Нанотехнологии. Правда и вымысел

В апреле 2007 года в США поступили в продажу компьютеры с емкостью жесткого диска 1 Тб (1012 байт). На нем можно разместить информацию, равнозначную 50 млрд печатных страниц (для производства такого количества бумаги необходимо было бы переработать около 50 тыс. деревьев), 380 ч (около 16 суток) видеоматериала в формате DVD, миллион фотографий в высоком разрешении или около 250 тыс. музыкальных файлов (от полутора до двух лет беспрерывного прослушивания).

Вероятно, в наиболее быстрых и производительных компьютерах будущего будет использоваться именно наноэлектронная технология, возможно спинотроника или фотоника. Однако не исключено, что самые малые компьютеры создадут на принципиально другой элементной базе. По Э. Дрекслеру, такой базой может стать наномеханика. Им предложены механические конструкции для основных компонентов нанокомпьютера — ячеек памяти, логических байтов. Основными их элементами являются вдвигаемые и выдвигаемые стержни, взаимно запирающие движение друг друга.

К отдельному направлению нанотехнологических исследований следует отнести работы по формированию (наноинженерии) поверхности для получения заданных функциональных свойств с высокими прочностными и триботехническими характеристиками.

Для этих целей широко используется PVD-метод нанесения нанопокрытия (PVD — Physical Vapour Deposition — физическое парофазное осаждение) и CVD-метод (CVD — Chemical Vapour Deposition — химическое парофазное осаждение), причем CVD-метод нанесения принципиально проще реализовать. Поскольку осажденные слои временами имеют толщину слоя в диапазоне нескольких мкм, используются также термины «тонкопленочная техника», «тонкопленочная технология» и «тонкие пленки».

Технология химического осаждения (CVD-метод) практически не имеет ограничений по химическому составу применяемых для нанесения материалов, а следовательно, и структуре получаемых покрытий. При этом частицы могут быть осаждены на всю поверхность обрабатываемой детали. Участки, где покрытие не требуется, покрываются специальными защитными составами.

Осуществление CVD-метода при заполнении пространства реакционно-способным газом (кислородом, азотом или углеводородами) в результате химической реакции между атомами осаждаемых металлов и молекулами газа позволяет производить нанесение оксидных, нитридных и карбидных покрытий.

Для получения одинаковых свойств всего покрытия в объеме рабочей камеры (особенно большой) необходимо обеспечить оптимальные потоки газа. С этой целью применяются специальные системы подачи газа — так называемый газовый душ.

Установки для CVD-метода, как правило, имеют достаточно большие габариты, на которых для предотвращения опасных выбросов технологических газов в атмосферу используются специальные системы высококачественных фильтров.

Технология нанесения нанопокрытий физическим методом (PVD-метод), при которой металлы, сплавы или химические соединения осаждаются в глубоком вакууме путем подвода тепловой энергии или бомбардировки частицами, заключается в том, что материал покрытия различными способами переводится из твердого состояния в паровую фазу и затем конденсируется на поверхности подложки (рис. 60).

К PVD-методам относят также ионное плакирование и катодное распыление (ионно-плазменное распыление). При реализации систем PVD применяются камерные печи сопротивления для создания глубокого вакуума менее 10-5 мбар (рис. 61).

Рис. 60. Схема PVD-метода нанесения нанопокрытия: 1 — дверь; 2 — обрабатываемая деталь; 3 — металлизатор; 4 — вакуумная камера (печь); 5 — трубопровод к вакуумному насосу; 6 — нагревательный элемент

Рис. 61. Вакуумная печь для нанесения нанопокрытий PVD-методом

С применением этой установки можно реализовать несколько вариантов метода (например, низкочастотное плазменноионное распыление — PECVD, PACVD), в том числе и для нанесения покрытий на пластмассы при низких температурах. Так, метод PCVD позволяет снизить температуру нанесения покрытия до температур, используемых при PVD-методе, и является комбинацией двух процессов.

Среди PVD-методов наибольшее распространение получил метод конденсации покрытий из плазмы в вакууме с ионной бомбардировкой поверхностей инструмента (метод КИБ). Возможность широкого варьирования температур в зонах нанесения покрытий позволяет использовать вакуумно-плазменные методы в качестве универсальных методов нанесения покрытий на инструменты из твердых сплавов. Эти методы оптимальны и как способ получения широкой гаммы монослойных, многослойных и композиционных покрытий на базе нитридных, карбидных и карбонитридных соединений тугоплавких металлов Ti, Zr, Hf.