Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 4

Имен7но эта система и определяет разделение науки на отдель7ные направления и их неразрывную естественнонаучнуювзаимосвязь. В этом еще одна причина естественнонауч7ной общности учебных дисциплин.Иерархическая система материальных структур пол7но отображает устройство нашей Вселенной в том прибли7жении, на которое способны фундаментальные науки внастоящее время. В данном курсе мы познакомимся с ук7рупненными блоками иерархической системы материаль7ных структур и не будем углубляться в особенности боль7шинства из них. В блоки 1, 2 и 3 (см.

рис. 2.2, 2.3, 2.4)22НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальность-836.(61234567892826248672441234567892826248672441686772624867844681234456"326#6382932$69832$6322952532$629326%32$66&8932532%326&89592'62$%32623445266(6(78959296266+56)5$6'5$%9326'5$3226'5$%32$69525326(6(8934869293965893486629396589348/2625"32$6'5$659'23269698266(6(239826929396698939622(((9896999698298$69%32$24366*958966(6(638296243669'32682996956+5$992659'232$62%32$6358$,269698$6%326&89592'62$6%32623445266(6(282336!95628233692282332Рис. 2.2Иерархическая система неорганических материальных структурвыделены отдельные части всеохватывающей иерархиче"ской системы материальных структур, включающей, со"ответственно, неживое, живое и мыслящее, а также соз"данное человеком.

На рис. 2.2 представлен блок 1, отно"сящийся к неорганическим материальным структурам.Каждая следующая материальная структура в представленной системе включает предыдущие. Однако свойстваболее сложной структуры качественно отличаются отсвойств составляющих ее частей или свойств простойих совокупности. Например, атом обладает химически"Часть 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ23ми свойствами (валентностью) в отличие от его составляю'щих — ядра и электронов, которым валентность не при'суща. Макротела обладают теплопроводностью, электро'проводностью, твердостью в отличие от отдельных атомов,из которых состоят макротела и т. д.Каждой материальной структуре соответствуетсвоя частная фундаментальная наука (физика, химия,геология и т. д.) или несколько таких наук (рис. 2.2).Значительная часть практической деятельности человека связана с макротелами, но используются такжеполя, потоки частиц, ядра атомов, атомы, молекулы итела, имеющие размеры порядка 1–100 нм. На этом ос'нованы новейшие технологии: элионная, плазменная, ла'зерная, нанотехнология и т.

д. Например, в ультрасовре'менных технологиях интегральных микросхем исполь'зуются потоки быстрых ионов (доноров или акцепторов),полученных на ускорителях элементарных частиц, син'хротронное излучение (релятивистское g'излучение) элек'тронов, движущихся в ускорителе с околосветовыми ско'ростями, и т. д.Таким образом, почти все материальные системы на'ходят технические применения. Исключением пока явля'ется физический вакуум и космические объекты.

Однакоизучение вакуума и космических объектов позволяет глуб'же познавать свойства многих других материальных струк'тур и процессов, опосредованно влияя на развитие прак'тики. Достаточно упомянуть, что первоначально термо'ядерные процессы в макромасштабах были обнаружены вкосмических объектах (звездах) и лишь позднее сталишироко использоваться в земных условиях (в ядернойэнергетике).Изложенное отображено на рис. 2.2 прямоугольником«Прикладные науки и техника», а пунктирными линия'ми указаны связи различных направлений техники с фун'даментальными науками, т. е.

с общей естественнонауч'ной основой.Говоря образно, все направления практической дея'тельности человека связаны с фундаментальными наука'ми, как кисти винограда с лозой. Кисть может зародиться24НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьлишь там, где возникнет почка, что соответствует местузарождения в недрах науки практически значимого ре'зультата. Если кисть символизирует отдельное направле'ние практической деятельности, то ягоды — отдельныеразделы этого направления; в образовании это — отдель'ные специальности и специализации.

Биохимические про'цессы в ягодах, за счет которых они вызревают, — аналогмеханизмов собственного развития техники (рационали'зация, изобретательство, проектирование, разработки ин'женерных наук).Прекращение подпитки новыми фундаментальнымизнаниями неизбежно приведет к остановке в развитииданной отрасли. Так, развитие ламповой электроники,исчерпав к середине ХХ в. основной естественнонаучныйресурс, практически прекратилось (см.

п. 4.2). Лишь от'крытия в области физики полупроводниковых кристал'лов обеспечили электронике новый импульс развития —были созданы интегральные микросхемы, совершенство'вание которых продолжается и сейчас. Так возникло со'1234567512345678968482645892289453242532429345935&245'451323595453535453523455389!5$3%2 5513 3!#2345513"9835 7775 777Рис. 2.3Иерархическая системаорганических материаль!ных структурЧасть 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ25временное техническое направление — микроэлектрони'ка, а затем и наноэлектроника.На рис. 2.3 представлен 2'й блок иерархической сис'темы материальных структур, зародившихся в процессесамоорганизации больших совокупностей органическихмолекул определенного типа.

На рисунке видно, что нау'ки о живом, человеке, обществе и т. д., также связаны собъективной реальностью, т. е. имеют естественнонауч'ную основу. Не являются исключением и сфера культу'ры, все виды искусства, религии и т. д.На рис. 2.4 представлен 3'й блок иерархической сис'темы материальных структур, связанных с деятельностью123456751234356789635589752345894995355444555 777425553234559383 33534!*99538"53 3"59958"523'9"599358"593"59955#$94334!5 77758"5%2"535&$455 777525555 777)935 7775 777Рис. 2.4Иерархическая системаискусственных материальных структур8%25 7778"5%2(26НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьчеловека. В эту иерархическую систему следует включитьвсе, что создал человек за всю историю в культурной, на%учной и технической сферах.

К сожалению, строгая иерар%хическая система структур искусственной природы покаотсутствует. Не исключено, что для всего необозримогомножества качественно весьма разнообразных изделий тех%ники, созданных на протяжении истории человечества,построить единую иерархическую систему невозможно.Нетрудно представить себе лишь частные иерархическиесистемы, объединяющие некие объекты или результатыпрактической деятельности по какому%то одному призна%ку. Поэтому на рис.

2.4 обозначены только отдельные на%правления возможных частных иерархических систем.В этих направлениях можно предложить, например, ие%рархию основ функционирования различных производств.Так, в основу производства энергии могут быть положе%ны: «мускульная» энергия, гидроэнергия, тепловая, ядер%ная, солнечная и т. д.Представленные на рис. 2.2, 2.3 и 2.4 блоки иерархийнеживого (блок 1), живого и мыслящего (блок 2) и создан%ного человеком (блок 3) образуют основу всего, с чем че%ловек сталкивается в науке, культуре и технике.Помимо изложенного, естественнонаучные основыпрактики ярко представлены эволюцией Вселенной, ко%торая демонстрирует единство и целостность Вселенной,а также единство законов природы, которым подчиняют%ся любые процессы в неживой и живой природе.2.4.ЭВОЛЮЦИЯ ВСЕЛЕННОЙИ ОБЩНОСТЬ ЗАКОНОВ ПРИРОДЫВсе материальные структуры, рассмотренные в пре%дыдущем параграфе, возникли в процессе эволюции Все%ленной.

Процессы эволюции подчиняются единым зако%нам природы. В пределах разрешенного этими законамипротекает и практическая деятельность человека. Законы природы — еще один общий естественнонаучныйстержень всей практической деятельности человека. По%этому рассмотрим основные этапы эволюции ВселеннойЧасть 1.

ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИРис. 2.5Условная схема эволюции Вселенной2728НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьи основополагающие законы природы, управляющие этимпроцессом. Коснемся лишь тех этапов эволюции, которыесвязаны с возникновением структур неживой материи(см. рис. 2.2), так как масштабы использования биострук1тур и биопроцессов в технических сферах пока сравнитель1но скромны.На рис. 2.5 приведена условная схема эволюции Все1ленной, фиксирующая внимание лишь на некоторых ееэтапах. По оси ординат отложено время t (от момента за1рождения Вселенной) сначала в секундах, а затем в го1дах вплоть до настоящего времени (~14 млрд лет).

Мас1штаб искажен таким образом, чтобы было удобно описы1вать происходящее на различных этапах эволюции. Пооси абсцисс от точки «0» откладывается вправо и влеворадиус Вселенной R (в метрах). Взаимное соответствиевременны´х и геометрических характеристик выдержи1вается только для момента возникновения (R = 0) и длянастоящего времени (R = 1026 м); сплошные кривые, со1единяющие начальный и конечный размеры Вселенной,произвольны и лишь условно отображают ее постоянноерасширение. Временной уровень АА¢ соответствует совре1менному периоду существования Вселенной, а стрелка напрямой АА¢ указывает направление увеличения констан1ты взаимодействия, характеризующей относительную«силу» фундаментальных взаимодействий.

Например,электромагнитное взаимодействие (константа взаимодей1ствия — 10–2) значительно «сильнее» гравитационного(10–39) и «слабее» ядерного (10). Вдоль левой вертикаль1ной пунктирной прямой отложены значения температу1ры, которую Вселенная имела в соответствующие момен1ты своей эволюции.Используя схему на рис. 2.5, рассмотрим основныеэтапы эволюции Вселенной.

Начиная с 10–35 с, теория эво1люции Вселенной довольно хорошо моделирует развитиеВселенной. Эта теория общепризнана, плодотворно ис1пользуется в дальнейших исследованиях окружающегонас мира и постоянно приумножает наши знания о не1живой природе, которые находят применение в практи1ческой деятельности человека. Она называется теориейЧасть 1. ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ ИНЖЕНЕРНОЙ ПОДГОТОВКИ29Большого взрыва и основывается на модели горячей Все,ленной. Теории более ранней стадии развития Вселеннойеще далеко не завершены.