Modern High Tech
Preparată profesor asociat de
Fizică Electronică II Khinich
Collegiate dicționar definește tehnologia (din limba greacă «techne» -. «Art« «abilitate»,»abilitate» + «logos» - «știință") ca o multitudine de metode de prelucrare de fabricație, schimbările de stare (proprietatile, forma) a materiei prime inițiale în procesul producția de produse finale. Pentru tehnologie înaltă (intensivă cunoaștere) este de obicei denumit cele mai mari consumatoare de cunoștințe industrii: micro- și nanotehnologii, calcul și tehnologia informației, robotică
aparate, vederi în perspectivă a energiei, tehnologia spațială, biotehnologie și altele.
Materialele metodologice propuse dedicate discutarea problemelor complexe legate de domeniul nanotehnologiei - fabricarea produselor având o dimensiune
1-100 nm, cel puțin o dimensiune (Fig 1.). Dacă vorbim despre nanotehnologie în natură, un astfel de obiect de important ca o celula mult mai Nanotehnologie de frontieră, dar detaliile din care este compus, precum bacterii și viruși - este în natura nanotehnologiei. Vorbim despre tehnologia umană, t. E. Metodele de fabricare a produselor ultra-mici, deși, în principiu, ar putea fi elemente relativ mari, dar, de exemplu, este foarte, foarte subțire.
Fig. 1. Compararea obiectelor în diferite domenii de dimensiuni
Mai întâi de toate să ne explice de frontieră nanotehnologiei aleatoriu. In acest interval apar proprietăți care nu se găsesc în alte intervale, cum ar fi curent tunel, forța de interacțiune între atomii substanței. Ca exemple de proprietăți observate numai în intervalul nanometri, pot fi citate: 1) efectul cuantic Hall, unde pentru cristale fine la temperaturi scăzute atunci când gazul de electroni trebuie privită ca o schimbare bidimensională în dependență rezistența Hallian a câmpului magnetic - prin porțiuni suprapuse convenționale de dependență liniară cu constantă rezistență (. Figura 2), în timp ce rezistența Hall înțeleg sub raport stres transversal longitudinal curent; 2) se schimbă în reprezentarea frecare nanoscala. Nu nanoscala frecare - pentru a depăși nereguli, în funcție de forța de presiune și independentă a zonei; frecare nanoscala depinde de distanța și pătrat.
?? Fig. 2. Schema de observare a efectului Hall
rezistența la Hallian și dependența de câmpul magnetic
Un alt exemplu - putere. stres mecanic sau presiune - este raportul dintre greutatea elementelor în zona de bază. Odată cu scăderea mărimii acestui raport scade - creșterea rezistenței. foi de laminare din hârtie este mai dificil să se aplece decât o foaie obișnuită. EXEMPLU rezistență în creștere - folosind nanotuburilor
(Fig. 3). Firul de grosimea unui fir de păr uman Nanotuburi capabil de a deține o mulțime de sute de kilograme. mod direct de nanotuburi de fabricație - utilizarea de grafen. Grafenul - un strat de carbon separat de grafit (figura 4). Cu toate acestea, nanotuburi de grafen încă nu știu cum. Dar deja stăpânit tehnologia de auto-asamblare. Aceasta are loc la catod în timpul depunerii ionilor de carbon (vaporizat cu un anod de grafit) în plasmă descărcare în arc.
Fig. 3. Tipuri de nanotuburi de carbon:
a) - o linie dreaptă cu un singur strat,
b) - două straturi drepte,
c) - un singur strat în spirală.
Lungimea legăturii - 1,41 Ǻ, diametru - 1 nm
Lungime -> 30 nm
Fig. 4. straturi grafenice din grafit
Toate proprietățile discutate sunt observate la nanometrice. Următorul exemplu - aluminiul nu reacționează cu apa în același timp, nanoparticule de aluminiu foarte activ reacționează cu apa pentru a elibera hidrogen. Trebuie remarcat importanța practică a acestui exemplu, în ceea ce privește dezvoltarea de noi tipuri de energie.
La manifestare nanorasstoyaniyah a forțelor de interacțiune dintre atomii unice bazate una dintre metodele moderne de observare nanoobektov - microscopie de forță atomică (Figura 5.). Aceste dispozitive vor fi discutate în următoarele materiale didactice. Aici este important de menționat faptul că cazualității de frontieră nanotehnologiei apare ca o modificare a metodelor de observare a nano-obiecte, precum și o schimbare în tehnologiile propriu-zise. Metode optice observații ca urmare a efectelor de difracție nu funcționează, deoarece distanța în zecimi de microni.
? ?
Fig. 5. Aspectul capului de măsurare al NanoEducator microscop
Într-adevăr, datorită efectului de difracție a oricărei imagini este oarecum neclară în microscop, cu o creștere relativ mică este practic neclaritate nu apare, cu toate acestea, este fundamental imposibil de a vedea orice detalii cu privire la dimensiunea de mai puțin de câteva zecimi de o lungime de undă care corespunde pragului nanotehnologiei. Prin urmare, pentru observarea nano-obiecte sunt folosite în principal alte metode non-optice de investigare. Principalele instrumente ale nanotehnologiei sunt două metode - scanare microscopie sondă și microscopie electronică de baleiaj. Ca un alt exemplu de nanotehnologie dispozitiv poate provoca penseta optice, în care particula are loc în zona de focalizare neomogen câmp electric (Fig. 6).
Fig. 6. Reprezentarea schematică a penseta optice - fasciculul laser
domeniul său non-uniformă electrice
deține la punctul focal nanoparticulei sferic
Astăzi, nanotehnologie - o margine de tăiere a științei și industriei. Utilizarea nanotehnologiei a produs mai multe mii de produse. Firește, primul lucru pentru a vorbi despre aplicațiile nanotehnologiei în domeniul electronicii. Este interesant de spus câteva cuvinte despre istoria microelectronicii. în urmă cu mai bine de 40 de ani la începutul microelectronica unul dintre fondatorii companiei Intel Gordon Mur a formulat legea care îi poartă numele - timp de 1,5 ani, o schimbare în parametrii de bază ai elementelor microelectronice în 2 ori (volumul vânzărilor, viteza, schimbare de timp, dimensiunea, costul per bit, energie per bit) (Fig. 7). Această lege întruchipează povestea de electronice - de la componente discrete la chips-uri moderne. Nanoscale a fost prima departe, dar sa dovedit că acum că frontiera a fost deja adoptată, legea este încă de lucru.
Fig. 7. Legea lui Moore
Aici este recomandabil să se amintească pe scurt activitatea bipolare (fig. 8) și FET.
?
Fig. 8. O diagramă simplificată în secțiune transversală a unui bipolar n-p-n tranzistor
La frontiera de nano a călătorit la granița secolului 21, a schimbat principiile dispozitivelor în care nu se poate ignora curenții de tunelare. Luați în considerare activitatea unuia dintre dispozitivele de azi curenții de tunelare (Figura 9).
?
Fig. 9. Circuitul și nivelele de energie ale unei surse și de scurgere a insulei
în tranzistorul singur electron pentru închis (sus)
și (jos) Statele conductoare
tranzistor Single-electron are trei electrozi: sursa, drena și poarta. In zona dintre electrozi aranjate două joncțiune tunel. separate printr-un electrod metalic suplimentar sau semiconductoare, care se numește „insulă“. Insula este o nanoparticulă sau un cluster de dimensiuni nanometrice, izolate de la electrozi prin straturi dielectrice, prin care pot apărea în anumite condiții de mișcare de electroni. Potențialul electric al insulei poate fi controlată prin modificarea tensiunii de poarta cu care insula este conectat cuplaj capacitiv. În cazul în care este aplicată o tensiune între sursa și drena, un curent, în general vorbind, nu va avea loc, deoarece electronii sunt blocate la elementele de bază - insula nu este disponibil pentru ei și nivelurile de energie ale electronului „aprins“ roșu. Atunci când este aplicat la poarta unui potențial pozitiv, nivelurile de energie sunt reduse, iar insula electron (aceasta „arde“ lumina verde) poate tunel pe insulă, și, prin urmare, se poate tunel la scurgere. De ce tranzistor singur electron este numit - pe insula mai mică de 10 nm, doar câteva state pentru electroni și l-au trec în porțiuni din mai multe bucăți.
Printre numeroasele avantaje ale dispozitivelor nanoelectronicelor (dimensiune, greutate, consum și viteză) discuta separat (timpul de comutare) viteza sa, care este un parametru foarte important. viteza de operare tranzistor este determinată de momentul la care electron sau gaura care trece prin regiunea activă, adică. e. are un rol decisiv mărimea efectului tranzistor. Astăzi tranzistori funcționează la frecvențe în GHz. Cu toate acestea, până la infinit ca utilizarea
frecvențele NII circuitele existente nu pot crește. Diferitele puncte ale semnalului de circuit într-o singură fază, dacă dimensiunea circuitului este mai mică decât distanța de la care semnalul este distribuit pe parcursul perioadei. Să presupunem că frecvența semnalului este de 1 GHz, atunci această distanță ∙ T = 3 ∙ luna august 10 ∙ 10 -9 = 30 cm. Dimensiunea procesorului este mai mică de 30 cm, și poate funcționa la frecvențe mai înalte, iar dimensiunea placii de baza nu permite să lucreze cu frecvențe înalte .
Fig. 10. EXEMPLU litografie pentru a crea defecte crateriform
una adâncimea monostrat (dimensiune scanare - 256 x 256 nm)
Fig. 11. Numele IBM, format din 35 de atomi de xenon
pe o placă de nichel
Se poate cita două exemple de utilizare a nanotehnologiei (fig. 12-13).
Fig. proces de oxidare anodică locală 12. Conducerea
(Dimensiune scanare - 200 x 200 nm) obținut prin această imagine emblemă metodă
RGPU. AI Herzen
Fig. 13. Conducerea procesului forței litografie statică (dimensiune scanare 1,6 x 1,6 m) și litografie forță dinamică
Made NanoEducator microscop academic
Aici sunt câteva exemple de proiecte nanotehnologiei în chimie, biologie și medicină.
Fig. 14. Reprezentarea schematică a dendrimer
2. Pentru detectarea tumorilor canceroase in sange poate intra granule din silicon microscopice - un diametru de mai multe nanosfere nm acoperite cu un strat foarte subțire de aur (Figura 15.). Ideea este că pereții vaselor de sânge în țesutul tumoral este defect și permeabilă și nanosfere pot fi de astfel de nave „indiscret“ ajunge în țesutul tumoral. În continuare, este important ca nanosfere erau invizibile pentru sistemul imunitar, pentru acestea sunt acoperite cu un strat protector de polietilenglicol. 20 de ore după administrare se efectuează nanosfere tomografie optica coerenta si nanosfere permite vizualizarea tumorii. Apoi tumora este iradiat cu lumină infraroșie, care încălzește particulele de coajă de aur, ceea ce duce la moartea celulelor tumorale.
? ?
Fig. 15. nanosfere de aur
3. În medicină, problema aplicării nanotehnologiei este necesară
Mosti modifica structura celulei la nivel molecular, adică, efectua "chirurgie moleculara" prin nanorobotov (Fig. 16). Este de așteptat pentru a crea roboți-moleculare medicii care pot „trăi“ în interiorul corpului uman, eliminând orice daune, sau prevenirea apariției unor astfel. Prin manipularea atomilor si moleculelor individuale, nanorobots va fi capabil de a repara celulele. Nanroboți sau roboți moleculare pot participa (inginerie genetică precum și în loc să-l) reproiectarea genomul celulei, pentru a modifica sau adăuga gene noi pentru a imbunatati functiile celulare. Important este că o astfel de transformare pe termen lung pot fi efectuate pe celule vii ale unui organism existent, modificarea genomul unei singure celule, pentru a transforma corpul în sine! Prognoza crearea de roboți-medici - prima jumătate a secolului XXI. Posibilitățile de nanomedicinei nu a fost încă pusă în aplicare, există doar câteva nanoprojects.
? ?
Fig. 16. Nanroboți pentru „muncă“
materiale moderne tehnologii de înaltă