Нанопровода для наносхем

Одна из существенных особенностей нанотехнологий заключается в том, что при формировании микросхем вместо литографического процесса используется так называемая "самосборка". Структуры наносхемы -- результат химических взаимодействий между кирпичиками-молекулами, которые самостоятельно образуют нужные конфигурации, притягиваясь друг к другу подобно тому, как вирусы находят по форме акцептора клетки-жертвы.

Чарльз Либер -- ведущий исследователь в области нанопроводов

Чарльз Либер (Charles M. Lieber), руководитель коллектива исследователей и идейный вдохновитель работ по созданию нанопроводов -- известный в научном мире человек. Статья, написанная сотрудниками его лаборатории, находится на четвертом месте в списке самых популярных публикаций по химии, а в личном зачете он оказался в пятерке наиболее цитируемых авторов в области нанотехнологий.

Плод многолетних усилий коллектива, руководимого Ч. Либером, -- тончайшие кремниевые провода толщиной 20 нм, сплавленные с никелем при температуре 550 °C. В лаборатории сначала выращивают кремниевую основу провода, затем покрывают ее слоем никеля и подвергают воздействию высоких температур. Далее остается удалить излишки никеля -- и готово: у нас получились кремний-никелевые провода, обладающие высокой проводимостью. Чтобы улучшить совместимость с полупроводниковыми схемами, можно наносить никель только на половину кремниевой заготовки, создавая тем самым гибридные проводники.

Применений нанопроводам -- масса, и главное -- соединение между собой нано- и микрокомпонентов. Впрочем, они сослужат хорошую службу и при создании высокоинтегрированных схем с повышенной плотностью размещения стандартных полупроводниковых элементов. К примеру, авторы изобретения намекают на возможность проектирования плотно упакованных транзисторных массивов или микросхем памяти. Ожидается, что такой модуль ОЗУ будет содержать в 10 тысяч раз больше ячеек, чем классический полупроводниковый продукт при эквивалентной площади подложки.

Образец наночипа, созданного в Texas Material Institute

Нанопровода -- не единственный способ передавать ток посредством нанотехнологий. Конкурирующим методом является использование уникальных свойств полых углеродных нанотрубок. Но Либер говорит: "Если вы работаете над сложными системами и не можете добиться того, чтобы все изготовленные трубки или провода были идентичными, ваши усилия бессмысленны". Намек ясен. Бич нанотрубок -- невозможность контролировать свойства каждой из них в отдельности. В частности, сейчас все усилия исследователей направлены на проектирование чипов, способных автоматизировать процесс тестирования электрических свойств выращенных нанотрубок. Ведь часть из них является проводниками, а часть -- полупроводниками. Слож-ность заключается и в высокой температуре, при которой изготавливаются эти структуры. Чтобы соединить логику полупроводникового чипа с рабочей основой трубок, приходится использовать молибден. Высокие температуры производственного процесса -- еще одно препятствие на пути интеграции кремниевых микро- и углеродных нанотехнологий.

Одна из технологий выращивания нанопроводов в действии

Нанопровод с сегментами, состоящими из индия-арсенида и индия-фосфида (зеленые и красные полоски соответственно)

Но главное преимущество нанотрубок -- микроскопические размеры. Нанопровода выглядят настоящими слонами в посудной лавке, где хозяйничают недавно продемонстрированные инженерами General Electric нанотрубки диаметром 10 ангстрем. Вдобавок ко всему эти миниатюрные углеродные образования излучают и регистрируют свет, что позволяет создавать невероятно чувствительные детекторы или "прожекторы", способные выборочно осветить отдельные молекулы.

Впрочем, у нанопроводов тоже есть чем удивить: расположив два различных нанопровода перпендикулярно один над другим, Либер сконструировал нанотранзистор и нанодиод. Помимо лаборатории Гарвардского университета, подобные исследования сейчас ведутся Пейдонгом Янгом (Peidong Yang) в Университете Калифорнии и Ларсом Самюэлсоном (Lars Samuelson) в шведском Уни-верситете Лунда. Они умудрились создать "полосатые" нанопровода с зонами различной проводимости. Фактически это готовые диоды и транзисторы.

Технология изготовления полос уникальна: нанопровода выращивают из капелек расплавленного золота, разбрызганного на поверхности кремниевой подложки. Одновременно в камере испаряют полупроводниковый материал, например, фосфид индия. Пары контактируют с каплями золота и растворяются в них. Когда концентрация испаряемого материала в каплях достигает определенного значения, из них начинают "расти" полупроводниковые цилиндры. Их диаметр соответствует диаметру "золотого корня". Динамически изменяя состав паров в камере, можно контролировать состав слоев растущего цилиндра-провода.

Любопытный момент: многие инновации в области микроэлектроники сегодня приходят из Японии, и Л. Самюэлсон утверждает, что аналогичные нанопровода-диоды впервые были созданы именно там. Правда, шведский ученый находится не в самом выгодном положении и вынужден преуменьшать достижения коллег, поскольку выращивание нанодиодов по его методике требует в 100 раз больше времени, нежели производственные процессы американских исследователей. По утверждениям Самюэлсона, медленный рост нанодиодов позволяет ему точнее контролировать состав нанопровода и формировать четкие границы между различными его участками.

От нанопроводов к нанопамяти

"Полосатые" провода найдут свое применение и при адресации памяти: области с различным уровнем содержания примесей обладают различными типами проводимости. Рас-положив группу таких проводов перпендикулярно контактным дорожкам в микросхеме, можно выбирать одну из них, подавая на провода определенный код. Еще немного знаний и фантазии -- и мы получаем полноценный наночип памяти.

В 2003 г. Либер анонсировал сенсорный чип, использующий нанопровода, для анализа структуры человеческой ДНК. Устройство в 1000 раз более чувствительное, чем стандартный кремниевый анализатор, да и выполняет свою работу во много раз быстрее. Пред-варительные исследования показали, что нанопроводной чип чрезвычайно эффективен при диагностике цистического фиброза (cystic fibrosis).

Вот как описывает Либер потенциальные возможности новой технологии: "Представьте себе, что, зайдя в кабинет врача, вы сдаете анализ крови из пальца и в течение минуты узнаете, заражены ли вы определенным вирусом, есть ли у вас генетические болезни и существует ли риск проявления непереносимости лекарства".

Ready, set, buy! Посібник для початківців - як придбати Copilot для Microsoft 365