Микро- и нанотехнологии

В современном представлении электроника – наука о взаимодействии электронов с электромагнитными полями, о методах создания электронных приборов и устройств, используемых для передачи, обработки и хранения информации. Электроника возникла в начале XX века. Первым прикладным достижением этой науки было создание электровакуумных приборов, в том числе электронных ламп (диодов, триодов и т.д.). В 50-х годах прошлого века родилась твердотельная электроника – появились полупроводниковые диоды и транзисторы. В 60-х годах XX века появилось современное перспективное направление электроники – микроэлектроника, связанная с созданием приборов и устройств в миниатюрном исполнении с использованием групповой (интегральной) технологии.

Основу элементной базы микроэлектроники составляют интегральные схемы, выполняющие функции блоков и узлов электронной аппаратуры. Основным материалом современной электроники является кремний. Отдельные компоненты интегральных схем строятся с использованием кремния, разные участки которого могут быть легированы различными примесями, в архитектуре схем используются диэлектрики и проводники. В первых интегральных схемах для создания контактов и разводок использовался алюминий.

Развитие электроники шло по пути уменьшения размеров устройств и повышения степени интеграции, размещения все большего числа элементов на меньшей площади кристалла – подложке интегральной схемы. Более 50 лет после создания первых интегральных микросхем выполнялся закон Мура: число транзисторов на кристалле удваивалось приблизительно каждые два года. При этом постоянно возникали проблемы замены материалов и выбора методов создания соответствующих элементов. Так, на определенном этапе при уменьшении размеров потребовалась замена алюминия на материал с более высокой проводимостью. Когда размеры интегральных схем стали приближаться к нанодиапазону, возникли проблемы с диэлектриками. При этом классические методы производства имеют свой естественный технологический и экономический барьер. При незначительном уменьшении размеров устройств экономические затраты возрастают экспоненциально. Следующим логическим шагом развития электроники и других наукоемких производств являются нанотехнологии.

Впервые термин “нанотехнология” употребил Н. Танигути еще в 1974г. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров (1 нм=10^–9м). В современном понимании нанотехнология − междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путем контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами.

Наночастицами называют частицами размерами от 1 до 100 нм, нанообъектами − объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм хотя бы в одном измерении. Нанообъекты делят на 3 основных класса: трехмерные частицы, двумерные объекты – пленки и одномерные объекты – вискеры (усики). Трехмерные нанообъекты обычно получают взрывом проводников, плазменным синтезом, восстановлением тонких пленок. Пленки получают методом молекулярного или ионного наслаивания. Одномерные нанообъекты получают, например, введением веществ в цилиндрические микропоры.

Поверхность нанообъектов чрезвычайно велика по сравнению с их объемом, поэтому в нанодиапазоне начинают проявляться размерные эффекты, вещество приобретает новые свойства. Наночастицы некоторых материалов имеют очень хорошие каталитические и адсорбционные свойства. Другие материалы показывают удивительные оптические свойства.

Новый раздел химии – супрамолекулярная химия – пытается найти способ заставить наночастицы группироваться определенным образом, самоорганизоваться в нужные структуры.

В рамках данного пособия невозможно изложить имеющийся теоретический и экспериментальный материал, связанный с нанообъектами и современными нанотехнологиями. Наиболее интересные и важные вопросы могут быть рассмотрены на семинарских занятиях.