи транспортных космических систем: космического лифта и Центробежного ускорителя.

Основная идея такого космодрома — необходимость покроить конструкцию из синхронных башен высотой от 100 км (62 мили) до 300 км (186 миль). Вся система должна

- НАНОТЕХНОЛОГИИ

Рис. 41. Схема космического старта с пирса-башни

быть соединена специальным токопроводящим рельсом или каким-то иным способом, позволяющим использовать для разгона индукционные (электромагнитные) поля (рис. 41).

Космический корабль (космический автомобиль) поднимается вертикально вверх на первую башню высотой 100 км над уровнем земли и устанавливается на этот рельс (путь). Затем за счет электромагнитных сил и центробежного ускорения Земли он разгоняется до необходимых скоростей, достаточных для выхода в открытый космос, полетов на Луну, Марс или Венеру.

В общем, упрощенно можно сравнить данную идею с катанием с горки на санях. Чем выше горка, тем быстрее едешь, при этом для движения вниз не затрачивается никаких дополнительных усилий (энергии), кроме как силы притяжения. В случае с космическим автомобилем имеется еще один дополнительный разгонный фактор — центробежные силы от вращения Земли вокруг своей оси.

Такая фантастическая идея имеет множество климатических, социальных, технических и технологических проблем, делающих ее невыполнимой в ближайшее время. Ведь для строительства подобной конструкции потребуется расширение производственных мощностей по производству различных наноструктур высокого качества, прежде всего трубок (наномолекулярное производство). Проект потребует до

Прикладная нанотехнология —

100 тыс. тонн практически идеального нанотрубчатого графита большой длины для строительства башен и прокладки кабельных сетей протяженностью порядка 80 тыс. км.

Идея космического лифта в настоящее время кажется более осуществимой.

Космический лифт — фантастическая научно-техниче- ская концепция специального устройства по выведению грузов и спутников на планетарную орбиту или за ее пределы с помощью высокопрочного троса, протянутого от земной поверхности к геостационарной орбитальной станции. По тросу должен двигаться подъемник, перевозящий необходимый груз. За пределами геостационарной орбиты за счет центробежной силы лифт будет ускоряться без дополнительных затрат энергии, что позволит даже отправлять его вовне планетарной орбиты. Для сбалансирования собственного веса троса со станции в противоположную сторону должен спускаться другой трос.

В1960 году идея космического лифта была обоснована и достаточно подробно разработана ленинградским инженером Юрием Николаевичем Арцутановым.

В1978 году один из известнейших научных фантастов Артур Кларк (Arthur Charles Clark) написал получивший широчайшую известность роман о космическом лифте «Фонтаны рая».

Кларку принадлежит и идея так называемого «полулифта» — троса, протянутого от аппарата на геостационарной орбите (такие спутники неподвижно расположены над заданной точкой земной поверхности на высоте 36 тыс. км) не до самой поверхности Земли, а только на половину расстояния.

Однако и конструкция космического лифта (полулифта) в той или иной степени требует применения новых высокопрочных материалов. От троса требуется сочетание высочайшей прочности на разрыв (около 20 000 МПа, тогда как у лучших легированных сталей она не превышает 1700 МПа) и Малого удельного веса (плотности), ориентировочно втрое легче алюминия.