Применение нанотехнологий (1075549), страница 6

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

Текст из файла (страница 6)

Как известно, стандартный громкоговоритель состоит из трех основных элементов: магнита, диффузора и звуковой катушки. По мере прохождения электрического тока через катушку возникает магнитное поле, взаимодействующее с полем постоянного магнита. В результате этого катушка вместе с диффузором смещается, и колебания передаются молекулам воздуха, формирующим воспринимаемые нашим ухом звуковые волны.

Ученые ожидали похожего принципа работы и в случае с нанотрубками. Однако лазерный виброметр, фиксирующий смещения листа во время его "звучания", не показал ничего подобного. Получается, что природа возникающего звука объясняется свойствами самого наноматериала. Под воздействием переменного тока температура нанотрубок повышается до 80 градусов по Цельсию. Резкие скачки температуры вызывают колебания давления в прилегающих к листу слоях воздуха, что и приводит к появлению звуковых волн.

Примечательно, что китайские ученые наблюдали этот эффект не впервые в истории. Более столетия назад ученые Карл Фердинанд Браун и Уильям Генри Прис независимо друг от друга проводили опыты по извлечению звука из тонкого листа металлической фольги. Однако достичь высокой громкости звучания им не удалось, что не скажешь о довольно "громких" нанотрубках: для увеличения громкости необходимо лишь повысить температуру листа.

По словам авторов новой технологии у нее есть ряд неоспоримых преимуществ перед привычными акустическими системами. Можно менять форму листов из нанотрубок (растягивать или изгибать, например), но они все равно будут звучать. И даже если какое-то количество нанотрубок разрушится в процессе эксплуатации, система все равно будет воспроизводить звук.

Прозрачная и гибкая электроника

Развитие технологий обещает внедрить прозрачные электронные схемы во многие сферы нашей жизни. В электронике первой волны использовались в основном прозрачные электроды и проводники. Технологии, позволяющие использовать прозрачные материалы в электронной аппаратуре, уже некоторое время используются на практике. Прозрачные электроды из оксидов индия и олова нашли применение в сенсорных экранах, жидкокристаллических панелях, солнечных батареях и других изделиях.

Создаются прозрачные версии функциональных компонентов типа транзисторов. Некоторые устройства разрабатываются уже сегодня – электронный документ следующего поколения на гибкой подложке или тонкопленочные транзисторы (TFT) для управления панелями OLED. На рис. 1 показаны пути и прогнозы развития второй волны прозрачной электроники. К настоящему времени разработаны прозрачные и гибкие транзисторы и микросхемы, а некоторые фирмы выводят их на коммерческий уровень. Вместе с прозрачными электродами они рождают новое поколение прозрачных и гибких электронных приборов (дисплеев, фото- и видеокамер и т. п., вплоть до электронной бумаги).

Рис. 1. Пути и прогнозы развития прозрачной электроники

В этой волне принимают активное участие многие компании: Canon и Toppan Printing (обе из Японии), корейские Samsung Electronics и LG Electronics, Hewlett-Packard (США).

LG добилась значительных успехов, хотя и в рамках своего направления. Фирма продемонстрировала активную матричную панель OLED на симпозиуме Society for Information Display (SID 2007) в США в мае 2007 г. и на международном симпозиуме European Materials Research Society (E-MRS-2007) во Франции. При этом присутствующие могли посмотреть полноценное видео. Один японский инженер, посетивший E-MRS-2007, так прокомментировал увиденное: «Это действительно уже коммерческий уровень. Я просто поражен и не могу представить себе, как далеко они продвинутся с этим до следующего симпозиума».

За второй волной начинается третья, когда уже будут использоваться прозрачные полупроводники p-типа. Третья волна, концептуальные разработки для которой проводятся во многих лабораториях, приведет к созданию дешевых прозрачных гибких и потребляющих мало энергии устройств с небывалыми параметрами. Основное направление развития здесь нацелено на производство устройств на интегральных микросхемах КМОП. Вероятно, к этому времени уже будут выпускаться не только прозрачные компоненты, но и полностью прозрачные электронные изделия. Например, прозрачные смарт-карты, оконные стекла с прозрачными солнечными батареями, дисплеи, показывающие необходимую для водителя информацию непосредственно на ветровом стекле, и так называемые дисплеи с креплением на голове (head-mount displays), в которых экраном служат контактные линзы или стекла очков.

Японские университеты развивают теорию и базовые технологии, лежащие в основе второй и третьей волны, но их внедрение в производство начинается во всем мире уже сегодня. Корея, например, запустила в 2006 г. национальный проект «Интеллектуальное окно с прозрачными электронными приборами» (Smart Window with Transparent Electronic Devices), цель которого – разработать оконные стекла с активными функциями, и уже привлекла изготовителей для научно-исследовательских и конструкторских работ.

Одна из основных причин возникновения такого интереса и активности в области прозрачной электроники – недавние серьезные достижения в увеличении подвижности носителей заряда (электронов и дырок) в прозрачных полупроводниках – определяет характеристики тонкопленочных транзисторов. Так, была значительно увеличена подвижность носителей в низкотемпературном поликремнии (low-temperature poly-Si, LTPS) и аморфном кремнии, используемых в жидкокристаллических панелях.

Более того, удалось снизить стоимость компонентов. Прозрачные полупроводники типа GaN и алмаза уже известны, но они имеют высокую стоимость (материалы, производство и т. п.), что делает невозможным их использование в массовых прозрачных электронных приборах, требующих относительно больших экранов.

Рис. 2. История повышения подвижности носителей заряда в новых прозрачных и гибких полупроводниках

Оксиды, привлекающие повышенный интерес, могут быть разделены на две группы. Первая – оксид цинка (ZnO), и вторая – аморфные оксиды с содержанием тяжелых металлов типа аморфного InGaZnO4 (a-IGZO). Обе пропускают видимый свет и почти полностью прозрачны. Подвижность носителей (мера их скорости в данном электрическом поле) в материалах, сделанных на основе ZnO, составляет 250 см²/В∙с, что значительно выше достигаемой в LTPS – 100 см²/В∙с. Подвижности носителей у TFT, изготовленных из a-IGZO, лежат в пределах от 1 до 100 см²/В∙с, что также выше, чем максимум для аморфного кремния – 1 см²/В∙с. За последние несколько лет темп разработок ускорился, что связано с ростом подвижности носителей в ZnO (рис. 2), а изготовители активно создают приложения, основанные на a-IGZO. Устройство, продемонстрированное фирмой LG на симпозиуме E-MRS 2007, как раз и сделано на этих компонентах.

Хотя подвижность носителей в ZnO выше, чем в a-IGZO, тем не менее для изготовления дисплеев с большими экранами и электронной бумаги применяются материалы на базе a-IGZO.

Традиционные TFT-технологии на основе аморфного и поликристаллического кремния, хорошо подходящие для многих текущих приложений (почти все цветные экраны мобильных телефонов используют их), совершенно не пригодны для гибких и прозрачных приборов. Кроме того, такие TFT имеют малую подвижность носителей заряда, что ограничивает рабочие частоты для приборов этого типа. Органические TFT лучше подходят для гибких приложений и могут быть сделаны прозрачными. Однако подвижность носителей в них вообще весьма низкая, порядка 5 см²/В•с, что ограничивает быстродействие и, кроме того, они имеют относительно большие размеры.

Исследователи из нескольких университетов США (Purdue University, Northwestern University, and the University of Southern California) сообщили о созданных с применением нанотехнологий новых TFT, которые имеют существенно большую подвижность носителей, чем другие TFT-материалы, и поэтому могут работать при более высоких частотах. Кроме того, их размеры намного меньше, что позволяет повысить степень интеграции микросхем, совершенно прозрачны и могут применяться в гибких устройствах. TFT используют новые совершенно прозрачные полупроводники с широкой запрещенной зоной и нанопроводники для соединения элементов схем. Транзисторы показывают хорошие рабочие характеристики, включая относительно высокие токи (до 10 мкА в нанопроводниках), высокую скорость переключения, необходимую для цифровых приложений, и низкую потребляемую мощность. В рамках проекта были созданы полностью прозрачные и механически гибкие нанотранзисторы (nanowire transistors, NWTS) на пластмассовых подложках.

Рис. 3. NWTS на пластмассовой подложке, полностью прозрачные и гибкие. Стрелки указывают на транзисторные матричные области

Комбинация превосходной оптической прозрачности (до 81%) и механической гибкости соединений In2O3 и ZnO делают NWTS на их основе незаменимой технологией для изготовления прозрачных и гибких электронных устройств.

Новые разработки демонстрируют, что наноэлектроника может быть полностью прозрачной и гибкой при очень высоком качестве (рис. 3). Устройства с NWTS изготовляются с использованием низкотемпературных методов обработки, которые позволяют интегрировать на пластик другие необходимые компоненты для достижения гибкости и легкости сборки.

В частности, имеются три широких прикладных области для этих транзисторов: прозрачные дисплеи – для создания изображений на ветровых стеклах, очках и контактных линзах; гибкие дисплеи – для развивающихся приложений типа «электронная бумага» и прозрачная/гибкая электроника – для приложений типа электронных штриховых кодов, RFID и кредитных карточек.

Прозрачность – полезное качество, благодаря которому новые материалы могут успешно конкурировать с существующими кремниевыми. Полагают, что если высокая эффективность и качество приборов будут дополнены прозрачностью, то обычные технологии не выдержат конкуренции с ними.

В то же время, по мнению профессора Хидео Хосоно (Hideo Hosono) из Лаборатории материалов и структур Токийского технологического института (Materials & Structures Lab, Tokyo Institute of Technology of Japan), прозрачная электроника «... не имеет достаточно большого поля непосредственных приложений, которые действительно используют прозрачность». Однако опытно-конструкторские работы активно ведутся даже без широкого диапазона целевых приложений, потому что ZnO и a-IGZO имеют и другие достоинства в дополнение к прозрачности (рис. 4). Разработчики также очень заинтересованы в таких свойствах, как большая ширина запрещенной зоны, что даст возможность создавать светодиоды с ультрафиолетовым излучением, белые светодиоды с высокой чистотой цвета и другие устройства; высокая подвижность носителей, которая могла бы привести к замене аморфного кремния, LTPS, и т. д., а также низкотемпературный процесс, который позволяет производить легкие гибкие изделия.

Рис. 4. Свойства полупроводников, существенные для прозрачной и гибкой электроники

LG Electronics, участник национальной корейской программы «Smart Window», стремится, во-первых, к практическим результатам по усовершенствованию составных технологий, во-вторых, планирует впоследствии применять новые технологии в прозрачных изделиях. Хонгю Ким (Honggyu Kim), руководитель разработок в группе дисплеев (Conformable Devices Group, Display Research Lab) объясняет: «В последнее время мы больше заинтересованы в разработке TFT-драйверов для матричных OLED-панелей, чем в прозрачности непосредственно. Однако изделия типа прозрачных мониторов и функциональных оконных стекол заложены в средне- и долгосрочные планы».

Изготовители панелей с нетерпением ожидают прозрачные окисные полупроводники как материалы для TFT, чтобы управлять изделиями, как панелями OLED, ЖК и электронной бумагой. Подвижность носителей, требуемая для TFT, – от 1 до 20 см²/В∙с. Прозрачный полупроводник а-IGZO, так интенсивно исследуемый, практически достиг этих значений, и инженеры не видят больших препятствий для использования его в продукции.

Качества a-IGZO высоки, и разработки прозрачных тонкопленочных транзисторов на их основе активно ведутся различными компания, включая Toppan Printing, LG Electronics и Canon. TFT на основе ZnO пока только исследуются несколькими компаниями, включая японские Sharp and Casio Computer. Общее мнение таково, что сначала появятся коммерческие применения a-IGZO TFT. Г-н Ким из LG так комментирует сложившуюся ситуацию: «Мы не нашли каких-либо проблем с a-IGZO TFT. Они предлагают высокую однородность аморфных кремниевых TFT, простую архитектуру устройств и высокую подвижность носителей низкотемпературных поликремниевых TFT».

Дисплеи, использующие прозрачные TFT, весьма вероятно, появятся как коммерческий продукт сначала в форме электронной бумаги следующего поколения.

Применение прозрачных и гибких TFT означает, что устройство не будет ломаться даже при падении. Фирма Toppan Printing уже некоторое время работала с a-IGZO и добилась определенных успехов. Она создала прототипы гибких электронных документов с активным матричным дисплеем и управляемым a-IGZO TFT еще в 2005 г. В мае 2007 г. Toppan Printing впервые продемонстрировала прототип 4-дюймовой цветной электронной бумаги на симпозиуме E-MRS 2007. Изделие все еще имеет некоторые дефекты, однако у него высокая резкость, гибкость и хорошая передача цвета (рис. 5).

Характеристики

Список файлов книги