Новости нанотехнологий

Прозрачные пленки из нанотрубок

Для производства гибких компьютерных мониторов нужны такие электронные компоненты, которые были бы и электропроводными, и гибкими, и прозрачными.

Исследователи из Университета Флорида (США) и ученые из Венгерской академии наук разработали технологию производства гибких прозрачных пленок из однослойных нанотрубок. При этом пленка является электропроводной. Прозрачные и гибкие дисплеи на основе нанотрубок могут использоваться в компьютерной технике, инфракрасных камерах, мобильных телефонах, электронной бумаге и т.д.

Технология изготовления пленок проста: исследователи погрузили нанотрубки в жидкость, а затем профильтровали раствор на специальном мембранном фильтре, который потом растворили. В итоге получилась пленка, состоящая из электропроводных нанотрубок и гибкого пластикового субстрата.

Как утверждают исследователи, толщину пленки можно изменять с нанометровой точностью. Сейчас же ученые изготовили пленочный диск диаметром 10 см и толщиной всего от 50 до 150 нм.

Пленка толщиной в 50 нм пропускает 70% видимого света и 90% инфракрасного.

Исследователи использовали пленку для того, чтобы сделать "оптический транзистор", который изменяет свою прозрачность в зависимости от присутствия электрического поля. Производственный процесс нанотрубочных нанопленок может быть налажен уже через два года, сообщают ученые. Они описали свою работу в августовском выпуске Science.

Проект наномеханического вентиля

Для того, чтобы разработать работоспособные наносистемы (редукторы, подшипники и др.), необходимо иметь математическую модель, которая учитывает взаимодействия отдельных атомов. Но так как эти устройства обычно состоят из нескольких тысяч атомов, то математическое моделирование такой сложной системы представляет определенные трудности.

Ученые из Калифорнийского института технологии нашли компромисс: они соединили классические инженерные приемы с молекулярным моделированием для того, чтобы спроектировать нано-механический вентиль для жидкостей. Это устройство может с успехом использоваться в доставке лекарств, биологических и химических тестах, в качестве инжектора для микро- и нанодвигателей, и даже в струйных принтерах.

Основа вентиля ‑ кремниевая однослойная нанотрубка. Она играет роль "шланга", по которому протекает жидкость. На нанотрубку опирается консоль, которая может давить на нанотрубку. Как только необходимо прекратить протекание жидкости через нанотрубку, консоль деформируется, пережимая нанотрубку настолько, что жидкость не течет.

Консоль покрыта сверху органическим слоем акриловой кислоты. Все устройство будет находиться в жидкости с изменяющимся рН. Как только рН окружающей среды повысится, суммарный заряд консоли будет негативным (вследствие отбора протонов органического слоя). Этот избыточный отрицательный заряд может вызвать деформацию консоли. Как только рН вернется в норму, органический слой получит дополнительные протоны, и консоль выпрямится (рис. 1). Для нанесения акрилового слоя на кремниевую консоль ученые предлагают использовать специально модифицированную кремниевую поверхность – Si (100).

Рис. 1. Принцип действия наномеханического вентиля

В этом проекте исследователи использовали классические инженерные методики для определения конструкции устройства и молекулярное моделирование для того, чтобы узнать, как нанотрубка поведет себя под действием нагрузки со стороны консоли. Размер управляемого вентиля будет от 34,5 до 70 нм в длину, а все устройство целиком будет состоять из 75000 атомов.

Для производства прототипа устройства нужно решить еще ряд технологических проблем: нанесение органического слоя на кремниевую консоль; соединение консоли с нанотрубкой, а также производство и соединение с вентилем резервуара жидкости.

Одно из применений нового устройства ‑ наносборка. Точные порции "строительного материала" могут доставляться непосредственно к наноманипуляторам и молекулярным конвейерам.

Струйные принтеры с высоким разрешением печати смогут появиться на рынке уже через три года после производства прототипа вентиля. А вот использования его в доставке лекарств можно ожидать только через 10 лет.

Однако прототип устройства будет создан не ранее, чем через год, ‑ так заявляют ученые из Калифорнийского института технологии.

Наномеханическая память вскоре заменит традиционную магнитную

Новая технология не предполагает возврата к перфокартам и подобным немагнитным способам хранения информации. С 2000 г. профессор физики Бостонского университета Притирэй Моханти старался создать более эффективные системы хранения информации на основе наномеханических осцилляторов. Моханти изготовил механические ячейки памяти из кремния, которые в 1000 раз меньше диаметра человеческого волоса.

Если использовать эти наноустройства в качестве элементов хранения информации, то полученная механическая память будет выгоднее по плотности информации, чем современные электромагнитные системы. Моханти заявил, что механопамять обгонит по емкости даже те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям изготовления приближаются к физическому пределу плотности информации для магнитных устройств. Механопамять может работать, выполняя миллионы и миллиарды циклов в секунду. Также Моханти сказал, что механические ключи новой памяти потребляют в миллион раз меньше энергии, чем их электронные аналоги. "Это будущий новый игрок на рынке устройств хранения информации", ‑ сказал Моханти ‑ "Взяв старые принципы за основу и воспользовавшись последними достижениями в области МЭМС- и нанотехнологий, мы может производить компьютерную память, которая будет быстрее, дешевле и меньше современной электронной. Эти наномеханические устройства ‑ новое слово в области хранения данных".

С помощью электронно-лучевой литографии исследователи сделали "шаблон" для матрицы механических ключей и вытравили их из монокристаллического слоя кремния, покрытого слоем оксида кремния. Электронно-лучевая литография уже давно используется МЭМС- и нанотехнологами в качестве основного производственного инструмента. Она также является основным инструментом для производства микроэлектронных схем; ею пользуются при массовом производстве микросхем и процессоров. Так что для массового производства механопамяти не нужно будет использовать дополнительные устройства, готовый продукт можно производить на уже имеющемся оборудовании (рис. 2).

Рис. 2. Основа механопамяти ‑ осциллятор

Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометровых размеров, которая при воздействии на ее концы высокочастотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) изгибается. При определенной амплитуде напряжения струна принимает одно из конечных состояний ("1" или "0"), что как раз нужно для хранения информации.

Маленькие размеры устройства позволяют ему достичь высокочастотных вибраций (в опытах ‑ до 23,57 МГц). Эта частота отражает скорость чтения записанной информации. Для сравнения, винчестеры в современных ноутбуках характеризуются скоростью считывания информации в несколько сотен килогерц (тысяча циклов в секунду). Исследователи заверяют, что наномеханические ключи могут достичь скорости до миллиарда циклов в секунду. При этом их размеры могут быть меньше тех, которые изготовлены экспериментально Моханти и командой.

Другие преимущества наномеханики перед наноэлектроникой заключаются в том, что диапазон вибрации наноструны составляет несколько ангстремов. Для вибрации в таком диапазоне устройство потребляет всего несколько фемтоватт электроэнергии, в то время как современные ключи потребляют милливатты. Механическая память также свободна от ограничений суперпарамагнитного эффекта, который определяет граничные размеры магнитной памяти. Память на механотранзисторах может существенно превысить плотность хранения информации около 100 Гбит на квадратный дюйм.

Техническое описание новой технологии, характеристики и изображения механических ячеек памяти даны в выпуске Applied Physics Letters от 18 октября. Работы финансировались грантом от программы по нанотехнологическим исследованиям National Science Foundation, а также грантом от Министерства обороны.

Наноэлектромеханический одноэлектронный транзистор с "механической рукой"

Профессором Робертом Бланком из Висконсина (США) и его коллегой Домиником Шебли из Мюнхенского университета (Германия) создан принципиально новый электромеханический одноэлектронный транзистор с "механической рукой", которая переносит отдельные электроны от истока к стоку.

Ранее (в 2001 г.) Блайк уже представлял рабочий электромеханический осциллятор, который вибрировал в диапазоне радиочастот и мог переносить отдельные электроны от одного электрода к другому при активации "механической руки" устройства (т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на рис. 3.

Рис. 3. Наномеханический осциллятор Блайка

В центре устройства ‑ вибрирующий маятник, который был назван Блайком "электронным челноком", а журналистами ‑ "механической рукой". Если между точками G1 и G2 приложить переменное напряжение, то маятник будет колебаться с частотой, пропорциональной частоте переменного напряжения. В рабочем устройстве маятник колебался с частотой в 100 МГц. Маятник С электрически изолирован от электродов Gl, G2, S и D и заземлен. Электроды S и D представляют собой исток и сток транзистора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносится один электрон, который затем передается с помощью колебаний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов I_SD.

Осциллятор исследователи изготовили из кремния по технологии SOI (silicon-on-insulator). Устройство производилось в несколько этапов. Сначала исследователи с помощью электронно-лучевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золотую маску, которая повторяла геометрию устройства а также алюминиевую маску травления (для тех участков на матрице, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник (посредством комбинации мокрого и сухого травления). И в заключение, исследователи вытравили туннельные контакты маятника (с точностью до 10 нм).

Первые опыты по запуску транзистора исследователи провели при комнатной температуре. Напряжение, приводящее в движение маятник, было ± 3 В. Путем изменения частоты маятника исследователи определили оптимальные значения для переноса электронов маятником. Расстояние между электродами S и D составило 300 нм, а емкость перехода S ‑ D составила 84 аттофарады. При напряжении V_SD = +1 В маятник мог перенести +527 электронов. Но это довольно много. Изменив напряжение, подаваемое на транзистор, Блайк добился эффекта переноса отдельного электрона. Далее исследователи снизили температуру устройства до 12 К. И тут они обнаружили, что устройство ведет себя по-другому. Протестировав транзистор на ряде значений напряжения V_SD (от 0 до 10 мВ) и изменяя частоту вибрации маятника, они обнаружили, что при частоте вибрации "механической руки" в 120 МГц он ведет себя как и при комнатной температуре. Видимо, это объяснялось влиянием тепловых эффектов, которые сильно проявлялись при комнатной температуре. Дальнейшее снижение температуры до 4 К не дало никаких результатов ‑ транзистор отказал, так как его маятник стал жестче и потерялся туннельный контакт между электродами S и D.

В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100000 электронов для того, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.

Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радиоактивности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника.

Летом 2004 г. Блайк и Шебли разработали технологию, по которой производить такой транзистор стало проще. Транзистор 2001 года нельзя было поставить на поток, а транзистор 2004 года ‑ можно. Производство по новой технологии сводится всего к двум шагам: электронной литографии и травлению. Как говорит Блайк: "Почему мы не додумались до этого раньше [в 2001] ‑ никак не можем понять". Ученые запатентовали производственный процесс и сам транзистор.

Созданы электропроводящие нанотрубки максимальной длины

Специалисты из университета Калифорнии в Ирвайне создали самые длинные в мире электропроводящие нанотрубки. Длина этих углеродных нанотрубок (фактически ‑ сверхбольших молекул) ‑ 0,4 см. Ранее мы уже сообщали о том, как исследователям удалось создать обычные нанотрубки длиной 4 см, но они плохо проводили электричество.

Новая длина нанотрубок в 10 раз больше прежнего рекорда. Также полученные трубки оказались замечательными проводниками, превосходящими по электрическим свойствам медь. Работали над проектом ученые Питер Берк, Кристофер Рутгерлен и Жен Ю.

Ученые получили рекордные молекулы, нагнетая в специальную печь природный газ. В печь подавали наночастицы железа, с которыми реагировал газ. В итоге удалось синтезировать углеродные нанотрубки, которые осаждались на золотой подложке, представлявшей собой скопление тонких проводников. Присутствие золотой подложки и наночастиц железа позволило создать длинные нанотрубки.

Трубки повисали между отдельными золотыми электродами, к которым потом и подводили ток исследователи. На рисунке можно увидеть матрицу золотых проводников, между которыми росли нанотрубки. Эта работа ‑ важный шаг на пути к созданию новых типов вычислительных устройств и компьютерной памяти.

Исследователи доложили о своем открытии в сентябрьском выпуске журнала Nano Letters.

Сверхточный детектор массы и силы на основе нанотрубки

Физики из Университета Корнелла (США) сделали электромеханический резонатор нано-метровых размеров, способный детектировать малые значения прикладываемой к нему силы. В качестве "рабочего органа" резонатора исследователи использовали нанотрубку (рис. 4), расположенную между двумя золотыми электродами (V. Sazonova и др. 2004 Nature 431 284).

Рис. 4. Геометрия устройства и диаграмма
расположения нанотрубки на электродах.
Масштабная метка – 300 нм

Размеры канавки, через которую протянута нанотрубка: 1,5 мкм в длину и 500 нм в ширину (геометрия канавок вынесена штриховыми линиями).

Наноэлектромеханические системы (НЭМС) такого типа могут быть полезны при конструировании различных ультрачувствительных масс-детекторов и детекторов силы. В таких устройствах "рабочий орган" сенсора изменяет свое положение в зависимости от воздействия на него внешней силы.

Эта симуляция (рис. 5) отображает первые четыре резонансные состояния нанотрубки, жестко закрепленной с двух сторон. В. Сазонова и П. МакЮн рассчитали эти состояния, и показали, что их можно "подстроить" под широкий спектр частот.

Рис. 5. Первые четыре резонансные
состояния нанотрубки

Углеродные нанотрубки ‑ идеальные кандидаты для рабочего органа такого устройства, так как у них большая упругость. Это позволяет нанотруб-ке колебаться в широком диапазоне частот, а это, в свою очередь, необходимо для квантово-механических устройств. Более того, нанотрубка может работать в качестве транзистора, что позволило исследователям определить частоту ее колебаний и смещения относительно положения покоя. Все сказанное выше характеризует однослойную углеродную нанотрубку как универсальный детектор массы и силы. В детекторе исследователи использовали нанотрубку диаметром 1...4 нм.

Пол МакЮн и его коллеги сделали детектор следующим образом: между двумя электродами, расположенными на желобке из оксида кремния, протянули нанотрубку, жестко закрепленную на концах. В результате получился транзистор. Электроды были стоком и истоком, а подложка с канавкой из оксида кремния ‑ затвором. Далее, изменяя напряжение на электродах, физики из Корнелла добились оптимального натяжения нанотрубки (за счет электростатического притяжения к затвору), а также заставили ее вибрировать. Теперь, измеряя изменения электрической емкости между нанотрубкой и затвором, можно было установить, насколько нанотрубка отклоняется от положения покоя, или же измерить частоту вибрации нанотрубки.

МакЮн и его команда смогли измерить резонансные частоты нанотрубки от 3 до 200 МГц. Также они смогли измерить смещение нанотрубки всего на 0,5 нм от положения равновесия. На сегодняшний день это лучшие результаты измерения массы, достигнутые при комнатной температуре.

Так как частота вибрации нанотрубки представляет собой функцию от ее массы, то добавление к этой массе посторонней массы изменит частоту колебаний. Проще говоря ‑ если соединить с нанотрубкой очень маленький предмет, то можно будет его взвесить! Ранее на кремниевых кантилеверах можно было взвесить бактерию или вирус. Теперь, как говорит МакЮн, с помощью нового детектора "Мы достигли границы в измерениях массы ‑ теперь с помощью нашего устройства (наверняка при его модификации ‑ прим. переводчика) можно будет взвешивать отдельные атомы".

Исследователи проводили измерения в вакууме. В воздухе большое число разных молекул будет сталкиваться с нанотрубкой, или даже абсорбироваться с ней, изменяя ее массу. Поэтому, как сказал МакЮн, одно из применений сенсора, которое лежит "на поверхности", ‑ детектирование газов.

Ю.Г.Свидиненко