Нановолокна в производстве электронных компонентов

Развитие современных электронных компонентов неразрывно связано с развитием наноматериалов и нанотехнологий.

Процесс миниатюризации изделий электронной техники неуклонно приближает момент перехода критических размеров элементов из микро- в нанодиапазон.

Приставка «нано» (1 нанометр (нм) = 10–9 м) уже давно используется в науке и технике, но термины «нанонаука», «нанотехнология» и «наноматериалы» появились в последние 10—15 лет и имеют дело с т.н. наноразмерными объектами величиной от долей нанометра до 100 нм. Cистемы от 100…1000 нм (1 мкм) принято называть ультрадисперсными. Нижний предел интервала размеров (доли нм) определяется размерами атомов и молекул.

Наноматериалы и нанотехнологии

Нанотехнологии — это технологии, использующие физические объекты, размеры которых менее 10–7 м. Использование таких объектов при создании различных изделий позволяет создавать принципиально новую продукцию, которую невозможно получить в традиционных подходах, что связано с особенностями протекания физических процессов в объектах с нанометровыми размерами.

Нанонауку можно определить как совокупность знаний о свойствах вещества в нанометровом масштабе, а нанотехнологию — как умение целенаправленно создавать объекты (с заранее заданным составом, размерами и структурой) в диапазоне размеров приблизительно 1…100 нм. Именно в этом интервале наноразмеров, на молекулярном уровне, природа «программирует» основные характеристики веществ, явлений и процессов. Специфичность свойств вещества в нанометровом масштабе обусловлена как размерами элементов структуры нанообъектов, сравнимых с размерами атомов и молекул, так и проявлением квантово-механических эффектов, волновой природой процессов переноса и доминирующей ролью поверхностей раздела. Это позволяет получать материалы с новыми функциональными характеристиками, отличающимися от характеристик обычных материалов.

Закон Мура для микросхем

В 1965 году инженер Гордон Мур предсказал, что количество транзисторов на интегральной схеме, которая является предшественницей микропроцессора, будет увеличиваться в два раза примерно каждые два года. Сегодня мы называем этот прогноз законом Мура, хотя на самом деле данный закон не является научным.

Закон Мура является скорее сбывшимся пророчеством о развитии компьютерной индустрии. Производители микропроцессоров стремятся соответствовать данному закону, так как в противном случае их опередят конкуренты. Чтобы разместить больше транзисторов на одном чипе, инженеры должны проектировать транзисторы меньшего размера.

На самом первом чипе было около 2200 транзисторов. А на сегодняшний день один микропроцессорный чип способен вместить сотни миллионов транзисторов. Тем не менее, компании полны решимости спроектировать транзисторы еще меньшего размера, стараясь втиснуть как можно большее их количество в более мелкие чипы.

Уже существуют компьютерные чипы с наноразмерными транзисторами (наноразмер считается от 1 до 100 нанометров – нанометр, в свою очередь, составляет одну миллиардную метра). Транзисторы будущего должны быть еще меньше.

Структура нановолокон имеет удивительное соотношение длины с шириной. Нановолокно может быть невероятно тонким — можно создать нановолокна диаметром всего один нанометр, хотя инженеры и ученые, как правило, работают с нановолокнами шириной от 30 до 60 нанометров.

Ученые надеются, что вскоре мы сможем использовать нановолокна для создания самых маленьких транзисторов, однако на этом пути есть довольно серьезные препятствия.

Нановолокна

В зависимости от того, из чего сделано нановолокно, оно может обладать свойствами таких материалов как:

• Диэлектрика
• Полупроводника
• Металла

Диэлектрики не пропускают электрического тока, в то время как металлы являются очень хорошими проводниками. Полупроводники занимают промежуточную позицию, обладая электропроводимостью при соответствующих условиях.

Располагая полупроводники в надлежащей конфигурации, инженеры могут создать транзисторы, которые работают либо как переключатели, либо усилители.

Свойства нановолокна

Некоторые интересные — и парадоксальные – свойства, которыми обладают нанопровода, обусловлены малым размером. Когда вы работаете с предметами, которые находятся на наноуровне или даже меньше, вы сталкиваетесь с миром квантовой механики. Квантовая механика может сбивать с толку даже специалистов этой области, и очень часто она идет в разрез с классической физикой (также известной как ньютоновская физика).

К примеру, обычно электрон не может пройти через диэлектрик. Однако, если диэлектрик достаточно тонкий, электрон может проходить от одной стороны диэлектрика к другой. Это называется туннелирование электронов, но название не дает представления о том, насколько странным может быть этот процесс.

Электрон проходит от одной стороны диэлектрика к другой, фактически не проходя через сам диэлектрик или занимая место внутри него. Можно сказать, он телепортируется с одной стороны к другой. Вы можете предотвратить туннелирование электронов, используя более толстые слои диэлектрика, так как электроны могут перемещаться только на очень маленькие расстояния.

Другим интересным свойством является то, что некоторые нановолокна являются баллистическими проводниками.

В обычных проводниках электроны сталкиваются с атомами в материале проводника. Это замедляет движение электронов и создает тепло в качестве побочного продукта. В баллистических проводниках электроны могут проходить через проводник без столкновений.

Нановолокна могут эффективно проводить электричество без побочных продуктов в виде интенсивного тепла. На наноуровне свойства элементов могут сильно отличаться от ожидаемых. Например, в сыпучем виде золото имеет температуру плавления более 1000 градусов Цельсия. Уменьшая крупицы золота до размера наночастиц, вы уменьшаете и температуру его плавления, потому что, когда вы уменьшаете любую частицу до наноразмера, происходит значительное увеличение соотношения площади с объемом.

Кроме того, в наноразмере, золото ведет себя как полупроводник, но в сыпучей форме является проводником. Другие элементы также ведут себя необычно на наноуровне. В сыпучем виде алюминий не имеет магнитных свойств, но совсем небольшие группы атомов алюминия обладают собственным магнитным моментом.

Элементарные свойства, с которыми мы сталкиваемся в нашей повседневной жизни, и то, как они, на наш взгляд, должны себя проявлять, могут не соответствовать представлениям, когда мы уменьшаем эти элементы до наноразмеров.