Применение нанотехнологий (1075549), страница 4

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 4)

Профессором Робертом Блайком из Висконсина, США, и его коллегой Домиником Шебли из Мюнхенского университета, Германия, создан принципиально новый электромеханический одноэлектронный транзистор c "механической рукой", которая переносит отдельные электроны от истока к стоку.

Ранее (в 2001 году) Блайк уже представлял рабочий электромеханический осциллятор, который вибрировал в диапазоне радиочастот и мог переносить отдельные электроны от одного электрода к другому при активации "механической руки" устройства (т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на рис. 1.

Рис.1. Наномеханический осциллятор Блайка

В центре устройства - вибрирующий маятник, который был назван Блайком "электронным шаттлом", а журналистами - "механической рукой". Если между точками G1 и G2 приложить переменное напряжение, то маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной частоте переменного напряжения. В рабочем устройстве маятник колебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изолирован от электродов G1, G2, S и D и заземлен. Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносится один электрон, который затем передается с помощью колебаний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов ISD.

Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon-on-insulator). Устройство производилось в несколько этапов. Сначала исследователи с помощью электроннолучевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая повторяла геометрию устройства а также алюминиевую маску травления (для тех участков на матрице, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник (посредством комбинации мокрого и сухого травления). И, в заключении, исследователи вытравили туннельные контакты маятника (с точностью до 10 нм). Общий вид устройства можно увидеть на Рис. 2.

Рис.2. Наноэлектромеханический транзистор (электронная микрофотография)

Первые опыты по запуску транзистора исследователи провели при комнатной температуре. Напряжение, приводимое в движение маятник было ± 3 В. Путем изменения частоты маятника исследователи определили оптимальные значения для переноса электронов маятником. Расстояние между электродами S и D составило 300 нанометров, а емкость перехода S - D составила 84 аттофарады. При напряжении VSD = ±1 В маятник мог перенести ± 527 электронов. Но это довольно много. Изменив напряжение, подаваемое на транзистор, Блайк добился эффекта переноса отдельного электрона. Далее исследователи снизили температуру устройства до 12 К. И тут они обнаружили, что устройство ведет себя по-другому. Протестировав транзистор на ряде значений напряжения VSD (от 0 mV до 10 mV) и изменяя частоту вибрации маятника, они обнаружили, что при частоте вибрации "механической руки" в 120 МГц он ведет себя как и при комнатной температуре. Видимо, это объяснялось влиянием тепловых эффектов, которые сильно проявлялись при комнатной температуре. Дальнейшее снижение температуры до 4 К не дало никаких результатов - транзистор отказал, так как его маятник стал жестче и потерялся туннельный контакт между электродами S и D.

В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100000 электронов для того, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.

Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радиоактивности, говорит Блайк. Поэтому, одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника.

Летом 2004 года Блайк и Шебли разработали технологию, по которой производить такой транзистор стало проще. Транзистор 2001 года нельзя было поставить на поток, а транзистор 2004 - можно. Производство по новой технологии сводится всего к двум шагам: электронной литографии и травлению. Как говорит Блайк "Почему мы не додумались до этого раньше [в 2001] - никак не можем понять." Ученые запатентовали производственный процесс и сам транзистор.

1. Электроника на нанотрубках

Магнитная flash-память на основе углеродных нанотрубок

Известно, что размеры углеродных нанотрубок сопоставимы с размерами молекул. Средний диаметр однослойной углеродной нанотрубки составляет около 1 нанометра. Если же удастся "заставить" одну нанотрубку хранить один бит информации, то память на их основе будет хранить колоссальные объемы информации, ведь современные ячейки flash-памяти, хранящие один бит информации, имеют размеры от 50 до 90 нанометров.

Ученые из Техасского университета уже довольно давно работают над проблемой создания flash-памяти на основе углеродных нанотрубок. Исследователи хотят добиться плотности хранения информации около 40 гигабит на квадратный сантиметр. Но и это еще не предел. Как утверждают исследователи, расположив нанотрубки в различных слоях памяти, можно создать трехмерный чип flash-памяти, который будет хранить до 1000 терабит информации в кубическом сантиметре. Для сравнения, 1 терабайт - это количество информации, которое можно записать на 26 DVD-дисках.

Архитектура flash-памяти на основе нанотрубок довольно проста: каждая ячейка памяти состоит из двух пересекающихся нанотрубок, содержащие внутри примеси железа, или помещенные в ферромагнитное окружение. Ученые собираются хранить информацию в нанотрубках, используя принцип магнитной записи, аналогичный тому, что применяется в компьютерных винчестерах. В роли носителя информации выступит матрица нанотрубок.

Рис. 1. Модель нанотрубки

Как говорит один из исследователей, Лазло Киш: "... В матрице нанотрубок каждое место их пересечения может хранить один бит информации".

Количество тока, протекающего через немагнитный слой, окруженный двумя намагниченными слоями, зависит от их магнитной ориентации в пространстве. Каждый электрон имеет свою магнитную ориентацию, поэтому слои, ориентированные согласно с электронами, не будут препятствовать протеканию тока, в то время как слои, ориентированные противоположно, будут препятствовать протеканию тока.

В нанопамяти роль слоев будут играть пересекающиеся нанотрубки, магнитную ориентацию которых можно будет менять с помощью электрических импульсов различной полярности. А считывать логическое состояние "1" или "0" будут более слабые электрические сигналы определенной полярности. Таким образом, если магнитная ориентация нанотрубок установлена противоположно посылаемому импульсу считывания, то по низкой величине тока импульса будет определяться значение "0". И наоборот - если магнитная ориентация нанотрубок совпадает с направлением электронов в импульсе, то амплитуда тока импульса будет соответствовать логической "1". Полученная память будет энергонезависимой, т.е. при снятии напряжения с устройства данные на чипе будут храниться.

Рис. 2. Матрица ячеек памяти из нанотрубок

Как мы говорили ранее, нанотрубки характеризуются довольно малыми размерами и хорошей проводимостью электричества. "Благодаря этим двум факторам можно сделать предположение, что готовый чип будет хранить достаточно много информации и потреблять при работе мало энергии. Также скорость чтения/записи будет высокой - до 1000 гигабит в секунду", - говорит Киш.

Однако память на основе нанотрубок - только проект. В этом году ученые планируют изготовить прототип одной ячейки хранения данных для того, чтобы узнать, при каком напряжении и в каких условиях будет работать новое наноустройство. Далее, собрав несколько элементов в трехмерный слой, исследователи хотят создать первый трехмерный чип памяти Как заявляет руководитель работ, профессор Аджаян, прототип рабочего трехмерного чипа будет готов уже через пять лет.

Однако известно, что потребовалось около 15 лет для того, чтобы создать интегральные компьютерные чипы, разработанные Нобелевским лауреатом Джеком Килби. Работа над элементами на основе нанотрубок находится в таком же зачаточном состоянии, как и изготовление первого транзистора, поэтому внедрения этой технологии в наноэлектронику придется подождать.

Память на основе нанотрубок быстрее флэш-памяти

Современные винчестеры пока выдерживают конкуренцию с устройствами хранения информации на основе микросхем флэш-памяти, предоставляя покупателю больший объем дискового пространства за меньшие деньги. Но сомнений в том, что через несколько лет флэш-память станет наиболее востребованным типом информационных накопителей, нет – постепенная миниатюризация микросхем позволяет не только повышать информационную емкость накопителей, но и делает их все более дешевыми

Но и век флэш-памяти вряд ли будет долгим – на горизонте уже появляются устройства нового поколения, которые обещают еще большую информационную емкость вкупе с высочайшими скоростями доступа к данным. Среди таких разработок фигурирует память на основе углеродных нанотрубок, а приглядеться к ней внимательнее заставляют сообщения о резком повышении скоростных характеристик устройств, которые теперь могут соперничать и с флэш-памятью.

Впрочем, к успеху ученые шли долго – главным достоинством ячеек памяти на основе углеродных нанотрубок долгое время оставалось лишь рекордная компактность. Теперь же пришло время радикального улучшения скоростных характеристик устройств – сотрудники Технологического Университета Хельсинки и их коллеги из Университета Jyväskylä, разработали память, скорость которой увеличена сразу в сто тысяч раз. Такой «апгрейд» позволил устройствам на основе углеродных нанотрубок опередить в плане скорости флэш-память. Причем даже не в разы, а на два порядка (в сто раз).

Главное достижение финских ученых – использование в качестве изолирующего материала оксида гафния, который используется для изоляции затвора. Именно благодаря такому нововведения удалось снизить время процедуры чтения/записи информации до сотни наносекунд, тогда как предыдущим достижением для «углеродной памяти» являлось значение в несколько миллисекунда, а аналогичный параметр для флэш-памяти составляет микросекунды. Более того, указанные значения могут оказаться не окончательными, ведь пока не ясно – достигнут ли предел скорости записи/чтения информации ячейкой памяти, либо просто измерительное оборудование не способно фиксировать более скоростные процессы. Вполне может оказаться, что производительность памяти куда выше указанных цифр в сотни наносекунд.

Конструкция ячейки памяти в данном случае выглядит следующим образом: углеродная трубка «лежит» в горизонтальном положении и двумя своими концами контактирует с электродами. Непосредственно под ней, отделенный тонким слоем изолятора, располагается затвор, который и управляет процессом чтения/записи информации. Такая структура уже длительное время применяется для создания памяти на основе углеродных нанотрубок, и лишь скоростные параметры устройств оказывались не на высоте. Оксид гафния исправил и этот недочет.

Следующим этапом работ исследователей становится объединение множества ячеек памяти в единую интегральную микросхему – до этого момента проводились исследования единичных ячеек памяти. Впрочем, существует и еще одна проблема – при отключении питания память сохраняет свое состояние в течение лишь нескольких дней. Другими словами, направлений исследований и разработок пока предостаточно, и вряд ли углеродные нанотрубки в ближайшее время смогут прописаться в персональных компьютерах.

1. Одноэлектроника

Говоря очень упрощенно, квантовая точка – некоторая (искусственно созданная) область вещества, в которой можно «хранить» небольшие количества электронов.

Механизм действия большинства полупроводниковых устройств (например, транзисторов) основан именно на регулировании потока электронов. Упомянутые выше транзисторы имеют в настоящее время размеры в несколько мкм и управляют движением «потока», содержащего от сотен тысяч до 1 миллиона электронов. В отличие от них, квантовые точки управляют движением лишь очень небольшого числа электронов (вплоть до управления одиночными электронами), так что их можно назвать моноэлектронными (или даже одноэлектронными) транзисторами. Эта особенность квантовых точек открывает перед физиками и инженерами огромные возможности для миниатюризации полупроводниковых устройств и снижения их энергопотребления. Более того использование квантовых точек позволяет создавать приборы и устройства совершенно новых типов.

Очень важно, что квантовые точки могут образовываться в результате процессов самосборки. Если на кристаллическую поверхность кремния или арсенида галлия нанести небольшое число атомов другого вещества (например, атомного германия), то через некоторое время можно наблюдать, как эти «чужеродные» атомы сами собираются в некоторые структуры (так называемые «островки» или островные кристаллические структуры) размером в несколько десятков нм. Структуры такого типа и являются квантовыми точками, т.е. локальными образованиями, представляющими собой трехмерные «ловушки» для электронов.

Характеристики

Список файлов книги