Как работают нанопроволоки

В 1965 году инженер Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов в интегральной схеме - предшественнице микропроцессора - будет удваиваться примерно каждые два года. Сегодня мы называем это предсказание законом Мура , хотя на самом деле это вообще не научный закон. Закон Мура - это скорее самоисполняющееся пророчество о компьютерной индустрии. Производители микропроцессоров стремятся соответствовать прогнозам, потому что, если они этого не сделают, их конкуренты сделают это [источник: Intel ].

Галерея изображений нанотехнологий

Чтобы разместить на кристалле больше транзисторов, инженерам приходится разрабатывать транзисторы меньшего размера. На первом чипе было около 2200 транзисторов. Сегодня сотни миллионов транзисторов могут уместиться на одной микросхеме микропроцессора. Несмотря на это, компании полны решимости создавать все более крошечные транзисторы, втискивая больше в более мелкие микросхемы. Уже существуют компьютерные микросхемы с транзисторами нанометрового размера (наноразмер составляет от 1 до 100 нанометров - нанометр составляет одну миллиардную часть метра). Будущие транзисторы должны быть еще меньше.

Представляем нанопроволоку, структуру с удивительным соотношением длины к ширине . Нанопроволока может быть невероятно тонкой - можно создать нанопроволоку диаметром всего один нанометр, хотя инженеры и ученые, как правило, работают с нанопроводами шириной от 30 до 60 нанометров. Ученые надеются, что вскоре мы сможем использовать нанопроволоки для создания транзисторов наименьшего размера, хотя на этом пути есть довольно серьезные препятствия.

В этой статье мы рассмотрим свойства нанопроволок. Мы узнаем, как инженеры создают нанопроволоки и какой прогресс они достигли в создании электронных микросхем с использованием транзисторов с нанопроволокой. В последнем разделе мы рассмотрим некоторые из потенциальных применений нанопроволок, в том числе в некоторых медицинских целях.

В следующем разделе мы исследуем свойства нанопроволок.

­

Насколько Тонкий Тонкий?

Человеческие волосы обычно имеют ширину от 60 до 120 микрометров. Предположим, вы нашли исключительно тонкие волосы шириной 60 микрометров. Микрометр равен 1000 нанометров, поэтому вам придется обрезать эти волосы по крайней мере 60 000 раз, чтобы получилась прядь толщиной в один нанометр.

1. Свойства нанопроволоки
2. Построение нанопроводов сверху вниз
3. Растущие нанопроволоки
4. Приложения Nanowire

В зависимости от того, из чего он сделан, нанопроволока может иметь свойства изолятора, полупроводника или металла. Изоляторы не несут электрический заряд, а металлы очень хорошо переносят электрический заряд. Полупроводники находятся между ними, неся заряд при правильных условиях. Размещая полупроводниковые провода в правильной конфигурации, инженеры могут создавать транзисторы, которые действуют как переключатель или усилитель .

Некоторые интересные - и нелогичные - свойства, которыми обладают нанопроволоки, обусловлены их малым размером. Когда вы работаете с объектами наномасштаба или меньше, вы начинаете входить в сферу квантовой механики. Квантовая механика может сбивать с толку даже специалистов в данной области, и очень часто она бросает вызов классической физике (также известной как физика Ньютона).

Например, обычно электрон не может пройти через изолятор. Однако, если изолятор достаточно тонкий, электрон может переходить с одной стороны изолятора на другую. Это называется электронным туннелированием , но само название не дает вам представления о том, насколько странным может быть этот процесс. Электрон проходит от одной стороны изолятора к другой, фактически не проникая в сам изолятор и не занимая пространство внутри изолятора. Можно сказать, что он телепортируется с одной стороны на другую. Вы можете предотвратить туннелирование электронов, используя более толстые слои изолятора, поскольку электроны могут перемещаться только на очень небольшие расстояния.

Еще одно интересное свойство состоит в том, что некоторые нанопроволоки являются баллистическими проводниками . В нормальных проводниках электроны сталкиваются с атомами в материале проводника. Это замедляет движение электронов и выделяет тепло в качестве побочного продукта. В баллистических проводниках электроны могут проходить через проводник без столкновений. Нанопроволоки могут эффективно проводить электричество без побочного продукта в виде сильного тепла.

В наномасштабе элементы могут отображать совершенно другие свойства, чем мы ожидали. Например, золото в массе имеет температуру плавления более 1000 градусов по Цельсию. Уменьшая объемное золото до размера наночастиц, вы уменьшаете его точку плавления, потому что, когда вы уменьшаете любую частицу до наномасштаба, происходит значительное увеличение отношения поверхности к объему. Кроме того, в наномасштабе золото ведет себя как полупроводник, но в массивной форме оно является проводником.

Другие элементы также странно ведут себя на наномасштабе. В массе алюминий не является магнитным , но очень маленькие кластеры атомов алюминия являются магнитными. Свойства элементов, с которыми мы знакомы в нашем повседневном опыте - и ожидаемые нами способы их поведения - могут не применяться, когда мы уменьшаем эти элементы до размера нанометра.

Мы все еще изучаем различные свойства различных элементов в наномасштабе. Некоторые элементы, такие как кремний, не сильно меняются на наноразмерном уровне. Это делает их идеальными для транзисторов и других приложений. Другие по-прежнему остаются загадочными и могут отображать свойства, которые мы не можем предсказать прямо сейчас.

В следующем разделе мы узнаем, как инженеры делают нанопровода.

Углеродные нанотрубки и квантовые точки

Нанопроволоки - это только одна интересная структура, которую инженеры и ученые исследуют в наномасштабе. Два других важных наноразмерных объекта - углеродные нанотрубки и квантовые точки. Углеродная нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру, которая выглядит как свернутый лист графита. Его свойства зависят от того, как вы катите графит в цилиндр - свернув атомы углерода в одну сторону, вы можете создать полупроводник. Но прокатка их другим способом может сделать материал в 100 раз прочнее стали. Квантовые точки - это совокупность атомов, которые вместе действуют как один гигантский атом, хотя под гигантом мы все еще говорим о наномасштабе. Квантовые точки - это полупроводники.

Специалисты Нанонауки говорить о двух различных подходах к построению вещей в наноуровне: в нисходящем подходе и подходе снизу вверх . Подход «сверху вниз» по сути означает, что вы берете большое количество материала, который планируете использовать для нанопроволок, и вырезаете его, пока не получите нужный размер. Подход снизу вверх - это процесс сборки, при котором более мелкие частицы соединяются, образуя более крупную структуру.

Хотя мы можем создавать нанопровода, используя любой из подходов, никто не нашел способа сделать возможным массовое производство. Прямо сейчас ученым и инженерам придется потратить много времени, чтобы сделать меньшее количество нанопроволок, которое им потребуется для микропроцессорного чипа. Еще более сложная задача - найти способ правильно расположить нанопроволоки после того, как они построены. Маленькие масштабы очень затрудняют автоматическое построение транзисторов - прямо сейчас инженеры обычно устанавливают провода на место с помощью инструментов, наблюдая за всем в мощный микроскоп .

Примером нисходящего подхода является способ, которым ученые создают волоконно-оптические нанопроволоки. Волоконно-оптические провода несут информацию в виде света . Чтобы сделать волоконно-оптическую нанопроволоку, инженеры сначала начинают с обычного оптоволоконного кабеля. Существует несколько различных подходов к уменьшению размеров волоконно-оптического кабеля до наномасштаба. Ученые могли нагреть стержень из сапфира, обернуть кабель вокруг стержня и натянуть кабель, растягивая его до тонкости, чтобы создать нанопроволоку. В другом методе используется крошечная печь, сделанная из небольшого сапфирового цилиндра. Ученые протягивают оптоволоконный кабель через печь и растягивают его в тонкую нанопроволоку. В третьей процедуре, называемой очисткой пламенем, используется пламя.под оптоволоконным кабелем, пока ученые его протягивают [источник: Жилберто Брамбилла и Фей Сюй ].

В следующем разделе мы рассмотрим, как ученые могут выращивать нанопровода снизу вверх.

Глядя на наномасштаб

Микроскоп наноученого отличается от того, что вы найдете в химической лаборатории средней школы. Когда вы переходите к атомному масштабу, вы имеете дело с размерами, которые на самом деле меньше длины волны видимого света. Вместо этого наноученый мог использовать сканирующий туннельный микроскоп или атомно-силовой микроскоп . Сканирующие туннельные микроскопы используют слабый электрический ток для исследования сканируемого материала. Атомно-силовые микроскопы сканируют поверхности с помощью невероятно тонкого наконечника. Оба микроскопа отправляют данные на компьютер , который собирает информацию и графически проецирует ее на монитор .

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) является примером восходящего подхода. В общем, CVD относится к группе процессов, в которых твердые частицы образуются из газовой фазы. Ученые наносят катализаторы (например, наночастицы золота) на основу, называемую субстратом . Катализаторы действуют как место притяжения для образования нанопроволоки. Ученые помещают подложку в камеру с газом, содержащим соответствующий элемент, такой как кремний, и всю работу выполняют атомы газа. Сначала атомы в газе присоединяются к атомам в катализаторах, затем к этим атомам присоединяются дополнительные атомы газа и так далее, образуя цепочку или проволоку. Другими словами, нанопроволоки собираются сами.

Новый способ создания нанопроволок - их печать прямо на соответствующей подложке. Команда исследователей из Цюриха впервые применила этот метод. Во-первых, они вырезали кремниевую пластину так, чтобы выступающие части на пластине совпадали с тем, как они хотели расположить нанопроволоки. Они использовали пластину как штамп, прижимая ее к синтетическому каучуку, называемому PDMS . Затем они протянули жидкость, наполненную наночастицами золота, называемую коллоидной суспензией , через PDMS. Частицы золота оседали в каналах, созданных штампом кремниевой пластины. Теперь ПДМС превратилась в форму, способную переносить «отпечаток» золотых нанопроволок на другую поверхность. Формы PDMS могут использоваться повторно и могут сыграть роль в массовом производстве схем на основе нанопроволоки в будущем [источник:Природные нанотехнологии .

Несколько лабораторий создали транзисторы с использованием нанопроволоки, но их создание требует много времени и рабочей силы. Транзисторы на основе нанопроволоки работают так же или лучше, чем транзисторы тока. Если ученые смогут найти способ создания и эффективного соединения транзисторов на основе нанопроволоки, это откроет путь к меньшим и более быстрым микропроцессорам , что позволит компьютерной индустрии не отставать от закона Мура. Компьютерные чипы будут становиться все меньше и мощнее.

Исследования в области производства нанопроводов продолжаются во всем мире. Многие ученые считают, что появление реального способа массового производства нанопроволоки и транзисторов на основе нанопроволоки - лишь вопрос времени. Надеюсь, если и когда мы достигнем этой точки, у нас также будет способ расположить нанопровода так, как мы хотим, чтобы мы могли использовать их в полной мере.

В следующем разделе мы узнаем о потенциальных приложениях нанопроволоки.

Натуральные нанопроволоки, выращенные в домашних условиях

До недавнего времени ученые считали, что все нанопроволоки созданы человеком, но пару лет назад биологи обнаружили, что бактерии могут выращивать собственные нанопроволоки. Бактерия под названием Geobacter Sulfurreducens сбрасывает электроны на атомы металлов (электроны являются побочным продуктом потребления топлива бактериями). Если в среде бактерии не хватает металла, у нее вырастет отросток нанопроволоки, который будет проводить электроны к ближайшему металлу, позволяя бактерии потреблять больше топлива. Ученые надеются создать органические топливные элементы, используя такие бактерии, как Geobacter Sulfurreducens, для производства электроэнергии .

Возможно, наиболее очевидное применение нанопроводов - это электроника. Некоторые нанопровода являются очень хорошими проводниками или полупроводниками , а их крошечный размер означает, что производители могут установить на один микропроцессор миллионы транзисторов . В результате скорость компьютера резко увеличится.

Нанопроволоки могут играть важную роль в области квантовых компьютеров . Группа исследователей из Нидерландов создала нанопроволоки из арсенида индия и прикрепила их к алюминиевым электродам . При температурах, близких к абсолютному нулю, алюминий становится сверхпроводником , что означает, что он может проводить электричество без какого-либо сопротивления. Нанопроволоки также стали сверхпроводниками из-за эффекта близости . Исследователи могли контролировать сверхпроводимость нанопроволок, пропуская различные напряжения через подложку под проводами [источник: New Scientist ].

Нанопроволоки также могут играть важную роль в наноразмерных устройствах, таких как нанороботы . Врачи могут использовать нанороботов для лечения таких заболеваний, как рак . Некоторые конструкции нанороботов имеют бортовые системы питания, которым потребуются такие структуры, как нанопроволоки, для генерации и проведения энергии.

Используя пьезоэлектрический материал, наноученые могли создавать нанопроволоки, которые генерируют электричество из кинетической энергии . Пьезоэлектрический эффект - это явление, которое проявляют некоторые материалы: когда вы прикладываете физическую силу к пьезоэлектрическому материалу, он излучает электрический заряд. Если вы приложите электрический заряд к этому же материалу, он начнет вибрировать. Пьезоэлектрические нанопроволоки в будущем могут обеспечивать энергией наноразмерные системы, хотя в настоящее время они не имеют практического применения.

Существуют сотни других потенциальных применений нанопроволоки в электронике. Исследователи в Японии работают над атомными переключателями, которые когда-нибудь могут заменить полупроводниковые переключатели в электронных устройствах. Ученые из Национальной лаборатории возобновляемой энергии надеются, что коаксиальные нанопроволоки улучшат энергоэффективность солнечных элементов . Поскольку мы все еще изучаем свойства нанопроволок и других наноразмерных структур, могут быть тысячи приложений, которые мы еще даже не рассматривали.

Чтобы узнать больше о нанопроводах и связанных темах, перейдите по ссылкам на следующей странице.

Нанопроволоки в медицине

Не все применения нанопроводов находятся в области электроники. В Университете Арканзаса исследователи используют нанопроволоки для покрытия титановых имплантатов. Врачи обнаружили, что мышечная ткань иногда плохо прилегает к титану, но, когда она покрыта нанопроволокой, ткань может закрепиться на имплантате, снижая риск отказа имплантата.

Ученые из Института сердечно-сосудистых заболеваний Гладстона экспериментируют с нанопроводами и стволовыми клетками . Они надеются, что, пропуская электрический ток через нанопроволоку в стволовую клетку, они смогут управлять дифференцировкой клетки [источник: лаборатория Беркли ].

Статьи по Теме

Больше отличных ссылок