Нанотехнологии в электронике

// // Исследования и разработки //

Нанотехнологии в электроникеТехнологии манипулирования веществом на молекулярном уровне затронули все отрасли промышленности. Не избежала этого и электроника, в первую очередь технологии создания микропроцессоров и интегральных схем. Ведущие страны вкладывают значительные средства в развитие данной сферы. Дальнейшее развитие микроэлектроники в наши дни немыслимо без использования нанотехнологий.

Одним из наиболее очевидных направлений в наноэлектронике является дальнейшее уменьшение электронных микросхем. Согласно закономерности Мура количество транзисторов на кристалл будет удваиваться каждые полтора года и чтобы это происходило, необходимо создавать полупроводники на атомарном уровне.

Собственно говоря, нанотехнологии в электронике применяются уже не первый год, просто мы не задумываемся об этом. В 2007 года компания Intel заявила о разработке процессора, наименьший структурный элемент которого составлял 45 нм. В дальнейшем компания намерена достичь размеров структурных элементов до 5 нм. С этим размером сейчас также работает конкурент Intel, компания AMD. Компания IBM в 2010 году заявляла, что скоро перейдет на размер 32, и, согласно открытым данным, рабочие образцы процессоров с транзисторами размером 32 нм и даже опытные образцы на 22 нм уже существуют. Пределом уменьшения кремниевых транзисторов становится  размер в 10–11 нанометров, после чего уменьшение усложняет контроль за движением электронов внутри кремниевого канала. Так, на помощь исследователям пришел графен. Совсем недавно компания IBM заявила о создании транзистора из одной углеродной нанотрубки. Устройство, длина которого не превышает 9 нанометров, по производительности превосходит  всех своих собратьев того же размера, в том числе кремниевый транзистор.

Нанотехнологии в электронике получили мощный импульс за счет использования углеродных нанотрубок (графен, - прим. "Нано Дайджест"). Углеродные нанотрубки не только могут преодолеть барьер уменьшения транзисторов, но и придать электронным схемам революционные механические и оптические свойства, или, говоря простым языком, сделать электронику гибкой и прозрачной. Нанотрубки более подвижны и не задерживают свет в тонком слое, так что опытные матрицы с интегральными схемами можно изгибать без потери электронных свойств. Оптимисты предсказывают, что не за горами день, когда ноутбук можно будет носить в заднем кармане джинсов, потом, сев на скамейку, развернуть до размера газеты, причем вся его поверхность станет экраном высокого разрешения, а после этого снова свернуть и, скажем, превратить в браслет на запястье.

Другая область применения нанотехнологий в электронике – создание жестких дисков нового типа. В 2007 году нобелевская премия по физике была присуждена Питеру Грюнбергу и Альберту Ферту за открытие эффекта гигантского магнетосопротивления, или, как иногда пишут, GMR-эффекта. Это квантовомеханический эффект, который происходит в тонких металлических плёнках, состоящих из чередующихся ферромагнитных и проводящих немагнитных слоёв. При изменении взаимного направления намагниченности соседних магнитных слоёв происходит значительное изменение электрического сопротивления такой структуры. С помощью внешнего магнитного поля направлением намагниченности можно управлять. На базе этого эффекта можно создавать датчики магнитного поля такой точности считывания, что информацию можно будет записывать на жесткий диск буквально с атомарной плотностью.

Говоря о наноэлектронике хочется также затронуть плазмонику. Плазмоны представляют собой коллективные колебания свободных электронов в металле. Длина волны плазмонного резонанса, например, для сферической частицы серебра диаметром 50 нм составляет примерно 400 нм. В начале 2000-го года, благодаря быстрому прогрессу в технологии изготовления частиц наноразмеров, был дан толчок к развитию новой области нанотехнологии – наноплазмонике. Выяснилось, что электромагнитное излучение можно передавать вдоль цепочки металлических наночастиц с помощью возбуждения плазмонных колебаний.

Для чего это нужно? Эта технология может стать заменой традиционных технологий, используемых в современных компьютерах. Логические цепи, построенные на основе плазмоники, работают гораздо быстрее, имеют значительно большую информационную емкость, чем традиционные электронные цепи и, что гораздо более важно, имеют гораздо меньшие габариты, чем существующие оптические системы.

Ситуацию с наноэлектроникой в России нельзя назвать однозначной. В советское время мы занимали третье место по уровню развития микроэлектроники, уступая только США и Японии.

Наноэлектроника сейчас активно развивается за рубежом, у нас же лидерами в этом сегменте являются "Ситроникс" и "Ангстрем". В компании "Ситроникс" используют проектную норму 180 нм при производстве микрочипов. Таким образом пока Россия сильно остает по наноэлектронике от зарубежных лидеров рынка.

Реформы последних двадцати лет предсказуемо привели к утрате этих позиций. Сегодня нишу СССР прочно заняли Южная Корея, Тайвань, Китай, небольшие страны Азии, такие как Сингапур, и европейские страны –  Германия, Франция, Англия. Мировой рынок электроники выглядит следующим образом: производство самой современной электроники с высокой добавочной стоимостью полностью находится в США, а «массовой» высокотехнологичной продукции – на Тайване, что обеспечивается в значительной степени благодаря американским и японским инвестициям. Китай доминирует на рынке бюджетной электроники. Однако, как отмечает председатель консультативного комитета SEMI в России И.Кучерявый, ситуация постепенно меняется. За счет дешевой рабочей силы и привлекательных условий для бизнеса Китаю удается привлекать инвестиции высокотехнологичных компаний для организации на территории страны их производств.

В то же время исследователи полагают, что у нас неплохой потенциал в области наноэлектроники.  Директор Института физики полупроводников СО РАН, академик РАНАлександр Асеев указывает на хороший уровень разработок в областях СВЧ, фотоприёмников, излучательных структур, солнечных батарей, силовой электроники. Мы обладаем потенциалом, однако необходимо создание организационных и экономических условий развития наноэлектроники, чтобы будущие Новоселовы работали в наших, а не западных наукоградах. Россия могла бы стать своего рода массовым центром для проведения фундаментальных научных разработок. Для этого существует технологическая база, имеются квалифицированная научная среда, перспективные и обучаемые кадры. 

Необходимы значительные инвестиции, и это, возможно, является ахиллесовой пятой всей области, поскольку при современном уровне коррупции большая их часть не дойдет до целевой области, как не доходят до больных клеток молекулы введенного в организм препарата. Но все же будем надеяться на успешность последних инициатив правительства России, например, создание Сколкова, которое в будущем при правильной организации может стать неким фронт-офисом по коммерциализации разработок, созданных российскими учеными и изобретателями.

Статьи по теме:

Нанороботы. Узнай все о нанороботах в "Энциклопедии нанотехнологий". В ближайшие годы нанотехнологии будут использоваться практически во всех сферах промышленности. 

Нанотехнологии в медицине. Медицина - одна из самых популярных отраслей применения нанотехнологий.

Графен. Физики разработали новую форму графена - самого популярного наноматериала.

Нанотехнологии в строительстве. Наноматериалы позволяют существенно упростить и удешевить строительные проекты.