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. барʼєр 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 заводів із виготовле­н­ня мікросхем, Київ. НДІ мікро­приладів та КБ при кожному виробництві. Фундам. дослідж. здійснювали в академ. ін­ститутах, 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 виробництво 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. виробництво інтеграл. схем і під­твердже­н­ням цього є інформація, що обʼ­єд­навши 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 світової 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 керівництвом 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. спів­робітництва з країнами Європи, Азії, Америки. Одним із небагатьох сучасних прикладів високого потенціалу укр. роз­робок з нанотехнологій є дослідж., повʼя­зані 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, Міністерства освіти і науки України, грантів між­нар. наук. фондів та конт­рактів із пром. під­приємствами. 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 під­приємств. Мікро- та нано­електрон­не виробництво здатне виготовляти практично будь-­яку номенклатуру приладів для всіх галузей промисловості. 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.

Завантажити статтю