Виктор Балабанов - Нанотехнологии. Правда и вымысел
В обычных условиях на перестройку всей концепции создания процессоров и микросхем ушло бы лет 50. Однако у человечества нет такого запаса времени. Необходимость скорейшего перехода на новые концепции схемотехники обусловлена тем, что кремниевые технологии уже практически исчерпали себя, а создать что-то принципиально новое на имеющейся технологической базе практически невозможно.
Однако, по данным социологических исследований, проведенных в 2005 году, лишь 13,9 % населения мира имеют доступ к Интернету. Отсутствие возможности использовать информационные ресурсы и технологии большинством жителей Земли отрицательно сказывается на уровне образования, межкультурных коммуникациях и росте экономического благосостояния. Нанотехнологии позволят решить эту проблему за счет значительного снижения цены и повышения качества элементов памяти, мониторов, процессоров, элементов на солнечных батареях, встроенных информационных систем и т. д.
Вследствие действия различных факторов (как геометрических, так и физических) вместе с уменьшением размеров (повышением компактности) объектов значительно уменьшается и продолжительность протекания разнообразных процессов в конкретной системе, то есть возрастает ее потенциальное быстродействие. При дальнейшем значительном сокращении размеров в поведении электронов начинают преобладать свойства волны, а не частицы. Вступают в действие законы квантовой механики, на смену битам приходят квантовые биты (qubit).
В 2004 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории (Los Alamos National Laboratory) Ричард Шаллер (Richard Schaller) и Виктор Климов (Victor Klimov) экспериментально наблюдали в кристаллах селенида свинца нанометровых размеров явление, при котором при поглощении фотона создавались две электронно-дырочные пары.
Данное явление послужило толчком не только для исследований и разработки высокоэффективных солнечных модулей, но и создания концепции дисплея на квантовых точках.
В июне 2006 года американская компания QD Vision, созданная учеными Массачусетского технологического института, сообщила о создании первого в мире монохромного дисплея на квантовых точках (с разрешением 32x64 пикселя и толщиной 1,6 мм), излучающего красное свечение. Монохромность экрана генерировалась квантовыми точками размером всего около 5 нм.
Немаловажными достоинствами квантового дисплея являются отсутствие подсветки и (в связи с этим) пониженное энергопотребление, возможность отображения истинно черного цвета, недоступного жидкокристаллическим экранам, а также значительно более высокий спектр (до 30 %) отображаемой цветовой палитры.
Японские корпорации Fujitsu и Mitsui создали совместное предприятие QD Lasers, Inc. для создания коммуникационных лазеров на основе квантовых точек. В состав предприятия вошли специалисты Токийского университета, которые еще в 2004 году продемонстрировали квантовый лазер, передающий данные на скорости в 10 Гбит/с. Принципиальная схема устройства заключается в чередовании нескольких слоев арсенида галлия и арсенида индия с внедренными в него квантовыми точками (рис. 54).
Рис. 54. Принципиальная схема квантового дисплея: 1 – квантовые точки (InAs); 2 – полупроводник п-типа (GaAs); 3 – электрический ток; 4 – управляющие электроды; 5 – полупроводниковый раствор (GaAs)
Важнейшей положительной характеристикой лазерного излучения является строго определенная (когерентная) длина волны. Поэтому квантовые лазеры уже применяются в приборах массового потребления в качестве оптических дисководов Blu-ray и HD-DVD. Возможность создания компактного синего лазера появилась именно после конструирования монохромных лазеров на базе квантовых точек.
Однако следует отметить, что пока дисплеи на квантовых точках только разрабатываются, их основные конкуренты – дисплеи на органических и электролюминесцентных диодах (OLED-дисплеи) – уже являются реальным коммерческим продуктом.
Пионером разработок явилась компания Eastman Kodak. Органический дисплей, совместно разработанный в 2003 году компаниями Kodak и Sony, характеризовался следующими параметрами: размер экрана – 5,5 см, разрешение 521x218 пикселов, энергопотребление – 450 мВт, масса – всего 8 г при угле обзора 165°.
Японская компания Sanyo Electric первой применила дисплей в мобильных телефонах. В настоящее время работы многих компаний мира направлены на создание OLED-дисплеев для телевизионной техники и компьютерных мониторов. Так, специалисты тайваньской компании Chi Mei создали опытный образец с размером диагонали 50 см. Впечатляют успехи компании Samsung, создавшей телевизионный экран с диагональю 100 см с максимальной яркостью 600 кд/м2 и контрастностью 500:1.
По данным консультативной компании DisplaySearch, уже в первом квартале 2007 года в мире было продано порядка 19 млн OLED-дисплеев, что в 1,5 раза больше по сравнению с аналогичным периодом 2006 года. Это и понятно – OLED-дисплеи много дешевле жидкокристаллических дисплеев в отношении применяемых материалов и используемых технологий. По ряду прогнозов и оценок, к 2010 году улучшение параметров OLED-дисплеев по сравнению с уровнем разработок 2007 года составит от 5 до 50 %.
Конструктивно OLED-дисплеи напоминают квантовые дисплеи и состоят из тонких органических пленок, установленных между двумя тонкопленочными проводниками. Существуют две основные технологии изготовления дисплеев (осаждения органических материалов на подложку): нанесение жидких полимерных соединений со сравнительно большим размером молекул, а также конденсация низкомолекулярных соединений из паровой фазы. Цветность, эффективность и интенсивность излучения при этом в основном зависят от применяемых органических материалов.
Современные технологии уже позволяют создавать прозрачные OLED-дисплеи, изображение на которых наблюдается с обеих сторон. Прозрачность таких устройств, находящихся в нерабочем состоянии, достигает 70 % от обыкновенного стекла, что позволяет размещать их на ветровых стеклах самолетов и автомобилей, на окнах. Более того, подобные дисплеи можно вмонтировать даже непосредственно в линзы специальных очков суперагента ЦРУ, как в боевике «Миссия невыполнима-2».
Комбинация таких экранов на лобовом стекле и специальных камер, передающих на них изображение, позволит, например, пилотам самолетов или автомобилистам свободно двигаться без включения фар и освещения даже в ночное время.
Исследования и разработка органических светодиодов в России ведутся в ОАО «НИИМЭ и завод «Микрон», НИИФП им. Ф. В. Лукина, НИИ «Волга» совместно с ОАО «Ангстрем» и НП «Поли-Эл».
Известно, что все многослойные нанотрубки – полупроводники. В декабре 2005 года было опубликовано официальное сообщение Международной ассоциации производителей полупроводников (International Technology Roadmap for Semiconductors) от имени Международного комитета производителей. В нем говорится о начале перехода к посткремниевой эре в схемотехнике. В ближайшие 10–15 лет может начаться массовый переход с кремния (основного материала в производстве полупроводниковых устройств) на углеродные нанотрубки. Так, фирма Fujitsu уже предложила практически пригодные радиаторы для охлаждения мощных процессоров, где использованы достижения нанотехнологий. Известный производитель жестких магнитных дисков, компания Seagate, запатентовала технологию повышения плотности записи при помощи нанотрубок в качестве смазочного материала. Дело в том, что плотность записи можно повысить путем сокращения зазора между считывающе-записывающими головками и самой магнитной поверхностью-носителем. Seagate предлагает ввести головки практически в полный контакт с магнитной поверхностью, например диском, разделив их тончайшим слоем смазочного материала на основе нанотрубок. Специальный лазер будет подогревать часть пластины, где работает считывающая головка, что позволит повысить точность ориентации магнитных частиц. Предполагается, что таким образом можно будет создавать достаточно компактные и недорогие накопители информации емкостью несколько тысяч терабайт.
В Российской Федерации разработку и исследования приборов на базе углеродных нанотрубок ведут специалисты НИИ «Волга» (Саратов), а материалы для их получения разрабатываются в ИОФАН, МГУ, ИРЭ РАН. В Саратовском отделении ИРЭ РАН предложена технология получения углеродных нанотрубок методом магнетронно-плазменного распыления графита, а также разработан метод легирования нанокластерами олова в процессе роста углеродных нанокластерных пленок. Такие легированные структуры, полученные в газоразрядной плазме и неоднородных магнитных полях, значительно увеличивают срок службы и рабочий ток углеродных пленок.
