Что такое наноэлектроника и как она работает

Область электроники, занимающаяся разработкой технологических и физических основ построения интегральных электронных схем с размерами элементов менее 100 нанометров, называется наноэлектроникой. Сам термин «наноэлектроника» отражает переход от микроэлектроники современных полупроводников, где размеры элементов измеряются единицами микрометров, к более мелким элементам - с размерами в десятки нанометров.

С переходом к наноразмерам, в схемах начинают доминировать квантовые эффекты, открывающие множество новых свойств, и, соответственно, знаменующие собой перспективы их полезного использования. И если для микроэлектроники квантовые эффекты зачастую оставались паразитными, ведь например с уменьшением размера транзистора его работе начинает мешать туннельный эффект, то наноэлектроника напротив — призвана использовать подобные эффекты как основу для наногетероструктурной электроники.

Каждый из нас ежедневно пользуется электроникой, и наверняка многие люди уже замечают некоторые однозначные тенденции. Память в компьютерах увеличивается, процессоры становятся производительнее, размеры устройств уменьшается. С чем это связано?

В первую очередь — с изменением физических размеров элементов микросхем, из которых все электронные устройства по сути и строятся. Хоть физика процессов остается на сегодняшний день приблизительно такой же, размеры устройств становятся все меньше и меньше. Крупный полупроводниковый прибор работает медленнее и потребляет больше энергии, а нанотранзистор - и работает быстрее, и энергии потребляет меньше.

Известно, что все вещественные тела состоят из атомов. И почему бы электронике не достичь атомного масштаба? Эта новая область электроники позволит решать такие задачи, которые на обычной кремниевой базе просто принципиально невозможно решить.

Большой интерес вызывает сейчас графен и подобные ему монослойные материалы (смотрите статью - Неожиданные свойства привычного углерода). Такие материалы в один атом толщиной обладают замечательными свойствами, которые можно комбинировать для создания различных электронных схем.

Например технологии связанные с зондовой микроскопией позволяют строить на поверхности проводника в сверхвысоком вакууме разнообразные структуры из отдельных атомов, просто переставляя их. Чем не основа для создания одноатомных электронных устройств?

Манипуляции веществом на молекулярном уровне уже затронули многие отрасли промышленности, не обошли они и электронику. Микропроцессоры и интегральные микросхемы строятся именно так. Ведущие страны вкладываются в дальнейшее развитие данного технологического пути — чтобы переход на наноуровень происходил быстрее, шире, и совершенствовался бы далее.

Кое-какие успехи, кстати уже достигнуты. Intel в 2007 году заявила, что процессор на базе структурного элемента размером в 45 нм разработан (представили VIA Nano) и следующим шагом будет достичь 5 нм. IBM собираются добиться 9 нм благодаря графену.

Углеродные нанотрубки (графен) — один из наиболее перспективных наноматериалов для электроники. Они позволяют не только уменьшить размеры транзисторов, но и придать электронике поистине революционные свойства, как механические, так и оптические. Нанотрубки не задерживают свет, подвижны, сохраняют электронные свойства схем.

Особенно творческие оптимисты уже предвкушают создание портативных компьютеров, которые можно будет словно газету достать из кармана, или носить в виде браслета на руке, и по желанию как газету развернуть, и весь компьютер будет словно раскладной сенсорный экран высокого разрешения толщины бумаги.

Еще одна перспектива для приложения нанотехнологий и применения наноматериалов — разработка и создание жестких дисков нового поколения. Альберт Ферт и Питер Грюнберг в 2007 году получили нобелевскую премию за открытие квантовомеханического эффекта сверхвысокого магнитного сопротивления (GMR-эффекта), когда тонкие пленки металла из чередующихся проводящих и ферромагнитных слоев значительно изменяют свое магнитное сопротивление при изменении взаимного направления намагниченности.

Управляя при помощи внешнего магнитного поля намагниченностью структуры, можно создавать настолько точные датчики магнитного поля, и осуществлять такую точную запись на носитель информации, что ее плотность хранения достигнет атомарного уровня.

Не обошла наноэлектроника и плазмотронику. Коллективные колебания свободных электронов внутри металла имеют характерную длину волны плазмонного резонанса порядка 400 нм (для частицы серебра размером 50 нм). Развитие наноплазмоники, можно считать, началось в 2000 году, когда ускорился прогресс в совершенствовании технологии создания наночастиц.

Оказалось, что передавать электромагнитную волну можно вдоль цепочки металлических наночастиц, возбуждая плазмонные осцилляции. Такая технология позволит внедрить в компьютерную технику логические цепочки, способные работать намного быстрее, и пропускать больше информации, чем традиционные оптические системы, причем размеры систем будут значительно меньше принятых оптических.

Лидерами в области наноэлектроники, и электроники вообще, сегодня являются Тайвань, Южная Корея, Сингапур, Китай, Германия, Англия и Франция.

Самую современную электронику производят сегодня в США, а самый массовый производитель высокотехнологичной электроники — Тайвань, благодаря инвестициям японских и американских компаний.

Китай — традиционный лидер в сфере бюджетной электроники, но и здесь ситуация постепенно меняется: дешевая рабочая сила привлекает инвесторов от высокотехнологичных компаний, которые планируют наладить в Китае свои нанопроизводства.

Хороший потенциал есть и у России. База в области СВЧ, излучательных структур, фотоприемников, солнечных батарей и силовой электроники позволяет в принципе создавать наукограды наноэлектроники и развивать их.

Этот потенциал требует экономических условий и организации для проведения фундаментальных исследований и научных разработок. Все остальное есть: технологическая база, перспективные кадры и научная квалифицированная среда. Необходимы лишь крупные инвестиции, а это зачастую оказывается ахиллесовой пятой...