Применение нанотехнологий (1075549), страница 7

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

Текст из файла (страница 7)

Рис. 5. Гибкая цветная электронная бумага на основе технологии E Ink

Размер изображения составляет четверть стандартной видеоматрицы (QVGA, 320×240 пикселов) с разрешением 100 dpi, которое, по крайней мере, вдвое лучше, чем у монохромных прототипов, и примерно в четыре раза – чем у цветных. Дисплей имеет четыре основных цвета – красный, зеленый, синий и белый, а диагональ пиксела составляет всего 125 мкм. Фирма объявила, что планирует разработать коммерческий продукт уже в нынешнем году.

Единственный способ достичь приемлемых параметров цветного дисплея до сих пор состоял в том, чтобы выровнять цветные светофильтры и матрицу TFT с точностью до нескольких микрон в многослойной конструкции и затем соединить их вместе. Трудность этого процесса была главным препятствием.

Подобная юстировка требуется в ЖК-панелях, но там пространство между цветными светофильтрами и матрицей TFT – от 4 до 6 мкм зазора между ними, что позволяет упростить сборку. Ситуация иная, когда речь идет об электронной бумаге, потому что пленка дисплея от E Ink использует микрокапсулы от 40 до 50 мкм в диаметре, что делает высокоточную сборку очень сложной. Другая проблема заключалась в том, что пленки соединялись друг с другом с помощью клея, поэтому невозможно было корректировать несоосность.

Toppan Printing решила эту проблему, используя прозрачность a-IGZO TFT. Еще в 2006 г. компания сформировала цветные светофильтры на поверхности пленки E Ink и затем соединила пленку дисплея с пленкой матрицы TFT. Получилась новая «управляемая с поверхности» электронная бумага вместо прежнего устройства, когда устанавливали матрицу TFT между цветной пленкой и пленкой дисплея. Матрица TFT прозрачна, что позволяет свету свободно проходить на пленку дисплея через цветной светофильтр без влияния на функциональные возможности продукта.

Технологический процесс новой структуры использует распыление для формирования матрицы TFT на поверхности светофильтра. При этом создается интегрированная подсистема, которая затем соединяется с пленкой дисплея. Такой подход устраняет потребность в прецизионной юстировке при сборке и действительно упрощает производство. Стандартная технология напыления хорошо подходит для формирования матрицы TFT на светофильтре.

Очевидно, что a-IGZO с TFT является лучшим выбором для панелей OLED, так же, как и для электронной бумаги. LG Electronics продемонстрировала 3,5-дюймовую активную матричную панель OLED с системой управления a-IGZO TFT на симпозиуме E-MRS 2007 (рис. 6).

Рис. 6. a-IGZO – коммерческий уровень для панелей OLED (диагональ – 3,5", разрешение 176×220 пиксела, каждый пиксел состоит из трех субпикселов RGB)

LG уже разработала и начала выпуск опытной партии активной OLED, используя низкотемпературные поликремниевые TFT. Компания проявляет интерес к a-IGZO TFT, несмотря на проблемы малого выхода низкотемпературных поликремниевых TFT, которые имеют значительный разброс параметров, так что необходимы системы для компенсации. Это делает структуру устройства, технологический процесс и другие аспекты достаточно сложными, а также влияет на стоимость больше, чем общезаводские накладные расходы. В то же время a-IGZO имеет примерно такое же качество, как и TFT из аморфного кремния. При этом не нужны сложные системы компенсации, так что структура устройства может быть столь же проста, как и на TFT из аморфного кремния. Еще одним преимуществом является низкий ток утечки между истоком и стоком. Эта особенность делает a-IGZO TFT очень удобными для управления панелями OLED. Единственной реальной проблемой, которая пока препятствует коммерческому выпуску изделий, по мнению специалистов LG, является то, что объемы производства требуют специальных систем напыления для a-IGZO TFT.

Ученые из Университета штата Орегон (США) разработали недорогую технологию создания прозрачных микросхем на основе неорганических материалов. Такие схемы можно будет наносить на любые поверхности, включая автомобильные стекла, экраны КПК и мобильных телефонов, телевизоров и т. д. Изготовлять их можно будет при помощи традиционного метода фотолитографии.

Рис. 7. Прозрачный и гибкий дисплей уже работает

Прозрачные материалы, способные проводить электричество, известны еще с середины прошлого века. Они применяются, к примеру, в солнечных батареях и ветровых стеклах автомобилей. Прозрачные транзисторы, в свою очередь, открыли путь к появлению принципиально новых информационных систем. Кстати, научно-исследовательская группа Орегонского университета предложила технологию их изготовления на основе ZnO еще в 2003 г. Ими создана первая в мире полностью прозрачная интегральная схема из неорганического соединения. Это пятиступенчатый кольцевой генератор – прибор, применяемый в микроэлектронике для нужд тестирования. Схема основана на ранее разработанных в университете прозрачных транзисторах из триоксида галлида индия – соединения, характеризующегося высокой подвижностью электронов, химической стабильностью, долговечностью и простотой изготовления при низких температурах. По сравнению с органическими аналогами, микросхемы на неорганических материалах имеют боóльшую подвижность носителей заряда, мобильность, химическую стабильность и износостойкость.

Сейчас ученые работают над созданием микросхем на базе полевых транзисторов с р-каналом, что позволило бы добавить в схемы полупроводники на основе окислов металлов и снизить энергопотребление. Разработка финансируется многими крупными организациями.

Группа ученых из Purdue University и NorthWest University также изготовила полностью прозрачные транзисторы, состоящие из отдельных нанопроводов, которые могут быть размещены на стеклянной подложке или на тонкой и гибкой пластиковой пленке.

Группа исследователей во главе с профессором Тобином Дж. Марксом (Tobin J. Marks) также разработала высокопроизводительные прозрачные транзисторы из стекла и пластика.

Они созданы на основе распространенного материала – ZnO (недорого, безопасного и легко обрабатывающегося). Оксид цинка обладает хорошей электропроводностью, его нетрудно раскатать тонким слоем без привлечения высокотемпературных технологий, кроме того, он безвреден для окружающей среды.

Прозрачные транзисторы помогут повысить качество ЖК-дисплеев, делая их экраны четче и ярче. Электронные устройства будущего можно будет встраивать в стекла домов или автомобилей, создавая новые формы подачи визуальной информации. Кстати, защитное стекло тех же ЖК-мониторов сейчас не выполняет никаких электронных функций, следовательно, от него можно будет избавиться, снизив вес ЖК-панелей. Области приложения новинки весьма широки: потребительская электроника, транспортные средства и, конечно же, военные разработки.

Доктор Маркс считает, что в результате можно будет конструировать «текстовые или графические дисплеи, которые будут казаться парящими в воздухе», такие, к примеру, как встроенные в ветровое стекло некоторых автомобилей или проецируемые на стекло в кабине пилотов боевых самолетов и вертолетов. Более того, как сообщается, эти инновационные экраны могут появиться в продаже совсем скоро: молодая компания Polyera должна выпустить первые коммерческие образцы уже через полтора года.

1. ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫЕ, ИНФОРМАЦИОННЫЕ И

ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ; СУПЕРКОМПЬЮТЕРЫ

1. Оптические линии связи из полимеров и фуллеренов

До недавнего времени основными материалами для изготовления изделий микроэлектроники считались кремний, предназначенный для производства чипов, и медь, используемая в токопроводящих дорожках и контактах. Хорошая электропроводность металлов объясняется тем, что благодаря плотному расположению атомов в кристаллической решетке, валентные электроны не участвуют в межатомных взаимодействиях и образуют так называемый «электронный газ». И чтобы заставить электроны двигаться упорядоченным образом, достаточно создать в области металлического проводника разность потенциалов.

На сегодняшний день перспективными материалами для наноэлектроники являются синтетические проводящие полимеры. Это открывает путь к новой электронике 21 века, основанной на органических материалах. Полимеры представляет собой огромные молекулы-цепочки, которые состоят из большого числа многократно повторяющихся однотипных звеньев (мономеров). В природе полимеры встречаются очень широко, это хорошо известные белки, каучуки, различные природные смолы. Человек сейчас научился синтезировать искусственные полимеры и наделил их уникальными свойствами, которые позволяют одним выдерживать очень высокие температуры, другим обладать высокой механической прочностью, сравнимой со сталью, третьим проводить электрический ток. Проводящие полимеры представляют собой молекулы, в которых чередуются двойные углеродные связи. В чистом виде они не проводят ток, так как электроны локализованы и участвуют в образовании межатомных связей. Обеспечить электропроводность возможно благодаря внедрению примесей, легированию. Это позволяет высвободить локализованные электроны, и тем самым обеспечить ток.

Многие из нас являются пользователями интернета. Не редко невысокая скорость передачи данных накладывает массу ограничений для полноценного пользования глобальной сетью. В скором будущем максимально возможную скорость планируют увеличить в сто раз, благодаря использованию специального полимера и фуллеренов. Созданный по специальной технологии фотонный транзистор будет способен управлять световым потоком при помощи других потоков. Это первый шаг на пути к созданию первых, полностью оптических, маршрутизаторов. Сейчас же для управления потоками данных (которые между крупными узлами передаются по оптоволокну), их преобразовывают из оптических импульсов в электронные. Такое двойное преобразование снижает общую пропускную способность Сети.

Еще одним уникальным материалом, обладающим широким спектром свойств является фуллерен. Внешне фуллерен имеет довольно интересную конфигурацию, его каркасная структура напоминает футбольный мяч. Внутри этой углеродной молекулы имеется полость, в которую, благодаря капиллярным свойствам, можно транспортировать различные атомы.

1. Хранение данных

Современному человеку нравится быть мобильным и иметь при себе различные высокотехнологичные устройства, облегчающие жизнь, да и, что там скрывать, делающие ее более насыщенной и интересной. И появились-то они - миниатюрные, удобные, цифровые - всего за последние 10-15 лет благодаря интенсивному развитию информационных технологий. Однако новые технологические решения подразумевают не только уникальные системы обработки, но и все более емкие «хранилища» информации, создаваемые с использованием все новых физических принципов записи (рис.1). Проблема хранения информации встала перед человечеством еще несколько тысячелетий назад - вспомните хотя бы наскальную живопись, древние иконы или письменность.

По аналогии с обычной письменностью первые устройства хранения информации использовали бумажные или картонные носители - так называемые перфокарты и перфоленты (Рис.2,1). Хранение информации в них осуществлялось с помощью перфоратора, пробивавшего дырки в определенных местах, а информация считывалась специальным оптическим устройством и поступала в обработку. Однако увеличение производительности компьютеров в скором времени потребовало увеличения банков данных, а расход бумаги только одной ЭВМ повысился до полутонны в день.

Естественно, так дальше продолжаться не могло, и в декабре 1952 года корпорация IBM показала миру первые устройства хранения информации на магнитной ленте. Магнитные ленты, знакомые многим по аудио- и видеокассетам, хранят данные в виде непрерывно изменяющихся аналоговых сигналов. Это сравнительно дешевый, но медленный носитель информации. Тем не менее, в мощных компьютерах для хранения больших объемов данных часто используют высокоскоростные многодорожечные магнитные ленты, удобные для резервного копирования всей информации с дисков компьютерных систем. С развитием вычислительной техники потребовался унифицированный цифровой формат хранения данных, в качестве которого был выбран двоичный код, а минимальная ячейка информации была названа битом. Этот формат приобрел всемирную популярность, практически полностью вытеснив аналоговую запись. Кодирование символа (буквы алфавита, знаков препинания и т.д.) сегодня осуществляется 8 битами или байтом: один байт хранит в себе один из 256 возможных символов. Большинство современных цифровых носителей информации основывается на схемах магнитной, оптической, электронной и комбинированной (магнито-оптической, магниторезистивной и т.д.) записи информации.

Первым цифровым носителем информации стал магнитный дисковый накопитель ( IBM RAMAC, 1956 г. ) являвшийся компромиссным решением между магнитной лентой и граммофонной пластинкой. Даже чтение магнитных дисков во многом аналогично считыванию сигнала с грампластинки, с той лишь разницей, что в качестве считывающего устройства в магнитном накопителе используется магниторезистивный сенсор, а не игла фонографа. Для увеличения емкости магнитного накопителя он содержит не один, а сразу стопку дисков. Как правило, пластины изготавливают из алюминия, стекла или керамики и наносят на них слои высококачественного ферромагнетика . Для считывания информации головка перемещается на некотором расстоянии от поверхности пластины (около 10 нм), которая вращается с постоянной скоростью (до 15 тыс. оборотов в минуту), преобразуя магнитное поле в электрический ток. Чем меньше это расстояние, тем больше точность считывания, и тем выше может быть плотность записи информации. Магнитное покрытие диска разбито на множество мельчайших областей спонтанной намагниченности (битов), собственные магнитные моменты которых ориентируются в соответствии с направлением прикладываемого магнитного поля и «замораживаются» в таком положении после прекращения действия внешнего поля, сохраняя записанную на диск информацию (Рис.2,2). Сама среда записи уже давно является наноструктурированной - она состоит из магнитных частиц сплава CoPtCrB размером 10-15 нм. К сожалению, разработчикам магнитных дисков пока не удалось достичь воспроизводимой записи на отдельные частицы, и в современных устройствах на один бит информации отводятся весьма значительные площади: ширина магнитной "дорожки" составляет порядка 1 мкм, а длина области, соответствующей одному биту - 50-70 нм. Тем не менее, достигнутая на сегодня плотность записи просто поражает воображение: 1010 бит (десять милиардов бит) содержатся всего на одном квадратном сантиметре поверхности диска! При этом стоимость 1 гигабайта на магнитном носителе составляет менее 0,5 доллара США! Сегодня основная борьба за дальнейшее усовершенствование устройств магнитной записи состоит в преодолении так называемого «суперпарамагнитного предела». Казалось бы, чем меньше магнитные частицы, тем плотнее они могут быть упакованы, и тем выше будет плотность записи. Однако, начиная с какого-то размера, частицы становятся настолько маленькими, что не могут поддерживать длительный эффект намагничивания ввиду возрастания тепловых колебаний магнитного момента (см. «суперпарамагнетизм»). Но не стоит расстраиваться - магнитные системы хранения информации еще не скоро достигнут своего предела, установленного природой и открывающего новую - голографическую - главу в истории устройств данных (Рис.2).

Основным конкурентом устройств магнитной записи на рынке являются оптические диски. В 1982 году фирмы Sony и Philips завершили работу над форматом CD-аудио (Compact Disk), открыв тем самым эру цифровых носителей на компакт-дисках. Трудно сейчас найти человека, у которого не было бы нескольких CD с музыкой или компьютерными играми. При оптическом принципе работы этих дисков чтение и запись информации осуществляется лазером с длиной волны от 780 нм для CD и 650 нм для DVD до 405 нм для новых Blu-ray дисков. В оптической записи данные кодируются в виде последовательности отражающих и не отражающих участков, которые интерпретируется как единица и ноль, соответственно (рис.2,3). Максимальный объем информации для оптических дисков составляет от 680 Мбайт (СD) до 17 Гб (DVD) при массе всего лишь 14-33 грамм. Однако основным недостатком оптической записи все еще остается низкая скорость чтения/записи информации, составляющая менее 100 Мбайт/с для Blu-ray дисков (по сравнению с 1,5 Гб/с в магнитных накопителях). И все же, недавно были анонсированы принципы создания первых голографических HVD (Holographic Versatile Discs) дисков емкостью до 4 Tбайт (тирабайт), практически не уступающих по скорости доступа магнитным HDD.

Сравнительно недавно (в 1988 году) компания Intel разработала еще один способ хранения данных на основе микросхем Flash-памяти, запоминающая ячейка которой представляет собой транзистор с двумя изолированными затворами (Рис.2,5): управляющим и плавающим, способным удерживать электроны, то есть заряд. При программировании микросхемы между коллектором и эмиттером создается канал - поток электронов, некоторые из которых - высокоэнергетические - преодолевают слой изолятора и попадают на плавающий затвор, где могут храниться в течение нескольких лет. Низкий заряд на плавающем затворе соответствует логической единице, а высокий - нулю. При чтении эти состояния распознаются путем измерения порогового напряжения транзистора. Когда Вы стираете с флэшки какой-либо файл, на управляющий затвор подается высокое отрицательное напряжение, и электроны с плавающего затвора переходят (туннелируют) на исток. Кроме флэш-памяти в настоящее время разрабатываются новые технологии создания постоянных электронных запоминающих устройств. Флеш-память имеет массу преимуществ, включая высокую скорость доступа, и отсутствие задержек на механическое движение диска и считывающего устройства, однако стоимость 1 Гб электронного носителя более чем в 50 раз превосходит аналогичную величину для магнитной записи, и составляет более 25 долларов США. Промышленные гиганты многих стран мира пытаются использовать магнитные, туннельные, ферро- и пьезоэлектрические эффекты, а также фазовые превращения для создания электронных устройств сохраняющих информацию при отключении устройства от источника тока.

Большие перспективы имеет направление, связанное с созданием магнитных нанокомпозитов. Во многих случаях в качестве матриц для их создания используют различные пористые материалы, размер полостей которых лежит в нанометровом диапазоне. В эти поры можно вводить различные соединения, а затем, после химической модификации, получать частицы искомого материала, размер и форма которых повторяют форму полостей матрицы (Рис.2,4), а ее стенки предотвращают их агрегацию и защищают от воздействий внешней среды. Этот подход позволяет синтезировать наночастицы самых различных химических соединений: металлов и сплавов, оксидов и халькогенидов.

С точки зрения уникальных физических свойств особенно привлекательны наночастицы, обладающие анизотропной формой. Использование нанореакторов открывает широкие возможности для их синтеза и контроля морфологии: в слоистых матрицах можно получать двумерные наночастицы, а в матрицах с вытянутыми порами - одномерные. При этом можно также достичь ряда практически - важных характеристик: варьируемый размер пор (1-100 нм), однородность распределения пор по размеру, упорядоченность пор, создание анизотропных систем, изолированность каналов-пор, решение проблемы агрегации и химической изоляции наночастиц. Преимущества использования жидкокристаллических темплатов, формирующихся в системе ПАВ-вода в определенном диапазоне температур и концентраций, связаны с формированием упорядоченной системы однородных по размеру пор с контролируемым диаметром. Гидролиз алкоголятов с последующим отжигом приводит к формированию реплики жидкого кристалла в оксидной матрице, которая тем самым становится мезопористой. Мезопористый диоксид кремния, обладающий упорядоченной гексагональной структурой открытых цилиндрических пор, диаметр которых можно варьировать от 2 до 50 нм, является одной из перспективных матриц для получения одномерных наночастиц. Мезопористый диоксид кремния с диаметром пор от 2,1 до 3,7 нм был использован (на ФНМ МГУ) для получения нанонитей железа, обладающих ферромагнитными свойствами при комнатной температуре. Следует отметить, что при уменьшении размеров частиц ферромагнетика при достижении определенной критической точки происходит переход в суперпарамагнитное состояние, в котором магнитные моменты частиц разупорядочиваются из-за тепловых флуктуаций. Для сферических частиц железа этот размер составляет около 5 нм. Однако если наночастицы имеют нитевидную форму, происходит фиксация магнитного момента вдоль длинной оси частицы и магнитноупорядоченное состояние может сохраняться, если эти наночастицы закреплены в системе упорядоченных пор (система перпендикулярной записи информации, Рис.1).

Характеристики

Список файлов книги