Наноелектроніка — Енциклопедія Сучасної України

Наноелектроніка

НАНОЕЛЕКТРО́НІКА Початок розвитку Н. як нового напряму високих технологій припадає на кін. 1950-х рр. Індустріалізація, що розгорнулася в цей період, особливо в галузі напівпровідник. матералів (див. Напівпровідники), стимулювала низку відкриттів, зокрема нових явищ та розуміння механізмів керування процесами в твердому тілі на рівні атомів. Ці відкриття базувалися на дослідж. відомих учених-матеріалознавців, хіміків, фізиків, біо­логів та фундам. теор. працях у галузі квантової механіки. Так, видат. фізик-теоретик Дж. Ґамов уперше отримав рішення рівняння Шрьодінґера, що описувало мож­ливість долати частинкою енер­гет. бар'єр за умови, що її енергія менша його висоти. Нове явище, назване тунелюванням, дозволило пояснити численні експерим. результати й лягло в основу опису процесів, що відбуваються під час вильоту частинки із ядра атома. Прибл. через 30 р. у працях япон. вченого Т. Ясакі явище тунелювання отримало подальший розвиток і знайшло практ. втілення в розробленні тунел. діодів. Творцем нанотехнологій вважають амер. фізика Р. Фейнмана, який 1959 зазначив, що «принципи фізики... не заперечують можливість маніпулювати речовиною на рівні атомів». 29 грудня цього ж року він поставив перед спільнотою амер. фізиків запитання «чому ми не можемо написати всі 24 томи енциклопедії на кінчику шпильки?» й обґрунтував використання атомів як буд. частинок (до реалізації цих ідей пройшло не одне десятиліття). Серед корпорацій «першою нанотехно­логічною» вважає себе амер. фірма ІВМ. 1981 нім. фізики Ґ. Бінніґ і Г. Рорер у лаб. цієї корпорації винайшли мікроскоп, що дозволило сканувати і побачити атоми, а після його удосконалення й маніпулювати ними. Як доказ досягнення вражаючих можливостей ними була зроблена нанофотографія логотипу ІВМ, викладеного атомами ксенона на поверхні нікелевого монокристалу. Розпочалася епоха стрімкого розвитку науки й техніки на основі розвит­ку нанотехнологій. Обравши правильну стратегію розвитку, провідні мікроелектронні фірми світу вкладали великі кошти в розвиток нанотехнологій, що призвело до знач. досягнень у цій галузі. Україна мала значні потенц. можливості щодо розвитку Н., оскільки із низки наук.-приклад. дослідж. у галузі мікроелектроніки мала провідні позиції не лише в СРСР; на її тер. було зосереджено потужну індустрію: 5 з-дів із виготовлення мікросхем, Київ. НДІ мікроприладів та КБ при кожному вироб-ві. Фундам. дослідж. здійснювали в академ. ін-тах, їхня плідна співпраця із галуз. н.-д. установами приносила державі вагомі здобутки і незалежність від імпортування мікросхем як для спец. техніки, так і широкого вжитку. Вагомий внесок у розвиток мікроелектроніки та Н. в Укра­їні зробили С. Свєчников, Ю. Яки­менко, М. Находкін, А. Наумовець, З. Готра та дослідники з їхніх наук. шкіл. Розвиток нанотехнологій поділяють на 3 осн. напрями: виготовлення наноелектрон. схем з актив. елементами, розміри яких близькі до розмірів окремих атомів; розроблення та вироб-во наномашин (нанороботів величиною з молекулу), що відкриває перед людством великі перспективи; модифікація та створення нових матеріалів, здатних задовольнити вимоги реалізації поперед. напрямів. Найближчим часом нанотехнології широко ввійдуть у пром. вироб-во інтеграл. схем і підтвердженням цього є інформація, що об'єднавши зусилля амер. фірма «Інтел», пд.-корей. компанія «Самсунґ» і амер. корпорація «Майкрософт» випустили процесор із довж. каналу транзистора 7 нм. Також активно розвиваються технології, що формують вертикал. структури і це гармонійно доповнює мікромініатюризацію майбут. інтеграл. схем. Останнє десятиліття ознаменовано неймовір. здобутками в галузі квантово-мех. явищ і використанням принципово нових методів обчислення, насамперед – створення нових матеріалів на базі гетероструктур та стуктур із графену. Квант. обчислення в перспективі будуть значно випереджати за швидкістю існуючі класичні обчислення за рахунок можливості проведення паралел. операцій. Перші дослідж. на нанорівні укр. вчені провели ще до поч. 2-ї світ. вій­ни, працюючи з колоїд. розчинами та вивчаючи властивості наноплівок і наночастинок. На поч. 21 ст. у Донецькому фізико-технічному інституті ім. О. Галкіна НАНУ запропоновано метод гвинт. деформації металів під тиском, завдяки якому створ. нові матеріали з нанокристаліч. зернами і покращеними мех. характеристиками. У НДІ мікроприладів НАНУ (Київ) під кер-вом В. Белевського розроблено технології модифікації тонких плівок на нанорівні за рахунок іонного бомбардування поверхні іонами влас. матеріалу. При цьому вперше в світі отримано сполуки без високотемператур. відпалу, що кардинально змінює уяву про взаємодію матеріалів на атом. рівні. Яскравим прикладом підтвердження іонної стимуляції при формуванні наноструктур є праці В. Осінського та В. Вербицького, які, використовуючи іонну стимуляцію в наук. експериментах при отриманні багатокомпонент. сполук, отримали структуру білого світлодіоду без використання полімера. А. Наумо­вець виокремлює, за умовами забезпечення необхід. сучас. устат­куванням, дві найперспективніші галузі використання укр. нанотехнологій – електроніку та матеріалознавство. Деякі дослідж. укр. науковці проводять у рамках міжнар. співроб-ва з країнами Європи, Азії, Америки. Одним із небагатьох сучасних прикладів високого потенціалу укр. розробок з нанотехнологій є дослідж., пов'я­зані з пристроями для альтернатив. джерел енергії – суперконденсатори, літієві батареї, паливні комірки, коефіцієнт корис. дії яких сягає 60 % (ін. пристрої забезпечують ці показники на рівні 35 %). До цієї ідеї нині прикута увага всього розвиненого світу. Прогнозується, що на палив. комірках будуть їздити автомобілі майбутнього. В Японії, напр., уже будують стаціонарні електростан­ції з використанням подіб. елементів. Україна, маючи власні запаси цирконію (саме він складає основу цих комірок), може досягти знач. екон. успіхів. У цьому напрямі працюють учені Проблем матеріалознавства ім. І. Францевича Інституту НАНУ, створюючи наноструктурну кераміку для цих комірок. Створення технологій, що зможуть змінювати матерію на рівні окремих атомів чи молекул дозволить вирішити низку проб­лем, що в більшості випадків неможливо традиц. тех. рішеннями. Поч. 21 ст. ознаменований створенням технол. основ виготовлення нанорозмір. систем і отриманням фундам. знань про їхні властивості. Нині понад 30 країн світу інтенсивно проводять дослідж. у цій галузі й технологіях наноструктурних матеріалів. В Україні фундам. і прикладні дослідж., спрямов. на отримання, вивчення властивостей та використання наноструктур. матеріалів, здійснюють у межах відом. замовлень НАНУ, Мін-ва освіти і науки України, грантів міжнар. наук. фондів та конт­рактів із пром. підпр-вами. Більшість цих дослідж. світ. наука визнає як передові, однак у сукупності вони мають розрізнений характер і не можуть претендувати на системні результати через відсутність систем. підходу до розвитку нанотехнологій. Нині актуальною є потреба створення в Україні повномасштаб. держ. програми розвитку високих технологій. Укр. науковці пропонують зосередитися в ній на питаннях моделювання й оптимізації технол. процесів отримання наносистем, експерим. роботи з пошуку нових фіз. ефектів, перспектив. для створення приладів нового покоління, розвитку нових теор. підходів для опису фіз. явищ у нанорозмір. структурах метал–метал, метал–діелектрик, метал–напівпровідник, а також нових фіз. методів для вивчення наноструктур із використанням тунел. та атомно-силової мікроскопії, спектрал. методів дослідж. тощо. Перспективи розвитку Н. в Україні досить великі. Укр. заклади вищої освіти, співпрацюючи із зарубіж. партнерами і використовуючи новітнє устаткування, досягають знач. успіхів у навч. процесі та підготовці кадрів для спільних підпр-в. Мікро- та наноелектронне вироб-во здатне виготовляти практично будь-­яку номенклатуру приладів для всіх галузей пром-сті. Україна одна з небагатьох країн світу може в найкоротші терміни ввійти до числа розвинених країн саме завдяки інтелекту і високій кваліфікації вчених, використовуючи десятиліттями накопичений досвід, наявності природ. ресурсу і кадр. потенціалу.

Літ.: R. Feynman. Theres Plenty of Room at the Botton. New York, 1959; Малиновский Б. Н. Очерки по истории вычис­лительной техники в Украине. К., 1998; Падалко В. Г., Вербицький В. Г., Грищенко С. Г. и др. Программа развития конку­рентноспособных направлений микро­элек­троники в Украине // Технология и конструирование в электрон. аппаратуре. 1999. № 4; Чумаченко Б., Лавров К. Нанотехнологии – ключевой приоритет обозримого будущего // Пробл. теории и практики упр. 2001. № 5; Стратегия выбора. НИИ Микроприборов 50 лет. К., 2012; Наноразмерные системы и нано­материалы: исследования в Украине. К., 2014; Фесенко О. М., Ковальчук С. В., Нищик Р. А. Проблеми та перспективи розвитку нанотехнологій в Україні та світі // Маркетинг і менеджмент інновацій. 2017. № 1.

В. Г. Вербицький, Ю. І. Якименко


Покликання на статтю
В. Г. Вербицький, Ю. І. Якименко . Наноелектроніка // Енциклопедія Сучасної України: електронна версія [веб-сайт] / гол. редкол.: І.М. Дзюба, А.І. Жуковський, М.Г. Железняк та ін.; НАН України, НТШ. Київ: Інститут енциклопедичних досліджень НАН України, 2020. URL: https://esu.com.ua/search_articles.php?id=71836 (дата звернення: 22.10.2021)