Бондаренко Виталий Парфирович доцент кафедры МНЭ зав НИЛ

Бондаренко Виталий Парфирович доцент кафедры МНЭ зав. НИЛ 4. 3 “Материалы и структуры наноэлектроники” 102 -1 корпус, 19 -1 корпус ННЭ Нанотехнологии и наноматериалы в электронике ЛК – 48 ч (через 4 лекции тестирование) ЛР – 24 ч • посещение лекций ( 80%) • Выполнение ЛР ( 100%) • оценка на тестировании

Лекция 1. Вводная Содержание лекции: 1. 2. 3. 4. 5. Содержание дисциплины ННЭ Шкала геометрических размеров Определения и терминология Краткая история НТ Развитие НТ в мире, в России, в РБ

2. Н а н о Электроника (Борисенко В. Е. * + Бондаренко В. П. **) 2. 1. Традиционные методы осаждения пленок 2. 1. 1. Химическое осаждение из газовой фазы* 2. 1. 2. Молекулярно-лучевая эпитаксия* 2. 2. Методы, использующие сканирующие зонды 2. 2. 1. Физические основы * ** 2. 2. 2. Атомная инженерия * ** 2. 2. 3. Локальное окисление металлов и полупроводников * ** 2. 3. Нанолитография 2. 2. 4. Локальное химическое осаждение из газовой фазы * ** 2. 3. 1. Электронно-лучевая литография * 2. 3. 2. Профилирование резистов сканирующими зондами * ** 2. 3. 3. Нанопечать * 2. 3. 4. Сравнение нанолитографических методов * 2. 4. Саморегулирующиеся процессы ** 2. 4. 1. Самосборка * 2. 4. 2. Самоорганизация в объемных материалах * 2. 4. 3. Самоорганизация при эпитаксии * 2. 5. Формирование наноструктурированных материалов 2. 5. 1. Пористый кремний ** ** 2. 5. 2. Пористый анодный оксид алюминия ** ** 2. 5. 3. Фуллерены и углеродные нанотрубки, графен ** **

Содержание дисциплины ННЭ 1. Пористый кремний (получение, свойства и применение). 2. Пористый оксид алюминия (…. . ). 3. Пористый оксид титана (…. . ). 4. Углеродные нанотрубки (…. . ). 5. Графен (…. . ). 6. Сканирующая зондовая микроскопия (физические основы, конструкции, применение).

Шкала геометрических размеров Основная единица длины система СИ – метр (м) - длина пути, пройденного светом в вакууме за время, равное 1/299792458 доли секунды (1983) км – 1000 м мм – 10 - 3 м мкм – 10 - 6 м или 10 - 3 мм нм – 10 - 9 м или 10 - 3 мкм Нано – от “nanos” – карлик (греческий)

Где “проживают” микроэлектроника и наноэлектроника Микроэлектроника: 0. 1 – 100 мкм Наноэлектроника: 0. 1 – 100 нм (0. 1 мкм) 1 – 1000 А

Диаметры атомов H C Si Al Cs 0. 05 нм 0. 14 нм 0. 22 нм 0. 25 нм 0. 52 нм

Нанотехнологии: место среди других наук волос пылевой клещ человек Биология НАНОТЕХНОЛОГИИ Химия, атомная и ядерная физика атомы континент Социальные науки Земля Геология планеты Астрономия клетка

Мир размеров

Наоя Кобаяси профессор Токийского университета, сотрудник института нанотехнологий фирмы Хитати Нанотехнология – набор технологий или методик, основанных на манипуляции с отдельными атомами и молекулами (т. е. методик регулирования структуры и состава вещества) в масштабах 1 – 100 нм.

Жорес Алферов, Нобелевский лауреат, физико-технический институт им. Иоффе Если при уменьшении объема вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нм масштаба возникает новое качество или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти объекты относятся к наноматериалам, а технология их получения и работу с ними называют нанотехнологией

Определения и терминология «Концепция развития в Российской Федерации работ в области нанотехнологий на период до 2010 года» (2004 г. ) Нанотехнология это совокупность методов и приемов, обеспечивающих возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты, включающие компоненты с размерами менее 100 нм, хотя бы в одном измерении, и в результате этого получившие принципиально новые качества, позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.

Наноматериалы Материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100 нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками

История нанотехнологии 1928 Предложена схема устройства сканирующего электронного микроскопа 1932 Создание первого ПЭМ 1938 Создание первого СЭМ 1959 Ричард Фейнман выдвинул идею создания веществ и объектов методом атомной сборки 1975 Теоретически показана возможность существования квантовых нитей и точек 1981 Создание сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) 1985 Получение первых фуллеренов

История нанотехнологии 1986 Эрик Дрекслер выдвинул концепцию создания “молекулярных” машин Создание атомно-силового микроскопа (АСМ) 1991 Япония - начало гос. программы по нанотехнологии (проект “Атомная технология “) Получение первых углеродных нанотрубок 2000 США – начало программы “Национальная нанотехнологическая инициатива” (В 2001 г. ее бюджет был 485 млн. долл. , что было сопоставимо с годовым бюджетом всей Российской академии наук) 2002 Россия – “Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу” 2005 Республика Беларусь ГКПНИ “Наноматериалы и нанотехнологии” на период 2006 -2010 гг.

Там, внизу, полно места !!! There’s plenty of room at the bottom Р. Фейнман (1959)

There’s plenty of room at the bottom Лекция Ричарда Фейнмана в 1959 г. в Калифорнийском технологическом институте ("Там, внизу, полно места!"). Слово «внизу» в названии лекции означало в «мире очень малых размеров» . Тогда Фейнман сказал, что когда-нибудь, например, в 2000 г. , люди будут удивляться тому, что до 1960 г. никто не относился серьёзно к исследованиям наномира. По словам Фейнмана человек очень долго жил, не замечая, что рядом с ним живёт целый мир объектов, разглядеть которые он не в состоянии. Ну, а если мы не видим эти объекты, то мы не можем и работать с ними.

Ричард Фейнман предположил, что механически возможно перемещать одиночные атомы, при помощи манипулятора соответствующего размера, по крайней мере, такой процесс не противоречил бы известным на сегодняшний день физическим законам.

Как заставить наномир работать на нас

Термин - нанотехнология Впервые термин «нанотехнология» употребил Норио Танигути в 1974 году. Он назвал этим термином производство изделий размером несколько нанометров. 1977 г. Нобелевский лауреат Илья Пригожин констатирует, что «мы знаем, где дверь в эту комнату» , на полу которой, по словам Фейнмана, «полно игрушек» .

Почему «нанотехнологии» - это интересно? бактериофаг Частица Au, окружённая более мелкими Вирус гриппа Мозаика из 1 нм С 60

Почему «нанотехнологии» - это интересно? При уменьшении объектов до НАНО размеров их свойства изменяются: - цвет зависит от размеров - прочность увеличивается в десятки раз - температура плавления падает на сотни градусов - реакционная способность веществ растёт - появляется способность к самосборке (интелект!!!) - и много других эффектов ? ? !!!!!!!

Наночастицы меняют свой цвет

В наномире растёт прочность и исчезает пластичность

В наномире температура плавления уменьшается 3 нм кристаллы Cd. Se плавятся при 700 K, по сравнению с 1678 K, то же и для 5 -10 нм частиц золота, у которых температура плавления меньше на несколько сотен К.

Наночастицы и нанотрубки – мощные катализаторы

Самосборка нановолокон с сигнальными молекулами У некоторых молекул гидрофобные и гидрофильные участки пространственно разнесены и поэтому они способны к самосборке Hartgerink, Beniash, Stupp

Ток в этом нанотранзисторе течет снизу вверх. Им управляет напряжение на затворе (горизонтальная полоса)

Самый тонкий в мире провод из углеродных нанотрубок на фоне платиновых электродов. Толщина провода всего около 10 атомов. Увеличение около 500 000 х

Фантастический наноробот «делает укол» эритроциту. Хотя подобные рисунки довольно наглядны, они весьма далеки от реальных современных нанотехнологий

Карлик «нано» завоёвывает мир

Распределение НАНО-патентов в бюро патентов США по технологиям Биотехнологии и медицинские препараты Химия и материаловедение Механотехнологии Электроника

Распределение НАНО-патентов в бюро патентов США по предмету изобретения Изготовление, обработка и обнаружение наноструктур Способы применения наноструктур Наноструктуры Математические алгоритмы, например, специально адаптированные для моделирования наноструктур

число патентов по нанотехнологиям И началось… А, может быть, это революция?

я ка хн ол те но на ко мп ью т ер ог ич на ес я ьн ая ав то мо би л ая ор ож н жд те кс ти ль на я Ещё одна революция? промышленная революция информационная революция

Нанотехнологии: в каких городах и странах

2002 Россия – “Основы политики Российской Федерации в области развития науки и технологий на период до 2010 года и дальнейшую перспективу” 2005 Республика Беларусь ГКПНИ “Наноматериалы и нанотехнологии” на период 2006 -2010 гг.

РБ - ГКПНИ «Нанотех» курирует программу Объединенный институт физики твердого тела и полупроводников Зам. Пред. Президиума НАН РБ академик Петр Витязь Академик Лабунов В. А. – 4 раздел Профессор Федотов А. К. – 6 раздел

Исполнители ГКПНИ “Нанотех” • • • 19 научных институтов 20 организаций Минобразования РБ 15 организаций концерна «Белнефтехим» более 30 организаций Минпром РБ более 1600 ученых В 2008 году в развитие этого направления республика вложила 5 млрд. рублей, а общий объем бюджетного финансирования составляет 15 млрд. рублей (7 млн. $)

Будем ли мы, жители России и Белоруссии, вовлечены в эти процессы!!! Вопрос заключается лишь в том, будем ли мы только потребителями этих благ или еще и созидателями, т. е. будем ли мы за них только платить или еще и зарабатывать на нанотехнологиях.

Нанотехнологии уже давно вокруг нас • Антимикробное покрытие из наночастиц Ti. O 2 и Ag • Простыни с наночастицами Ag, обладающие бактерицидным и противогрибковым действием • Антимикробные раневые повязки с наночастицами Ag, обладающие бактерицидным действием • Солнцезащитный крем с наночастицами Zn. O - не липкий и прозрачный • Баллончик, распыляющий стерилизующую взвесь из наночастиц Ag

Безопасность нанотехнологий ? В США на конец июля 2007 г. около 300 видов потребительских товаров, включая солнцезащитные кремы, зубные пасты и шампуни, делаются с использованием нанотехнологий. FDA пока разрешает продавать их, не снабжая специальной наклейкой «Содержит наночастицы» . В то же время многие исследователи утверждают, что проникая внутрь такие наночастицы могут вызывать воспалительные или иммунологические реакции. Поэтому, вступая в эру нанотехнологий мы ставим себя на место подопытных морских свинок. New. Scientist. com, 26 July, 2007

Лекция 2. НТ

The MOSFET 1970 S D Channel length 10 mm The MOSFET for the 22 nm node: . Channel length 10 nm Doyle et al, Intel Tech. J. 6, 42 (2002)

Лучшие современные электронные средства неэкономно “тратят” сотни, тысячи электронов на одну операцию

Любые достижения в нанонауке сначала рассматриваются для их использования в информационных технологиях Крупные направления на этом участке фронта: – устройства на углеродных нанотрубках – одноэлектроника, спинтроника и джозефсоновская электроника, в том числе квантовые компьютеры – молекулярная электроника, в частности, с использованием фрагментов ДНК – сканирующие зондовые методы

В нанотехнологии вообще существуют лишь два подхода ! Н. Кобаяси Два принципиально разных подхода к обработке вещества и создания наноматериалов: • “cверху-вниз” • “снизу-вверх”

Три типа нанотехнологий • “сверху вниз” – “top down” • “снизу вверх” – “bottom up” • • комбинация “сверху вниз” и “снизу вверх”

“cверху-вниз”- миниатюризация Подход основан на уменьшении размеров физических тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов с нм размерами. Основной метод – фотолитография. Ограничение ф/л – разрешающая способность зависит от длины волны используемого излучения. При размерах менее 100 нм – сложно и очень дорого.

“снизу-вверх” Сборка создаваемого “объекта” осуществляется из элементов “низшего порядка” (атомов, молекул, структурных фрагментов биологических клеток и т. п. ), располагаемых в требуемом порядке. Пример: Поштучная укладка атомов на поверхности кристалла помощью СТМ. Производительность метода очень низка, но подобным методам принадлежит будущее. Почему ?

Принцип сканирующих зондовых методов Основные типы приборов: туннельный микроскоп, атомносиловой микроскоп и ближнепольный оптический микроскоп.

АСМ - рельеф CD-ROM (а) СТМ - поверхность графита (б) СТМ - нанокристаллический Pd (в) СТМ - квантовая точка, образованная самосборкой атомов Ge (г) Атомный дизайн в СТМ: д - «пляшущий человечек» , выложенный молекулами СО е - иероглифы, выложенные атомами Fe на поверхности Cu ж - поатомная сборка «квантового загона» для электрона из 48 атомов Fe на поверхности Si з - в собранном «загоне» видны стоячие волны электронной плотности захваченного ловушкой электрона