Новейшие нанотехнологии (обзор)
Аннотация
Данная статья представляет собой обзор новейших нанотехнологий. Опережающее развитие нанотехнологий в мире связано с такими областями ее применения как микроэлектроника, специальные материалы, энергетика и военная техника. Приведенные в статье данные показывают широкое применение новых нанотехнологий в различных отраслях техники.
Ключевые слова: нанотехнологии, нанотрубки, графеновые транзисторы, микроэлектроника
Опережающее развитие нанотехнологий в мире связано с такими областями ее применения как микроэлектроника, специальные материалы, энергетика и военная техника.
Прогресс в микроэлектронике идет очень быстро, и с каждым годом количество транзисторов в микросхемах растет, а техпроцесс их изготовления становится все тоньше. Роль кремния, которую он длительное время играл в качестве основного сырья для получения полупроводников, приближается к своему логическому завершению. Это связано с тем, что толщина слоя кремния не может быть менее 2 нм, и дальнейшая миниатюризация приведет к химической реакции, вызывающей нарушение электрических свойств. Один из новых материалов для замены кремния является сульфид молибдена.
Специалисты из Лаборатории наноструктур и наноэлектроники Политехнического университета Яуизиамы создали прототип микросхемы из молибденита, которая продемонстрировала его существенное превосходство над кремнием. Молибденитовые транзисторы показали отличную стабильность работы при толщине слоя материала всего в три атома. Такая толщина дает трехкратное итоговое уменьшение полупроводника в размерах, в сравнении с кремниевым аналогом. Кроме того, процессоры из молибденита потребляют меньше электричества, и, в силу особенностей его структуры, является пластичным. Такие полупроводники не уступают графеновым, а их усиливающие свойства позволят создавать электронику с очень сложной структурой. Остается ждать.
Норвежская компания Thinfilm Electronics и исследовательский центр Xerox в Пало-Альто (PARC) продемонстрировали рабочий прототип первой в мире печатной энергозависимой памяти, схема адресации которой содержит комплементарные органические цепи. Исследователи смогли объединить технологию ферроэлектрической полимерной памяти Thinfilm, предусматривающую формирование ячеек методом печати, и транзисторную технологию PARC, основанную на применении комплементарных пар транзисторов n-типа и р-типа для формирования цепей и получили «органический эквивалент» КМОП - микросхем. Представленные образцы памяти Thinfilm Addressable Memory не могут обеспечить высокое быстродействие и емкость, их достоинства в другом: они обладают гибкостью и низкой себестоимостью производства. Ученые считают, что разработанная методика приближает эру «Интернета вещей» (Internet-of-Things), где каждый предмет имеет собственный IP-адрес и подключен к Сети через «умные метки» (Start Tag).
Исследователи из Калифорнии, руководимые Хосмосом Галацисом (Hosmas Galatsis) разработали метод изготовления печатных транзисторов из углеродных нанотрубок и использовали эти транзисторы для включения и выключения органических светоизлучающих диодов [organic light emitting diode (OLED)]. В соответствии с результатами исследований печатные транзисторы из углеродных нанотрубок должны стать дешевле своих кремниевых аналогов, представляя при этом более эффективную управляющую систему для дисплеев на основе светоизлучающих диодов.
Для получения этих транзисторов исследователи первоначально напечатали на подложке из оксида кремния электроды стока, истока и затвора из серебра. Затем размести между электродами 98-% суспензию одностенных углеродных нанотрубок. После полного испарения растворителя на нанотрубки был нанесен второй слой серебра, таким образом, был получен обратносмещенный полевой транзистор. При значительной локализации положительного заряда на управляющем электроде (электроде затвора) его электрическое поле заставляет электроны нанотрубок покидать энергетическую зону проводимости, ток между электродами стока и истока прекращается, что выключает связанный с транзистором органический светоизлучающий диод. Однако если на управляющем электроде накапливается отрицательный заряд, электроны возвращаются в зону проводимости и ток, протекающий между электродами стока и истока, включает органический светоизлучающий диод. Нанесение на внешнюю сторону углеродных нанотрубок полиэтилениминового слоя, содержащего LiClO4 позволяет организовать работу полевого транзистора с переходом верхнего затвора. Галацис отмечает, что проникновение полимера внутрь нанотрубок позволяет обеспечить более эффективный контроль тока, протекающего через транзистор и управляемые им элементы схемы.
Эско Кауппинен (Esko Kauppinen) из Университета Аалто (Финляндия) отмечает, что продемонстрированная возможность организации транзистора с переходом верхнего затвора из углеродных нанотрубок лишает новую систему наиболее значительного преимущества - высокой подвижности электронов, необходимой для обеспечения протекания высокой силы тока – подвижность электронов в обратносмещенных полевых транзисторах в 40 раз выше, чем в транзисторах в переходом внешнего затвора.
Команда ученых из Технического университета Мюнхена (Technische Universitaet Muenchen) объявила о создании того, что в недалеком будущем станет основой электронных устройств, способных общаться напрямую с человеческим мозгом. Ученые создали матрицу из транзисторов на основе графена, которые совместимы с живыми тканями, могут производить съем и запись электрический сигналов, вырабатываемых процессами, протекающими в клетках живых организмов. Графеновые пленки легко наносить на гибкие основания и его можно производить достаточно дешево в промышленных масштабах. Исследователи из Мюнхена начали с того, что изготовили матрицу из 16 графеновых полевых транзисторов (grapheme solution-gated field-effect transistor, G-SGAET). Графеновая пленка была осаждена из паровой фазы на поверхность медной фольги, затем, используя обычный метод фотолитографии и травления, были получены все элементы электрической схемы. После этого поверх созданной транзисторной матрицы ученые вырастили слой живых клеток, клеток тканей, подобной ткани сердечной мышцы. Изменения в химической и электрической составляющей окружающей среды в районе затворов полевых транзисторов были преобразованы в изменения электрического тока, протекающего через транзистор.
Исследователи обнаружили, что эти сигналы биологического происхождения весьма легко отделить от шумов и помех. Дальнейшие исследования ученых направлены на уменьшение уровня собственных шумов, создаваемых графеновыми транзисторами. Это позволит еще более точно выделять сигналы биологического происхождения и использовать их в других целях. Так же идет доработка технологии изготовления графеновых транзисторов для того, что бы матрицы из них можно было создавать на подложках из гибких полимерных материалов, используемых для изготовления имплантов. Немецкие ученые работают совместно с учеными из парижского Института зрения (Vision Institute), определяя, совместимы ли графеновые транзисторы с тканями сетчатки глаза и нейронами глазных нервов.
Исследователи из университета Питсбурга разработали новый тип электронного переключателя - молекулу, способную выполнять функции логического устройства. Использование таких молекулярных логических элементов электронных схем может привести к созданию меньших по размеру, более эффективных и быстродействующих электронных схем. Руководитель исследования, Хрвойе Петек (Hrvoje Petek) отмечает, что новый переключатель превосходит по показателям существующие в настоящее время молекулярные логические устройства, а принципы, установленные в процессе его изучения, позволяют определить, какими правилами нужно руководствоваться, чтобы создать навое поколение более эффективно работающих молекулярно электронных устройств. Молекулярный переключатель был обнаружен в ходе экспериментов с вращением треугольного триметаллического кластера, атомы металла в нем связаны с атомом азота, инкапсулированного в клетку фуллерена.
Петек с соавторами обнаружил, что металлосодержащие кластеры, инкапсулированные в полую клетку из атомов углерода, могут вращаться, принимая одно из нескольких возможных положений, в результате стимуляции электронами. Такое вращение меняет способность системы проводить электрический ток, что позволяет переключаться между несколькими логическими состояниями, форма фуллереновой капсулы при этом сохраняется. Петек отмечает, что помимо прочих преимуществ новая концепция отличается от существующих в выгодную сторону еще и тем, что клетка фуллерена защищает металлический кластер от внешнего воздействия, и он не будет разрушен внешней агрессивной средой. Благодаря форме, приближающейся к сферической, прототипы молекулярных переключателей могут быть интегрированы в наноразмерные молекулярные электронные системы для создания параллельно работающих вычислительных структур. Работа устройства была продемонстрировано на примере молекулы Sc3NaC80 , вложенной между двумя субстратами, один из которых представляет собой идеально плоский субстрат из оксида меди, а другой – острый щуп из вольфрама. Приложение напряжения приводить к тому, что равносторонний треугольный кластер Sc3N может вращаться, принимая шесть предсказанных логических приложений.
Графен можно использовать для идентификации следов взрывчатых веществ в воздухе, показало исследование китайских и американских ученых. Детектор на основе графеновой пены «чувствует» миллионные процентные доли газов, которые являются «отпечатками пальцев» взрывчатки. Новое исследование ученых из Политехнического института Ренсселира показало, что графитовая пена может послужить газовым детектором, распознающим потенциально опасные и взрывчатые вещества, причем получать ее можно в промышленных количествах. Открытие указывает путь к новому поколению газовых датчиков, которые смогут использовать снайперы, службы общественной безопасности, войска, а также заводы в производственных целях.
Новый сенсор дает правильные воспроизводимые результаты по измерению аммиака и диоксида азота в количествах около 20 миллионных долей. Детектор представляет собой графеновые нанослои, наложенные друг на друга. Они формируют структуру, подобную пене. Размер гибкого детектора примерно с почтовую марку, толщина как у фетровой ткани, он гибкий и прочный.
«Мы очень довольны полученными результатами и надеемся, что эта работа станет первым шагом к созданию коммерчески доступных газовых сенсоров. По нашим данным они горазда более чувствительны в аммиаку и диоксиду азота, чем коммерчески доступные детекторы сегодня», - заявил профессор Нихил Кораткар, руководивший исследованием вместе с профессором Чен Хуамином из Китайской академии наук.
Chen P, Fu Y, Aminirad R, Wang C, Zhang J, Eang K, Galatsis K, Zhou C, коллектив исследователей из Университета Калифорнии (Лос Анжелес), вместе со своим дочерним стартапом, который предложил использовать ОУНТ для создания канала проводимости в обратносмещенном полевом транзисторе. Полученный транзистор полностью справился с возложенными на него обязанностями по управлению светодиодом, о чем свидетельствуют вольтамперная характеристика, на которой различимы область отсечки, и триодная область при различных напряжениях на затворе. Для реализации более сложной схемы (2Т1С) необходимо обратносмещенные полевой транзистор превратить в транзистор с верхним затвором, например, путем нанесения дополнительного слоя полиэтиленимина/перхлората лития. Авторы впервые нанесли слой изолирующего полимера на канал проводимости, покрыв его лишь частично. Это привело к появлению трех областей с различным типом проводимости, что при определенном напряжении делает возможным межзонное туннелирование (полное покрытие канала проводимости приводит лишь к n–типу проводимости).
Немецкая военная компания Rheinmetall, которая продемонстрировала новую лазерную систему, устанавливаемую на транспортных средствах, которая способна поразить практически любую цель, начиная от летающих беспилотников и заканчивая взрывными устройствами, установленными на дорогах. Мощность нового лазерного орудия относительно невелика – всего 10КВт импульсной мощности. Но за счет применения некоторых инновационных решений, новый лазер, установленный на подвижной турели боевого транспортного средства буквально «стер» с неба небольшой беспилотник и продемонстрировал способность поражать прямо в воздухе летящие минометные снаряды, защищая от них пехоту. Маленький лазер, мощностью в 1 КВт, установленный рядом с мощным лазером, используется для подрыва взрывных устройств и поражения слабо защищенных целей, таких как моторные лодки. В ближайшее время специалисты компании Rheinmetall собираются довести мощность лазера до значения 100 КВт, что позволит с его помощью поражать цели уже совсем другого класса.
Институт робототехники и мехатроники германского аэрокосмического центра при участии ряда компаний, в том числе концерна EADS-Astrium, построил беспилотный самолет на солнечных батареях. Длина беспилотника равна 10 метрам, собственный вес 100 килограмм. Самолет способен поднимать 5 кг полезной нагрузки. Его винты вращает пара электромоторов мощностью 2 КВт каждый.
Аппарат, названный ELHASPA (Electric High Altitude Solar Powered Aircraft), является испытательной площадкой для тестирования технологий, предназначенных для «бесконечно» высокого полета. На этом самолете европейские инженеры проверяют авионику, системы навигации, двигатели и аэродинамику. Полученные сведения могут создать более продвинутый аппарат, который сможет месяцами оставаться на высотах более 15 километров.
Компания General Electric успешно завершила испытания более быстрого и дешевого способа производства ядерного топлива. Новая технология будет коммерциализована и впервые использована на соответствующем ядерном производстве в г.Уилмингтон, штат Северная Каролина. Эта технология является прорывом и позволит существенно снизить стоимость топлива для АЭС. Технология обогащения урана разделением изотопов с помощью лазерного возбуждения (Silex) была разработана Австралийской компанией Silex еще в 1992 году. В 2006 году компания General Electric получила права на ее коммерциализацию и лицензирование и возглавила дальнейшие разработки. Технология работает на принципе лазерной фотоинициации атомов урана-325. Урановое сырье проходит лазерный луч, настроенный на особую частоту, которая создает электрический заряд у атомов урана-235. Это позволяет поймать их электромагнитной ловушкой и сохранить на металлической пластине. Если руководство General Electric запустит завод на базе технологии Silex, впервые в истории атомной энергетики начнется полномасштабное лазерное обогащение гексафторида урана (UFG). Американцы испытали прототип крохотного устройства, которое генерирует электроэнергию напрямую из бензина, минуя реформинг топлива и промежуточные стадии преобразования его химической энергии. Эрик Ваксман (Eric Wachsman) и его коллеги из центра энергетических исследований университета Мэриленда (UMERC) сумели изменить конструкцию так, чтобы она оказалась больше приспособлена к установке на автомобиль. Речь идет о твердооксидных типливных элементах (SOFC). Этот тип электрихимических генераторов способен переваривать широкий спектр углеводородного горючего без необходимости в извлечении водорода. Однако существующие SOFC довольно громоздки и потому применяются в основном в стационарном амплуа, например, как резервные генераторы в зданиях (вспомним впечатляющий « цветочный ящик»). Кроме того, SOFC работает при очень высоких температурах (порядка 800-900оС), а это вызывает сложности с теплоизоляцией, особенно важной в случае работы на борту автомобиля. Ваксман со товарищи путем подбора керамического электролита и оптимизации дизайна ячейки сумели снизить ее рабочую температуру до 650оС. Авторы исследования сократили толщину керамического слоя с сохранением прочности всей конструкции. Более того, по информации Technology Review ученые намерены развить этот проект, снизив нагрев элемента до очень низких температур (для данного класса устройств) – 350оС. Это уже позволить без проблем устанавливать подобный генератор в автомобиле. Такие топливные элементы, потребляющие бензин, могли бы понемногу пополнять запас энергии в аккумуляторах, от которых питается электромотор. Батареи взяли бы на себя начальный разгон автомобиля и вообще все всплески в потреблении энергии, а SOFC работали бы спокойно и равномерно, увеличивая пробег на одной зарядке аккумуляторов.
Разработан новый метод создания материалов с нанопорами. Его отличает простота и возможность промышленного применения. Этот метод получил название «коллективный осмотический удар» (« collective osmotic shock» – COS).Ученые из Кембриджа показали, как с помощью осмотических сил можно получить нанопоры, даже если удаляемый компонент полностью инкапсулирован в толще материала.
Ведущий автор проекта, Исан Сивания (Easan Sivaniah), объясняет суть процесса COS «Эксперимент напоминает школьный опыт с воздушным шариком, наполненным соленой водой. Если его поместить в пресную воду, соль не сможет покинуть шарик, а вот пресная вода вполне способна попасть внутрь, что она и делает, чтобы уменьшить концентрацию соли внутри. Чем больше воды поступает внутрь, тем сильнее раздувается шарик, и в конечном итоге он лопается». «В нашей работе мы, по сути, показали, как это работает для материалов с инородными включениями, которые вызывают серию осмотических «взрывов». Оставленные осмотическими ударами полости соединяются друг с другом и с поверхностью материала, позволяя веществу-примеси выйти наружу и создавая сквозные поры».
Исследователи продемонстрировали высокую эффективность полученного таким методом фильтра при удалении из воды частиц красителей (малахитового зеленого и метилового оранжевого). В качестве основного вещества выступал полистирол, вторичного – оргстекло, а растворителя – уксусная кислота. Полученный в результате процесса COS материал состоял из множества слоев полистирола толщиной около 65 нм, соединенных «лесом» полимерных фрагментов. Поверхность материала была усеяна порами, размеры которых, по оценкам ученых, составили 1-2 нм.
Другое возможное применение разработанной технологии – создание многослойных материалов с необычными оптическими свойствами – было рассмотрено совместно со специалистами по фотонике и оптоэлектроники из университета Севильи и Кавендишской лаборатории. Подобные материалы могут быть использованы при создании датчиков, меняющих цвет при поглощении следовых (чрезвычайно малых) количеств химических веществ. Авторы считают, что полученные по технологии COS материалы также могут найти применение при изготовлении светоизлучающих устройств, топливных элементов, солнечных батарей и электродов для суперконденсаторов.
На будущее такой быстроразвивающейся отрасли, как цементная, можно смотреть с уверенностью: мировое научное сообщество уже сейчас на пути к технологическому прорыву, созданию продукта с качественно новыми характеристиками, так называемого «зеленного» цемента. Общая цель – сокращение выбросов СО2 на 30 процентов при одновременном улучшении качества, повышении прочности и долговечности продукта. «Структура цементного состава и его пористость могут быть изменены, например, при добавлении слоистых непуццолановых силикатов, частицы которых обладают специфической формой и свойствами. Если нанотехнологии пробьют себе дорогу в жизнь, то можно будет выпускать экологически дружелюбные цементы и бетоны, обладающие практически неограниченными и разнообразными характеристиками. Возможно, не за горами эра гибкого и прочного бетона, не требующего использования арматуры при строительстве» - считает генеральный директор международного концерна Holcim (Швейцария) Хория Андреан.
Уникальная технология, созданная специалистами компании HyperSolar, позволит производить природный газ из солнечной энергии и воздуха. Этот процесс основывается на передовых нанотехнологиях, с его помощью можно ликвидировать неблагоприятные последствия добычи природного газа без внесения существенных изменений в сегодняшнюю инфраструктуру его доставки и использования – коренным образом изменяется только сама добыча газа. При которой не задействуются подземные источники, а используются экологичные наземные генерирующие станции и «бесплатное» сырье. Новая технология основана на генерации природного газа из простой воды и углекислого газа с использованием солнечного света. Вдохновением к созданию такого метода исследователям послужил естественный фотосинтез в растениях. Именно процесс фотосинтеза имитирует запатентованная технологи HyperSolar, выделяя с помощью солнечной энергии из воды. После этого свободный водород вступает в реакцию с углекислым газом, образуя в конечном итоге метан – а это уже основной компонент природного газа.
Авторы метода уверены, что этот бесконечный и очень дешевый природный газ сможет стать достойной альтернативой традиционному. Кроме того, из нового процесса убирается добыча, очистка и переработка ископаемого газа, что также увеличивает перспективы этого метода, не говоря уже о проблеме загрязнения окружающей среды углекислым газам, выделяемой традиционной технологией. Ученые HyperSolar также продумали момент, связанный с дефицитом воды в наиболее солнечных регионах земли: новая технология способна использовать в качестве сырья даже сточные воды с большим содержанием органических молекул всех видов. Все токсины будут выводиться путем фотоокисления, одновременно с производством молекулярного водорода и чистой воды.
Немецкие физики использовали обычную свечную сажу для создания лакокрасочного покрытия, которое одинаково эффективно отталкивает воду и маслянистые жидкости. Группа ученых под руководством Дориса Фолльмера (Doris Vollmer) из института изучения полимеров Общества Макса Планка в городе Майнц (Германия) обратила свое внимание на свечную сажу. Физики заметили, что пленка сажи, которую пламя свечи оставляет на поверхности стекла при достаточно долгом соприкосновении, обладает хорошими водо- и маслоотталкивающими свойствами. Они проанализировали ее химическую и пространственную структуру при помощи сканирующего электронного микроскопа и обнаружили, что пленка состоит из наночастиц углерода диаметром 30-40 нанометров. Эти фрагменты расположены в виде запутанного леса из углеродных хвостов, которые на языке науки называются «сетью фракталоподобных частиц».
Несмотря на великолепные водоотталкивающие свойства, пленка из сажи несовершенна – она легко распадается на части из-за отсутствия прочных связей между углеродными комочками. Фолльмер и его коллеги преодолели эту проблему – они скрепили слой сажи при помощи тонкой кремниевой оболочки. Они поместили пленки сажи в эксикатор – сушильную машину – вместе с емкостями с раствором аммиака и тетраэтил-ортосиликата (ТЭОС) – соединения кремния, кислорода и хвостов этилена. Пары ТЭОС осадались на пленку и распались на составляющие под воздействием аммиака, в результате чего на поверхности сажи остались только атомы кремния. Ученые прогревали полученный материал при температуре 600оС в течение двух часов до того момента, как угольно черная сажа стала полностью прозрачной. Затем ученые повтори процесс, заменив емкость с ТЭОС сосудом с соединением кремния, фтора и водорода. Физики проверили свойства нового материала. Кроме того данный материал обладает неплохими механическими свойствами – суперлак сохраняет свои свойства даже при температуре в 400оС. Пластинка толщиной в 3 микрометра поглощает меньше света, чес стекло, что делает этот материал пригодным для покрытия очков и других оптических устройств. После этого ученые попытались исцарапать свое изобретение при помощи песка – поверхность суперлака покрылась крупными царапинами, но не потеряла своих свойств.
Приведенные выше данные показывают широкое применение новых нанотехнологий в различных отраслях техники.