Наноструктурированные материалы и функциональные устройства на их основе
Студ. Мустафаев М.Г.
Кафедра электронных приборов.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов.
Развитие наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению уровня технологии и созданию новых функциональных устройств.
Определяющими характеристиками являются характерные размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами.
Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой механике и необходимости использования синергетических подходов [1].
Прогресс в микроэлектронике – повышение функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает ситуация, когда все в большей мере проявляется волновая природа электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.
Традиционная кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.
В магнитных многослойных наноструктурах с чередующимися ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.
Молекулярные наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.
Фотонные материалы – это упорядоченные системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии [2].
Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.
Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах достигла величин 5 – 10 нм.
В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху – вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.
Основу приборов молекулярной наноэлектроники составляют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.
Нанотехнология позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.
В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа.
При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии.
Для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации [3].
Уменьшение размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.
Такие нанопроцессы делают возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств.
Список литературы
1. Елинсон М.И. Исследования физических проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.
2. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.
3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химический журнал. 2002. Т.46, №5.
www.ronl.ru
Наноструктурированные материалы и функциональные устройства на их основе
Студ. Мустафаев М.Г.
Кафедра электронных приборов.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов.
Развитие наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению уровня технологии и созданию новых функциональных устройств.
Определяющими характеристиками являются характерные размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами.
Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой механике и необходимости использования синергетических подходов [1].
Прогресс в микроэлектронике – повышение функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает ситуация, когда все в большей мере проявляется волновая природа электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.
Традиционная кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.
В магнитных многослойных наноструктурах с чередующимися ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.
Молекулярные наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.
Фотонные материалы – это упорядоченные системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии [2].
Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.
Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах д
остигла величин 5 – 10 нм.В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху – вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.
Основу приборов молекулярной наноэлектроники составляют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.
Нанотехнология позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.
В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа.
При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии.
Для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации [3].
Уменьшение размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.
Такие нанопроцессы делают возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств.
Список литературы
1. Елинсон М.И. Исследования физических проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.
2. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.
3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химический журнал. 2002. Т.46, №5.
www.litsoch.ru
Наноструктурированные материалы и функциональные устройства на их основе
Студ. Мустафаев М.Г.
Кафедра электронных приборов.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов.
Развитие наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению уровня технологии и созданию новых функциональных устройств.
Определяющими характеристиками являются характерные размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами.
Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой механике и необходимости использования синергетических подходов [1].
Прогресс в микроэлектронике – повышение функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает ситуация, когда все в большей мере проявляется волновая природа электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.
Традиционная кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.
В магнитных многослойных наноструктурах с чередующимися ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.
Молекулярные наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.
Фотонные материалы – это упорядоченные системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии [2].
Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.
Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах достигла величин 5 – 10 нм.
В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху – вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.
Основу приборов молекулярной наноэлектроники составляют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.
Нанотехнология позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.
В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа.
При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии.
Для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации [3].
Уменьшение размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.
Такие нанопроцессы делают возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств.
Список литературы
1. Елинсон М.И. Исследования физических проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.
2. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.
3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химический журнал. 2002. Т.46, №5.
www.ronl.ru
Студ. Мустафаев М.Г.
Кафедра электронных приборов.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов.
Развитие наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению уровня технологии и созданию новых функциональных устройств.
Определяющими характеристиками являются характерные размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами.
Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой механике и необходимости использования синергетических подходов [1].
Прогресс в микроэлектронике – повышение функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает ситуация, когда все в большей мере проявляется волновая природа электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.
Традиционная кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.
В магнитных многослойных наноструктурах с чередующимися ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.
Молекулярные наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.
Фотонные материалы – это упорядоченные системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии [2].
Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.
Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах достигла величин 5 – 10 нм.
В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху – вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.
Основу приборов молекулярной наноэлектроники составляют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.
Нанотехнология позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.
В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа.
При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии.
Для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации [3].
Уменьшение размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.
Такие нанопроцессы делают возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств.
Список литературы
1. Елинсон М.И. Исследования физических проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.
2. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.
3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химический журнал. 2002. Т.46, №5.
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://www.skgtu.ru/
Дата добавления: 02.09.2009
2dip.su
Студ. Мустафаев М.Г.
Кафедра электронных приборов.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов.
Развитие наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению уровня технологии и созданию новых функциональных устройств.
Определяющими характеристиками являются характерные размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами.
Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой механике и необходимости использования синергетических подходов [1].
Прогресс в микроэлектронике – повышение функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает ситуация, когда все в большей мере проявляется волновая природа электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.
Традиционная кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.
В магнитных многослойных наноструктурах с чередующимися ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.
Молекулярные наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.
Фотонные материалы – это упорядоченные системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии [2].
Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.
Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах достигла величин 5 – 10 нм.
В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху – вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.
Основу приборов молекулярной наноэлектроники составляют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.
Нанотехнология позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.
В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа.
При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии.
Для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации [3].
Уменьшение размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.
Такие нанопроцессы делают возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств.
1. Елинсон М.И. Исследования физических проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.
2. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.
3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химический журнал. 2002. Т.46, №5.
www.neuch.ru
Наноструктурированные материалы и функциональные устройства на их основе
Студ. Мустафаев М.Г.
Кафедра электронных приборов.
Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)
Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов.
Развитие наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению уровня технологии и созданию новых функциональных устройств.
Определяющими характеристиками являются характерные размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами.
Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой механике и необходимости использования синергетических подходов [1].
Прогресс в микроэлектронике – повышение функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает ситуация, когда все в большей мере проявляется волновая природа электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.
Традиционная кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.
В магнитных многослойных наноструктурах с чередующимися ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.
Молекулярные наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.
Фотонные материалы – это упорядоченные системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии [2].
Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией.
Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах достигла величин 5 – 10 нм.
В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху – вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.
Основу приборов молекулярной наноэлектроники составляют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.
Нанотехнология позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.
В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа.
При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии.
Для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации [3].
Уменьшение размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.
Такие нанопроцессы делают возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств.
Список литературы
1. Елинсон М.И. Исследования физических проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.
2. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.
3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химический журнал. 2002. Т.46, №5.
www.ronl.ru
Нанотехнологии являются новым весьма эффективным направлением развития конструкционных материалов. Наноструктурные объемные материалы отличаются большой прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их применения настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов.
По геометрическим признакам любые наноструктурные материалы, в том числе и конструкционные, можно классифицировать в соответствие с размерностью характерных для них наноструктурных единиц. При этом наноматериалы обладают размером основных структурных единиц (зерен, кристаллитов, выделений, слоев, включений) менее 100 нм. В случае объемных наноструктурных материалов - это трехмерные зерна и кристаллиты. Наноструктурированные поверхностный слой и слоистая структура характерны для двумерных наноструктур. Волоконная наноструктура одномерна. Нуль-мерные наноструктурные выделения, включения, поры, сегрегации, порошки позиционируются как нуль-мерные наноструктуры.
Объемные нанокристаллические материалы получают, в основном, методами порошковой металлургии. К ним относятся:
Метод кристаллизации из аморфного состояния;
Метод интенсивной пластической деформации.
В первом методе нанокристаллическая структура создается в аморфном сплаве путем его кристаллизации. Спиннингование, т.е. получение тонких лент аморфных металлических сплавов с помощью быстрого (со скоростью не менее 106 К/с) охлаждения расплава на поверхности вращающегося диска или барабана отработано достаточно хорошо. Далее аморфная лента отжигается при контролируемой температуре для кристаллизации. Для создания нанокристаллической структуры отжиг проводится так, чтобы возникало большое число центров кристаллизации, а скорость роста кристаллов была низкой. Первой стадией кристаллизации может быть выделение мелких кристаллов промежуточных метастабильных фаз. При изучении аморфного сплава на основе Ni было выявлено, что сначала образуются маленькие кристаллы метастабильного сильно пересыщенного твердого раствора фосфора в никеле Ni(P), и только после этого появляются кристаллы фосфидов никеля. Предполагается, что барьером для роста кристаллов может быть аморфная фаза. Нанокристаллическую ленту удается получать и непосредственно в процессе спиннингования. Этим методом была получена лента сплава Ni65Al35, которая состояла из кристаллов интерметаллида NiAl со средним размером зерна порядка 2 мкм. Эти кристаллы, в свою очередь, обладали очень равномерной микродвойниковой субструктурой с характерными размерами в несколько десятков нанометров. Эта субструктура препятствовала распространению микротрещин и тем самым повышала пластичность и вязкость хрупкого интерметаллида NiAl.
ИПД обработка – это новая технология обработки металлов давлением, позволяющая получать объемные наноструктурные материалы с уникальными свойствами посредством сильного измельчения зерна до наноразмеров.
Интенсивная пластическая деформация кручением (ИПДК) — это метод ИПД, при котором образец, обычно имеющий форму диска диаметром 10-20 и толщиной 0.3-1.0 мм, подвергается деформации кручением в условиях высокого приложенного гидростатического давления. Диск помещается внутрь полости, прилагается гидростатическое давление (P), и пластическая деформация кручением достигается за счет вращения одного из бойков (рис. 1).
Рисунок 1 - Интенсивная пластическая деформация кручением под высоким давлением
Равноканальное угловое прессование (РКУП) в настоящее время является наиболее широко используемым методом ИПД. Как показано на рис. 2, имеющий форму прутка круглого или квадратного сечения образец прессуется в матрице через сопрягающиеся под определенным углом каналы.
Деформация сдвигом происходит, когда заготовка проходит через зону их пересечения. В процессе многократно повторяющихся прессований в заготовке накапливается деформация сдвигом, что в результате приводит к образованию в материале ультрамелкозернистой структуры.
Рисунок 2 - Интенсивная пластическая деформация РКУ прессованием
По материалам учебного пособия Б.М. Балоян, А.Г. Колмаков, М.И. Алымов, А.М. Кротов НАНОМАТЕРИАЛЫ. Классификация, особенности свойств, применение и технологии получения, Москва 2007 (http://www.uni-u.ru/uni/nmt/nano.doc), информационного портала NanoSPD (http://www.nanospd.ru) и сайта http://mylearn.ru
Список литературы
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://masters.donntu.edu.ua/
Дата добавления: 07.07.2012
www.km.ru
