Провода, состоящие из отдельных атомов углерода, могут быть использованы для уменьшения размеров современных микрочипов в несколько раз. Углеродные нанотрубки (УНТ) исследовались в последние несколько лет и использовались в первых экспериментальных применениях. Перед наноинженерией стоит задача разработки производственных технологий, позволяющих сделать применение УНТ обычным явлением даже для массового рынка.
Сумио Иидзима представил свойства новой упорядоченной структуры атомов углерода в статье в журнале Nature в 1991 году. С их трехмерной структурой и гексагональным расположением атомов углерода описанные им углеродные нанотрубки (УНТ) напоминают скрученные куриная сетка. Физики всего мира были в восторге от многообещающих свойств материала: считалось, что он прочнее стали, имеет лучшую теплопроводность, чем алмаз, и электропроводность, в 1000 раз превышающую медь. Говорят, что в зависимости от их квантовой запутанности УНТ можно использовать как полупроводники или как проводники.
С помощью теоретических выводов и отдельных экспериментов фундаментальные исследования последних лет показали, что УНТ можно использовать в качестве полупроводников для создания транзисторов - основных элементов каждого компьютера. CNT может сделать компьютерные микросхемы во много раз меньше. Это особенно привлекательно на фоне того, что пределы миниатюризации с использованием обычных материалов для чипов скоро будут исчерпаны, а промышленность срочно нуждается в альтернативных технологиях для дальнейших инноваций.
Димос Пуликакос, профессор Лаборатории термодинамики в новых технологиях (LTNT), говорит: «Хотя сейчас мы относительно хорошо понимаем свойства УНТ, мы все еще находимся в самом начале, когда возникает вопрос о том, как построить такие системы, которые невидимы невооруженным глазом и крайне уязвимы к внешним возмущениям. Вот почему работа, которую мы делаем в нашей лаборатории, действительно является фундаментальным исследованием в области инженерных наук».
Электрифицирующая, самоорганизующаяся система
Тимо Швамб, докторант профессора Пуликакоса в LTNT, в ноябре прошлого года опубликовал статью в Nano Letters, в которой описывались возможные новые способы позиционирования УНТ в наноэлектромеханических системах (НЭМС). Диэлектрофорез, метод, хорошо известный из электротехники, был впервые использован Швамбом в его экспериментах с высокой степенью успеха для НЭМС с более чем двумя электродами. Это значительно расширяет спектр применения УНТ в нанотехнологиях. Швамб прикладывает неоднородное электрическое поле к микрочипу, предварительно обработанному каплей раствора УНТ. В этом процессе электрическая цепь имеет разрыв именно в том месте, где должна располагаться УНТ. Самые сильные биполярные силы возникают именно в этой точке и в конечном итоге притягивают и выравнивают УНТ.
Schwamb также может использовать метод, описанный в статье, для включения четырехточечного метода измерения в NEMS. Это исключает фальсификацию результатов измерения сопротивления, вызванную используемыми паяными соединениями УНТ. Однако из-за того, что электрические поля четырех электродов, лежащих в одной плоскости, будут мешать и нарушать позиционирование УНТ, докторант решил использовать трехмерную схему эксперимента. Швамб поясняет: «Хотя мы используем небольшой трюк, чтобы ввести четыре электрода для четырехточечной измерительной системы, тем не менее мы генерируем электрическое поле, эквивалентное полю только двух электродов, и используем его для позиционирования УНТ».
Этот трюк работает следующим образом: в трехслойной микросхеме (проводник/изолятор/проводник) фрезеруется зазор шириной 0,5 нанометра таким образом, чтобы самый нижний слой с обеих сторон минимально выступал в пустое пространство. Два электрода, необходимые для четырехточечного измерения, теперь могут быть как бы «спрятаны» в третьем измерении под двумя другими электродами, таким образом, они больше не мешают диэлектрофорезу.
LTNT поддерживается EMPA (Швейцарской федеральной лабораторией по испытанию и исследованию материалов) в сложной работе над чипом в диапазоне нескольких нанометров. Их специалисты могут использовать ионный луч для фрезерования зазоров и ступеней в трехслойном кремниевом чипе, а на следующем этапе могут припаять крошечные точки контакта между чипом-носителем и УНТ, используя электронные лучи. Швамб резюмирует: «Для применения нанотехнологий мы можем использовать новый метод, объединяющий две известные технологии, диэлектрофорез и технику четырехточечного измерения, таким образом, чтобы впервые создать потенциал для массового производства наноустройств. Это может повысить эффективность успешного позиционирования УНТ в четырех контактных точках с прибл. От 3 до 40 процентов.
Наноинженерия: живая инженерная традиция в Швейцарии
По словам Швамба, следующим шагом будет использование нового подхода для создания прототипов устройств, таких как транзисторы и датчики температуры или давления, а также для проверки их свойств самыми разными способами. Однако он говорит, что интеграция наноматериалов в процессы массового производства по-прежнему представляет собой одну из самых больших проблем, стоящих перед нанотехнологиями. Однако наиболее значительным преимуществом подхода, описанного в статье, является то, что его можно использовать и для других наночастиц с интересными свойствами, а не только для УНТ.
Поуликакос видит и кусочек швейцарского будущего в наноинженерии: «Швейцария должна не только отстаивать свои традиционные лидирующие позиции в области инженерных достижений в области создания крупной техники, но и позиционировать себя как первопроходца в области наноинженерии. области наноустройств». Однако Пуликакос по-прежнему не желает делать никаких прогнозов относительно того, когда на рынке появится первый компьютер CNT с гигантской вычислительной производительностью и будет ли это в Швейцарии.