06098
Российский Государственный
Аграрный Университет – МСХА
им. К.А.Тимирязева.
Калужский филиал.
Реферат по предмету:
«Концепции современного естествознания»
тема: «Современные физические технологии:
микроэлектронная, наноэлектронная
и лазерная».
Калуга 2006 г.
Содержание.
1.
2.
3. Наноэлектронная технология.
4.
5.
6.
1.
Многие жителей земли не знают, что такое микроэлектронная,ноноэлектронная и лазерная технологии. Кто-то слышалэти слова, но не представляют их истинного значения. Большинство людейпользуясь телевизором, музыкальным центром, DVD-плеером, компьютером не интересуется их устройством ипринципом работы. Эти обыденные устройства не могли бы существовать безмикросхем сделанных по микроэлектронной технологии. Современное развитиемикроэлектроники фактически является нанотехнологией,поскольку достигнутые размеры компонентов вполне укладываются в указанныеразмеры. Нанометр – одна миллиардная метра. Десять атомов водорода составляютодин нанометр. Булавочная головка имеет размер в миллион нанометров. Нанотэлектроника находится на данный момент в начале своегоразвития. В данном реферате будут рассмотрены эти современные технологии. Ихосновы и перспективы развития. А так же история истоков.
2.
В одном изинтервью вскоре после получения Нобелевской премии Жорес Алферов[1]сказал: «Мне по-своему жаль новое поколение. Ведь, если разобраться, уже всеоткрыто. Так что в новом веке вам будет делать нечего — так, частностямизаниматься».
От этих словодного из отцов современной полупроводниковой электроники становится немногожутко. Значит, предел уже положен и стена темнеет на горизонте? Через пару десятковлет прогресс человечества будет навсегда остановлен одним из незыблемыхпостулатов Вселенной. «Как навсегда? — спросите вы. — Пройдет сто лет, тысяча,и принципиально ничего не изменится? Ну нет! Не может такого быть!» Однако, какэто ни грустно, там, где действительно достигнем физических пределов, мы несможем продвинуться дальше ни на шаг. Мы бессильны перед законами природы, никакиенаши приборы и опыты, молитвы и приказы не заставят их отступить ни на йоту.Уже в ближайшие годы святейшая догма мира высоких технологий — закон Мура. В1965г соучредитель фирмы Intel Гордон Мур предсказал, что плотность транзисторов в интегральныхсхемах будет удваиваться каждый год Позднее его прогноз, названный закономМура, был скорректирован на 18 месяцев. В течение трех последних десятилетийзакон Мура выполнялся с замечательной точностью. Не только плотностьтранзисторов, но и производительность микропроцессоров удваивается каждыеполтора года (об удвоении плотности транзисторов в процессорах каждые полторагода) станет просто занимательным историческим фактом. Полупроводниковыетехнологии отживают свое — сейчас очевидно, что частоту в 30-40 ГГц они неперешагнут никогда. Бешеная гонка за тактовой частотой заставит нас научитьсясчитать на атомах и молекулах — это и станет концом эволюции нашей цивилизации.Современная физика жестко и однозначно говорит, что путешествовать к звездамили перемещаться в пространстве с помощью телепортациимы никогда не сможем, если в доступной нам части реальности мы и в самом делеуже открыли абсолютно все. Но у нас есть повод оставаться оптимистами: ведь ниодин закон и постулат не запрещают появление принципиально нового знания!
3. Наноэлектронная технология.
Любой изизвестных нам предметов — всего лишь скопление атомов в пространстве. И будетли это алмаз или горстка пепла, булыжник или чип компьютера, труха или спелыйплод, определяется только способом их упорядочивания. Расположение атомов друготносительно друга порождает такие понятия, как дешевое и драгоценное, обычноеи уникальное, здоровое и больное. Наше умение упорядочивать атомы лежит воснове любой технологии. В процессе развития цивилизации люди учились управлятьвсе меньшими и меньшими группами атомов. Мы прошли долгий путь от каменныхнаконечников для стрел до процессоров, умещающихся в игольном ушке. Но нашитехнологии все еще грубы, и пока мы вынуждены оперировать большими, плохоуправляемыми группами атомов. По этой причине наши компьютеры глупы, машинынепрерывно ломаются, молекулы в наших клетках неизбежно приходят в беспорядок,уносящий сначала здоровье, а затем и жизнь. Настоящий же прорыв в эволюциинауки произойдет только тогда, когда мы научимся управлять отдельными атомами.
Технологии,которые работают на уровне отдельных атомов и молекул, называются нанотехнологиями (нанометр — это 10-9 м, однамиллиардная метра). Отцом этого перспективнейшего направления считается все тотже Ричард Фейнман, прочитавший в 1959 г. историческую лекцию «Там, внизу, ещемного места». В ней он сказал: «Насколько я вижу, принципы физики не запрещаютманипулировать отдельными атомами… Пока мы вынуждены пользоватьсямолекулярными структурами, которые предлагает нам природа. Но в принципе физикмог бы синтезировать любое вещество по заданной химической формуле».Технический уровень того времени, когда были произнесены эти пророческие слова,заставлял воспринимать их как очередную футуристическую сказку. Но в 1981 г.ученые Г. Бининг и Г. Рорериз швейцарского отделения IBM создали туннельный микроскоп, впервые позволившийвзглянуть на обособленные молекулы и атомы. Однако исследователей ждал еще одинприятный сюрприз: оказалось, что их детище способно не только «увидеть», но и«подцепить» отдельный атом и перенести его на другое место. За прошедшие с техпор 20 лет нанотехнологии стали производственнойреальностью, и уже сейчас мы можем создавать необходимые нам объекты,«монтируя» их на атомном уровне.
Когда говорято нанотехнологиях, подразумевается несколькодостаточно разрозненных по целям и планируемому времени реализации научныхнаправлений. Одно из них, работающее над качественным переходом традиционнойполупроводниковой электроники с микро- на наноуровень,хорошо освещено в периодической литературе. Успехи этих работ значительны ужесегодня, но, ввиду неразрешимости ряда проблем, связанных с размернымиэффектами, неизбежно возникающими при достижении транзисторами величины 30—40нм, очевидна необходимость поиска альтернативной технологии. Одним из вариантовявляется молекулярная электроника, или молетроника.
В 1974 г.ведущие ученые фирмы IBM А. Авирам и М. Ратнер представили вещество, молекула которого обладалатеми же свойствами, что и обычный диод. Пропуская ток в одном направлении,введением дополнительного, управляющего фрагмента она могла бытьусовершенствована до своеобразного молекулярного транзистора. Соединив дветакие молекулы, можно получить абсолютный аналог полупроводникового триггера —основного элемента современных процессоров. «Переключать» же данное устройство,имитируя состояния бита — 0 и 1, возможно с помощью света или электрическогополя. Следуя описанной идее, химики синтезировали великое множество кандидатовна роль транзистора будущего.
Один из самыхбольших шагов в нанотехнологии был сделан в 1981году,когда появился сканирующий туннельный микроскоп (СТМ). Принцип его работынапоминает процесс чтения незрячим человеком. Тонкий щуп с диаметром острия внесколько атомов сканирует над поверхностью и при наличии достаточно малогорасстояния между щупом и поверхностью электрона «туннелирует». Вероятностьэтого обратно пропорциональна величине зазора, а значит, величина микротока будет зависеть от величины зазора. В итогесканирование даёт картину рельефа поверхности (с помощью ЭВМ). Авторыизобретения получили нобелевскую премию.
[1] АЛФЕРОВ, ЖОРЕС ИВАНОВИЧ Родился 15 марта 1930 в Витебске. С 1953работает в С.- Петербургском Физико-техническом институте, с 1987 – в качестведиректора. В 1959 защитил кандидатскую диссертацию, посвященную исследованиюгерманиевых и кремниевых силовых выпрямителей. Первый непрерывный лазер нагетеропереходах был создан в лаборатории Алферова. Эта же лаборатория по правугордится разработкой и созданием солнечных батарей, успешно примененных в 1986на космической станции «Мир»: батареи проработали весь срок эксплуатации до2001 без заметного снижения мощности.
Технология конструирования полупроводниковых системдостигла такого уровня, что стало возможным задавать кристаллу практическилюбые параметры: в частности, если расположить запрещенные зоны определеннымобразом, то электроны проводимости в полупроводниках смогут перемещаться лишь водной плоскости – получится так называемая «квантовая плоскость». Еслирасположить запрещенные зоны иначе, то электроны проводимости смогутперемещаться лишь в одном направлении – это «квантовая проволока»; можно ивовсе перекрыть возможности перемещения свободных электронов – получится«квантовая точка». Именно получением и исследованием свойств наноструктур пониженной размерности – квантовых проволок иквантовых точек – занимается сегодня Алферов.
В 2000 Алферов получил Нобелевскую премию по физике«за достижения в электронике» совместно с американцами Дж.Килбии Г.Крёмером. Крёмер, как и Алферов, получил награду за разработку полупроводниковыхгетероструктур и создание быстрых опто — и микроэлектронных компонентов (Алферов и Крёмер получили половину денежнойпремии), а Килби– за разработку идеологии итехнологии создания микрочипов