Нанотехнологии. Правда и вымысел

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.

Другое направление работ в области создания электронной наноразмерной компонентной базы – исследования, проводимые в международном томографическом центре Новосибирского отделения РАН. Российскими учеными созданы необычные ферромагнетики, которые содержат атомы углерода, азота и водорода (то есть те компоненты, которые присущи живой природе), а также атомы меди и классические «магнитные элементы» – железо, кобальт и никель. Эти ферромагнетики не требуют изоляции, очень легки и, что самое главное, прозрачны, то есть могут быть использованы для голографической записи информации на всей глубине кристалла, тогда как обыкновенные компакт-диски накапливают информацию только на поверхности. Применение подобных ферромагнетиков может значительно повысить объем хранимой информации в единице объема носителя.

Американская компания Nantero представила новый тип памяти для компьютера, в котором также используются нанотехнологии. Эту разновидность компания назвала «памятью с произвольным доступом, основанную на нанотрубках и не требующую постоянного питания» (NRAM – Nanotube-based/Nonvolatile RAM).

Новые чипы будут не только более емкими по сравнению со ставшей традиционной флэш-памятью, но и более быстрыми и намного более долговечными. Для организации массового производства новых чипов Nantero сотрудничает с американской компанией LSI Logic , известным производителем микросхем и полупроводниковых устройств.

В 2005 году компания Apple Computer выпустила сотовый телефон-коммуникатор марки iPod Nano с нанотехнологическим чипом памяти NAND емкостью 4 Гб. Электронную базу iPod Nano составляют микрочипы от Samsung (Южная Корея) и Toshiba (Япония). Компания Samsung при производстве своей продукции использует полупроводниковые технологии с прецизионным уровнем (уровнем точности производственных манипуляций) менее 100 нм. Не случайно на настоящее время она является крупнейшим в мире производителем чипов флэш-памяти NAND и DRAM. При этом самые маленькие компоненты iPod Nano все же пока имеют размеры много более «психологических» 100 нм.

С каждым днем в мире накапливается все больше информации, и необходим рост вычислительных мощностей, предусмотренный первым законом Г. Мура (основателя корпорации Intel ). Еще в 1964 году Мур заявил, что если тенденция появления через каждые 18–24 месяцев новых, вдвое более мощных микросхем будет сохраняться, то общая мощность вычислительных устройств экспоненциально возрастет за относительно короткий промежуток времени. Поскольку до настоящего времени этот закон не нарушается, есть все основания предполагать, что и в ближайшее время положение не изменится. Более того, намечается тенденция к сокращению этого цикла до 15 месяцев, то есть следует ожидать, что возможности компьютеров будут удваиваться почти ежегодно.

Современные процессоры состоят более чем из миллиарда транзисторов, но первые образцы наноустройств сразу же смогут увеличить это число примерно в 1000 раз. Цель будущего десятилетия – создать процессор с более чем одним триллионом транзисторов. Соотношение производительности процессора к аналогичному показателю процессора Pentium 4 будет примерно аналогично производительности современного компьютера по сравнению с первыми ЭВМ на электронных лампах.

Останавливаясь на развитии квантовой нанотехнологии, следует отметить наиболее важные направления электроники: разработку лазеров и мазеров. Уже сейчас на базе приборов квантовой электроники создаются устройства для радиоэлектроники и бытовой техники, лазерные указатели (рис. 55), приборы точного измерения расстояний (дальномеры), которые широко применяются в вооружении (например, лазерных прицелах и т. д.), квантовые стандарты частоты, гироскопы, системы оптической многоканальной связи, дальней космической связи, радиоастрономии и т. п.