Методы получения и применение нанопроводов

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Коммуникации, связь, цифровые приборы и радиоэлектроника


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Институт Инженерной Физики и Радиоэлектроники

Кафедра «Приборостроения и наноэлектроники»

РЕФЕРАТ

по радиоматериалам и радиокомпонентам

Методы получение и применение нанопроводов

Преподаватель Бахтина В. А.

Студент РФ12−34с, 51 201 472 Поляк М. Г.

Красноярск 2014

Содержание

  • Введение
  • 1. Физика нанопроводов
  • 2. Классификация нанопроводов
  • 3. Способы получения нанопроводов
  • 3.1 Получение нанопроводов при помощи подвешивания
  • 3.2 Получение нанопроводов при помощи напыления
  • 3.3 Получение нанопроводов лазерной абляцией с CVD процессом
  • 4. Примеры получения конкретных нонопроводов
  • 4.1 Нанопровода из арсенида галия
  • 4.2 Нанопровода из атомов индия, галлия, мышьяка
  • 4.3 Полосатые нанопровода
  • 4.4 Нанопровода из нитрида галлия
  • 4.5 Нанопровода из бактерий
  • 4.6 Нанопровода из ДНК
  • 5. Применение нанопроводов
  • 5.1 Нанопровода из оксида марганца в качестве электродов аккумуляторной батареи
  • 5.2 Нанопровода из оксида титана в качестве преобразователя солнечной энергии для расщепления воды
  • 5.3 Транзистор на основе 16-ти нанометрового кремниевого нанопровода
  • 5.4 Эндоскоп из нанопровода оксида олова
  • 5.6 Медные нанопровода в FED дисплеях
  • 5.7 Процессор из нанопроводов
  • Заключение
  • Список использованных источников

Введение

В 1965 году один из основателей Intel Гордон Мур сформулировал свой закон, согласно которому вычислительная мощность компьютеров будет удваиваться каждые 2−3 года. Но из-за ограниченных возможностей изготовления транзисторов литографическим путем примерно через пять лет этот закон перестанет работать. [1]

Чтобы решить данную проблему нужно использовать нанотехнологии. Одним из примеров такого решения является использование нанопроводов. Термин «нанопровод» обычно используется для описания стержней с большой разницей длина и диаметра в 1−100нм. [3] В 2011 году ученым удалось создать устройство nanoFSM [2] - это плитка, состоящая из сотен нанопроводов-транзисторов толщиной около 10 нм. В 2013 году, объединив несколько таких плиток, удалось создать программируемый нанокомпьютер. Подобные устройства могут использоваться в крохотных вычислительных устройствах, например медицинских сенсорах, роботах-насекомых, сенсорах и т. п.

Существует так же проблема нехватки электроэнергии в момент простоя ветряных и солнечных электростанций. Для ее решения нужно использовать дешевые и доступные аккумуляторы. При помощи нанопроводов можно создать натрий-ионные аккумуляторные батареи, которые гораздо дешевле литиевых и работает при комнатной температуре, в отличие от натрий-серных аккумуляторов. Все это благодаря электродам состоящим из нанопроводов. [4]

Очень важной проблемой современной энергетики является повышение коэффициента полезного действия солнечных батарей. Среди множества типов солнечных батарей имеются батареи с монокристаллическими пленками оксида цинка и оксида титана, которые можно улучшить несколькими способами, одним из которых является замена монокристаллических пленок мезопленками из нанопроводов оксида цинка, либо фосфида индия. [5]

В данной работе рассмотрены вопросы физики нанопроцессов, вопросы получения нанопроводов и их использования.

1. Физика нанопроводов

Термин «нанопровод» обычно используется для описания стержней с большой разницей измерений и диаметром 1−100нм. [6]

Первое условие, диаметр, накладывает ограничение радиального размера до уровня или ниже характерных масштабов длин различных явлений:

Боровский радиус — радиус первой электронной орбиты в атоме водорода, приблизительно равный 53*10-12м. [7]

Длина волны света — расстояние между двумя ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах, видимый свет имеет длину от 380 до 750 нм. [8]

Длина свободного пробега фонона. Фонон — элементарная частица, цементирующая тела и предметы, переносящая энергию. Квант колебаний кристаллической решетки. Термин введен И. Таммом по аналогии с квантом электромагнитного поля. Длина свободного пробега — расстояние, которое пролетает частица за время свободного пробега от одного столкновения до другого. [9]

Размер магнитных доменов [10] - макроскопических областей в магнитном кристалле, в которых ориентация вектора спонтанной однородной намагниченности или вектора антиферромагнетизма (при температуре ниже точки Кюри или Нееля соответственно) определенным образом повернута или сдвинута относительно направлений соответствующего вектора в соседних доменах.

Намагниченность [11] - векторная физическая величина, характеризующая магнитное состояние макроскопического физического тела. Обозначается обычно М или J. Определяется как магнитный момент единицы объёма вещества (1. 1):

(1. 1)

где, J — вектор намагниченности;

Pm — вектор магнитного момента;

V — объём.

Антиферромагнетизм (от анти — и ферромагнетизм) — одно из магнитных состояний вещества, отличающееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно), и поэтому намагниченность тела в целом очень мала. Этим антиферромагнетизм отличается от ферромагнетизма, при котором одинаковая ориентация элементарных магнитиков приводит к высокой намагниченности тела.

В простейшем случае вектор антиферромагнетизма вводят как векторную разницу намагниченности двух магнитных подрешёток кристалла (1. 2):

L=J1-J2 (1. 2)

Благодаря своим сверхмалым размерам нанопровода имеют уникальные электрические свойства. Проводимость нанопроводов очень сильно зависит от краевых эффектов, возникающих, поскольку атомы на поверхности и внутри нанопровода по-разному связаны с соседними атомами. Частично связанные атомы на поверхности могут инициировать появление дефектов в нанопроводе, которые снизят электрическую проводимость нанопроводов. Чем меньше нанопровод, тем больше в нем поверхностных атомов, и тем сильнее краевые эффекты.

В результате многие физические свойства полупроводников, диэлектриков, металлов значительно меняются в пределах поверхности нанопроводника. В дополнение, большое отношение поверхности к объему вводит поправку на особое структурное и химическое поведение, как и большую химическую активность. Это двухмерное ограничение наделяет нанопроводники уникальными свойствами, которые отличаются от свойств соответствующего объемного материала.

нанопровод марганец электрод титан

2. Классификация нанопроводов

На сегодняшний день существует несколько классов нанопроводов [12]:

1) Полупроводниковые нанопровода

К ним относятся нанопровода из кремния (Si), германия (Ge), индий галлий арсенида (InGaAs), нитрида галлия (GaN), фосфида индия (InP), cеленида кадмия (CdSe), карборунда или карбида кремния (SiC), нанопровода из молибдена-серы и йода (Mo6 S3 I6)

2) Нанопровода из металлов

К ним относятся нанопровода из меди (Cu), никеля (Ni), золота (Au), палладия (Pd), висмута (Bi)

3) Нанопровода из оксидов металлов

К ним относятся нанопровода из диоксида титана (TiO2), оксида цинка (ZnO), оксида магния (MgO), оксида марганца, оксида кобальта (Co3O4), оксида олова (SnO2), глинозема (Al2O3)

4) Органические нанопровода

К ним относятся нанопровода из аминокислотовых пилей бактерий Geobacter, отрезков ДНК, алюминий три (8-хинолинолата) (ALQ3), 1,5-диаминоантрахинона (DAAQ).

3. Способы получения нанопроводов

Нанопровода создают в лабораториях с помощью подвешивания, напыления, электронной литографии. Органические же нанопровода получают не стандартными методами.

3.1 Получение нанопроводов при помощи подвешивания

Обычный провод подвешивают в вакуумной камере и уменьшают его толщину либо с помощью травления, либо обстреливая его высокоэнергетичными частицами, либо вытягивая его из расплава (приблизительно так, как вытягивают вилкой очень тонкие волокна из расплавленного сыра моцарелла). [13]

3.2 Получение нанопроводов при помощи напыления

Напыленные нанопровода образуются на подложке из другого материала, например, в виде ряда атомов металла на непроводящей поверхности, это так называемый СVD-процесс. Он обычно осуществляется с помощью лазерной абляции («стирания») атомов источника нанопроводов в состоянии типа пар-жидкость-твердое тело. [13]

Во время CVD-процесса [14] атомы попавшие на подложку поддаются воздействию катализатора (например наночастиц золота). Атомы источника просачиваются в катализатор и насыщают его. В момент перенасыщения они переходят в твердое состояние и начинают расти в виде кристалла-нанопровода. Длина такого нанопровода регулируется с помощью подачи атомов источника. Таким способом можно получать не только отдельные нанопровода из одного материала, но и сверхрешетки из перемежающихся материалов за счет включения разных источников во время напыления. Именно так получают нанопровода для полупроводниковых компонентов электрических схем.

Для создания компонентов электрических схем на основе нанопроводов отдельные нанопровода легируют (то есть добавляют примеси других химических веществ), чтобы получить полупроводники n-типа или p-типа. Затем простой переход p-n-типа фиксируют посредством простого физического соединения провода p-типа с проводом n-типа или при помощи химического легирования различными примесями. Например, переход p-n-типа можно получить с помощью всего одного провода. После создания переходов приступают к созданию логических затворов на основе нескольких переходов p-n-типа.

3.3 Получение нанопроводов лазерной абляцией с CVD процессом

CVD-процесс (англ. Chemical vapor deposition — химическое парофазное осаждение) [14] - химический процесс, используемый для получения высокочистых твёрдых материалов. Процесс часто используется в индустрии полупроводников для создания тонких плёнок. Как правило, при процессе CVD подложка помещается в пары одного или нескольких веществ, которые, вступая в реакцию и/или разлагаясь, производят на поверхности подложки необходимое вещество. Часто образуется также газообразный продукт реакции, выносимый из камеры с потоком газа.

С помощью CVD-процесса производят материалы различных структур: монокристаллы, поликристаллы, аморфные тела и эпитаксиальные. Примеры материалов: кремний, углеродное волокно, углеродное нановолокно, углеродные нанотрубки, SiO2, вольфрам, карбид кремния, нитрид кремния, нитрид титана, различные диэлектрики, а также синтетические алмазы.

В физической литературе термином «абляция» обозначают совокупность сложных физико-химических процессов, результатом которых является удаление (унос) вещества с поверхности или из объема твердого тела [16]. В литературе можно встретить и довольно узкое толкование термина, когда под абляцией понимают процесс удаления вещества, обусловленный прямым разрывом химических связей под действием света. Однако подавляющее большинство исследователей под лазерной абляцией подразумевает процесс разрушения твердого вещества, аналогичный испарению или сублимации, обычно осложненный наличием конденсированной фазы в продуктах разрушения. Абляция — нелинейный процесс, для которого характерен пороговый режим.

Существуют опыты по получению наночастиц золота и серебра при абляции в жидкостях (H2O, C2H5OH и др.) под действием лазера на парах меди. Было показано, что вследствие близости длины волны лазерного излучения к плазменному резонансу золота и серебра (l=520 и 400 нм соответственно) оказывается возможным уменьшение размера наночастиц при облучении коллоидного раствора этих металлов. Близостью длины волны лазера к плазменному резонансу объясняется и удаление (унос) вещества с поверхности или из объема твердого тела.

Для реализации режима абляции в настоящее время в основном используются СО2-лазеры (l=10,6 мкм); YAG-лазеры (l=1,06 мкм); эксимерные; ионные (на аргоне, азоте, криптоне) с длиной волны от инфракрасного до ультрафиолетового диапазона; а также лазеры на свободных электронах, лазер на парах меди (510 и 578 нм) и лазер на кристалле Ti: Sa. В таблице 1 сведены типичные параметры лазеров, используемых для абляции.

Таблица 1 — Типичные параметры лазеров и соответствующие им аблируемые материалы

Лазер

Длина волны, мкм

Длительность, нс

Энергия в импульсе, мДж

Плотность энергии, Дж/см2

Частота повторения импульсов, Гц

Материал мишени

СО2

10,6

80

200

20

-

Графит, биоткань

Эксимерный

0,308

15

30

5

5

Гольмиевый

2,91

130

(2,7 — 4,0) ·103

120

1

Сапфир, ультрадисперсный алмаз, биоткань

Эрбиевый

2,94

150

500

500

_

На алюмо-иттриевом гранате

0,539 0,270

0,3

9

2 — 5

1 — 10

10

Алмаз, металлы, керамика, биоткань

На свободных электронах

2 — 10

5 000

22

1 — 10

30

Полимеры, биоткань

На кристалле Ti: Sa

0,775

0,17 5

300

2,5 — 15

10

Сu/Zn

На парах меди

0,510 0,578

20

0,06…50

1 — 10

(2 — 50) ·103

Биоткани, металлы, стекло

На рисунке 1 представлена общая схема получения напыленных нанопроводов путем лазерной абляции. Лазерный луч падает на материал, являющийся источником атомов для нанопроводов, ввиду близости длины волны лазера к резонансной частоте плазмы данного вещества, атомы активно начинают испаряться и начинают бомбардировку подложки. Если есть катализатор, то, когда количество атомов источника достигнет предельного значения, из частиц катализатора начнут расти нанопровода. Если катализатора нет, его роль может сыграть поверхность подложки.

Рисунок 1 — Получение нанопроводов путем лазерной абляции

4. Примеры получения конкретных нонопроводов

4.1 Нанопровода из арсенида галия

Ученые вырастили на поверхности графена нанопроволочки из арсенида галлия (GaAs) [16].

Рисунок 2 — Рост нанопроволочек арсенида галлия на поверхности графена начинается с образования шарообразных кластеров Ga (слева), которые затем насыщаются мышьяком. (Иллюстрация CrayoNano AS)

Сначала подложка из мономолекулярного слоя графена подвергается бомбардировке атомами галлия, которые адсорбируются на поверхности графена, прямо по центру углеродных шестигранников.

Дальнейшая обработка галлием приводит к росту первичных зародышей с образованием более объёмных наночастиц галлия (атомы одного элемента проявляют высокое сродство друг к другу, что приводит к миграции отдельных атомов галлия в направлении растущей наночастицы). При этом атомы галлия, находящиеся в основаниях частиц, продолжают позиционировать себя строго по центру шестигранников (сама же наночастица покрывает собой площадь в десятки углеродных элементарных ячеек).

Затем в дело вступает второй источник — атомы мышьяка, которые с этого момента бомбардируют графеновую подложку одновременно с атомами галлия. Новые атомы галлия и мышьяка поступают внутрь галлиевых наночастиц, где химически взаимодействуют друг с другом, приводя к росту нанопроволоки с сечением в виде огромного (по сравнению с размерами графеновой ячейки) шестигранника, поднимая над поверхностью графена изначальную наночастицу галлия.

4.2 Нанопровода из атомов индия, галлия, мышьяка

В работе [17] сообщается, о том что ученые вырастили нанопровода из индий арсенид галлия (In GaAs) на листе графена и обнаружили, что нанопровода самостоятельно сформировались в необычную структуру, в которой сердцевина состоят из одного материала, арсенида индия, а внешняя оболочка из другого, In GaAs. При этом структуру нанопроводов можно регулировать с помощью соотношения индия и галлия, что позволяет настроить оптические и токопроводящие свойства нанопроводов. Над разработкой подобной технологии композитных нанопроводов работают многие лаборатории и до сих пор изготовление крохотных проводков в «оплетке» из другого материала считалось сложным процессом, требующим особого подхода. Выращивание композитных нанопроводов на графеновой подложке является большим достижением. Сам графен обладает массой преимуществ, в сравнении с кремнием. Так, графен гибкий и отлично проводит ток, к тому же сырье для графена — дешевый углерод. В настоящее время около 80% стоимости солнечной ячейки составляет стоимость кремниевой подложки. Если удастся наладить массовое производство графена, то нас ожидает резкое удешевление электроники и солнечной энергетики.

Рисунок 3 — Нанопровода и индий арсенид галлия: в центре жила из арсенида индия, в оболочке из индий арсенид галлия

4.3 Полосатые нанопровода

В источнике [18] сообщаются, о том что ученые создали «полосатые» нанопровода с зонами различной проводимости. Фактически это готовые диоды и транзисторы.

Технология изготовления полос уникальна: нанопровода выращивают из капелек расплавленного золота, разбрызганного на поверхности кремниевой подложки. Одновременно в камере испаряют полупроводниковый материал, например, фосфид индия. Пары контактируют с каплями золота и растворяются в них. Когда концентрация испаряемого материала в каплях достигает определенного значения, из них начинают «расти» полупроводниковые цилиндры. Их диаметр соответствует диаметру «золотого корня». Динамически изменяя состав паров в камере, можно контролировать состав слоев растущего цилиндра-провода.

Рисунок 4 — Нанопровод с сегментами, состоящими из индия-арсенида и индия-фосфида (зеленые и красные полоски соответственно)

4.4 Нанопровода из нитрида галлия

В работе [19] ученые создали технологию выращивания полупроводниковых нанопроводов не вверх, а вдоль по поверхности, впервые обеспечив тем самым столь необходимый контроль за их ростом для получения относительно длинных, аккуратных и выровненных структур.

В ходе работы были выращены нанопровода, сделанные из нитрида галлия (GaN), с использованием привычного «вертикального» метода. Эти нанопровода становились непослушными сразу после того, как были собраны и объединены в массив. Чтобы обойти эту проблему, ученые использовали сапфир в качестве основания при росте наноструктур. В отличие от обычно используемой гладкой поверхности при выращивании нанопроводов, поверхность сапфира отличается неоднородностью, что позволило нанопроводам расти в разных направлениях.

Результаты исследований показали, что использование сапфира предоставляет четкий контрольный эффект, позволяющий нанопроводам расти вдоль горизонтальных граней и углублений. Структуры получаются длиной до одного миллиметра, в то время как традиционный способ дает лишь микрометровые нанопровода.

Рисунок 5 — Вид нанопроводов сверху с помощью сканирующего электронного микроскопа

4.5 Нанопровода из бактерий

Интернет источник [20] сообщает, что ученые показали, что длинные белковые выросты некоторых бактерий проводят электрический ток не менее эффективно, чем металлические наноструктуры.

Некоторые бактерии обладают длинными выростами — пилями, которые способны проводить электроны. Пили состоят из аминокислот, упакованных в нить шириной 3−5 нм и длиной, превышающей размер самих бактерий в десятки раз. С их помощью отдельные микроорганизмы объединяются в биопленки с сетчатой структурой.

Рисунок 6 — бактерия Geobacter sulfurreducens

До открытия пилей считалось, что биологические материалы очень плохо проводят электрический ток. Начальные эксперименты с пилями давали противоречивые результаты, а свойства и величина их проводимости, так же как механизм, лежащий в ее основе, были абсолютно непонятны.

Проблема первых экспериментов заключалась, главным образом, в том, что условия, в которых они проводились, были далеки от природных. Поэтому ученые решили протестировать проводимость бактериальных нанопроводов прямо в биопленке. Ученые взяли анаэробных бактерий Geobacter sulfurreducens, обладающих пилями, и стали выращивать их в стандартной камере для получения «бактериального» электричества.

Такие камеры имеют анод и катод, изолированные друг от друга проницаемой для протонов (ионов водорода) мембраной. Они заполняются специальным буфером, содержащим субстрат для роста бактерий, например, ацетат.

Ацетат для большинства бактерий является источником углерода, необходимым для построения биомассы, а также источником электронов, которые участвуют в выработке энергии в процессе их переноса по ферментам дыхательной цепи. В последнем звене цепи электроны должны быть переданы на конечный акцептор, в качестве которого у людей выступает кислород, а у бактерий Geobacter в природе — оксиды железа.

В эксперименте же в качестве конечного акцептора электронов выступал анод камеры, от которого электроны шли на катод, создавая электрический ток. При этом ацетат окислялся до углекислого газа и протонов (Н+), которые поступали в камеру с катодом через проницаемую для них мембрану. Там они соединялись с прибежавшими электронами и образовывали газообразный водород.

Эксперимент длился больше месяца. По мере того, как бактерии облепляли золотые пластины анода и заполняли непроводящую щель между ними, ток между катодом и анодом увеличивался. При этом проводимость росла по мере увеличения толщины биопленки и была сопоставима с проводимостью аналогичных синтетических наноструктур.

В дальнейших экспериментах выяснилось, что проводимость пилей зависит от температуры и pH среды так же, как зависит от этих факторов проводимость металлов. Понижение температуры и кислая среда усиливали проводимость, подобно свойству металлических проводников, которые давно используется в электронике. Эксперименты показали, что бактериальными нанопроводами и их проводимостью можно управлять.

Но структура этих проводов и механизм проведения тока, по-прежнему неизвестно. Именно в этом направлению ведутся дальнейшие исследования.

На рисунке 7 приведена схема камеры, использовавшейся в экспериментах. Две золотые пластины с целью между ними представляют собой анод. Анод отделен от катода проницаемой для протонов мембраной (PEM). Слева расположена контрольная камера, анод которой не соединен с катодом. На нижнем рисунке показана биопленка, растущая на золотых пластинах анода и заполняющая непроводящее пространство между ними. (Effluent — сток, Influent — приток, Biofilm — биопленка, Glass substrate — стеклянная подложка, Non-conductive gap — не проводящая зона, Gold electrode — золотой электрод, Split anode — разделенный анод, Cathode — катод)

Рисунок 7 — Схема камеры, использованной в экспериментах

4.6 Нанопровода из ДНК

Как сообщает источник [21] ученым удалось показать, что отрезки ДНК длиной всего 34 нанометра являются хорошими проводниками электрического тока.

Нанопровода из ДНК по своим электрофизическим характеристикам хорошо подходят для их практического использования. Кроме того, их легко получить и «встроить» в уже созданную архитектуру молекулярного электронного устройства.

В своем эксперименте ученые использовали массив вертикально ориентированных цепочек ДНК длиной в 100 нуклеотидов, закрепленных на плоской золотой пластинке с помощью специального химического соединения. Свободный конец каждого из отрезков был снабжен молекулой-красителем, светящимся ярким синим цветом при протекании через него электрического тока.

Опустив полученную конструкцию в раствор электролита и приложив небольшое электрическое напряжение, ученые наблюдали синее свечение, подтверждающее протекание электричества через ДНК-нанопровода.

При этом такие нарушения в двойной спирали ДНК, как частичный разрыв цепочки фосфатных связей, не приводят к снижению электропроводности, тогда как нарушение последовательности азотистых оснований, составляющих основу каждого нуклеотида молекулы, приводят к резкому падению проводимости.

Ученые признают, что ДНК-нанопровода являются весьма деликатными компонентами молекулярных устройств, а их электропроводность может быть легко нарушена внешними воздействиями. Тем не менее, особые условия, в которых ДНК сохраняет свои свойства электронного проводника, могут быть легко соблюдены, если подобные нанопровода будут использоваться в электронных биологических сенсорных устройствах для обнаружения тех или иных веществ.

«ДНК можно расценивать как продолжение золотого электрода, сенсора длиной 34 нанометра, который идеально подходит для проведения анализа в физиологических условиях», — пишут авторы.

5. Применение нанопроводов

Нанопровода применяются в электронике, в качестве компонентов интегральных схем, применяются в устройствах хранения и преобразования энергии.

5.1 Нанопровода из оксида марганца в качестве электродов аккумуляторной батареи

Ученые [4] разработали технологию изготовления натрий-ионных аккумуляторов, которые могут стать дешевым и эффективным накопителем электричества, поступающего от альтернативных источников энергии.

Известно, для надежного подключения солнечных и ветряных источников энергии требуется аккумулятор, который сможет отдавать электричество в момент простоя генераторов. Литий-ионные аккумуляторы, широко распространенные на рынке потребительской электроники, слишком дороги для такого использования. Натриевые аккумуляторы дешевы, но современные натрий-серные аккумуляторы работают при температурах выше 300 градусов по Цельсию, что снижает их емкость и создает серьезные проблемы по обеспечению безопасности таких батарей. Ученые совместили достоинства обоих типов аккумуляторов и создали новый тип — натрий-ионную батарею с дешевым натриевым электролитом и электродами из литиевых батарей. Натрий-ионный аккумулятор работает при комнатной температуре и использует ионы натрия. Больше всего ученым пришлось поработать над электродами, от литий-ионных аккумуляторов. Эти электроды изготовлены из оксида марганца, атомы, которого образуют множество отверстий и тоннелей, в которые проходят ионы лития во время работы аккумулятора. Свободное передвижение ионов лития позволяет батарее накапливать или отдавать электричество. Но простая замена ионов лития на ионы натрия невозможна, ионы натрия на 70% крупнее и не проходят сквозь поры оксида марганца.

Чтобы решить эту проблему и увеличить размер пор в электроде, исследователи обратились к нанопроводам на основе оксида марганца, по которым ионы натрия могли бы беспрепятственно скользить и не зависеть от размера пор в электроде. Экспериментируя с различными условиями формирования нанопроводных электродов и контролируя результаты с помощью сканирующего электронного микроскопа, ученым удалось при температуре 750 градусов по Цельсию изготовить идеально ровные кристаллы оксида марганца. Прототип натрий-ионного аккумулятора с новыми электродами показал пиковую емкость в 128 миллиампер-часов на грамм материала электрода. Кроме того, новый аккумулятор демонстрирует достаточную для потребительского использования долговечность: после 100 циклов зарядки-разрядки, он потерял только 7% своей емкости, а после 1000 — 23%. Недостатком натрий-ионного аккумулятора явилось то, что чем быстрее он заряжается, тем меньше энергии он может накопить. Ученые предполагают, что это связано с медленным движением ионов натрия. Для решения этой проблемы планируется создать еще более мелкие нанопровода, которые смогут обеспечить быструю зарядку и разрядку в условиях городской электросети.

Рисунок 8 - Нанопровода в электроде из оксида марганца обеспечивают беспрепятственный проход крупным ионам натрия

5.2 Нанопровода из оксида титана в качестве преобразователя солнечной энергии для расщепления воды

Ученые разрабатывают систему, позволяющую преобразовывать солнечную энергию в химическую при помощи нанопроводов, которые могут расщеплять воду на кислород и водород [22], [23].

Растения очень активно используют воду и солнечный свет во время фотосинтеза. Но несмотря на, интенсивные исследования по получению систем, которые могли бы сравниться по эффективности с природным фотосинтезом, не закончены. В качестве одного из способов расщепления воды могут использоваться электроды из оксида титана, однако они отличаются низкой эффективностью конверсии и поглощают только ультрафиолет.

Ученые синтезировали нанопровода из TiO2 с большой площадью поверхности, провел их осаждение на электродах и обнаружил, что образование химических связей, объединяющих нанопровода, позволяет увеличить их оптическую плотность, что позволяет новым системам абсорбировать больше света. Такая модификация позволяет увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в два раза по сравнению с ранее существовавшими электродами из TiO2.

Легирование сети из нанопроводов наночастицами золота или серебра позволяет увеличить эффективность преобразования солнечной энергии в химическую еще в большей степени. В этом случае за счет того, что система получает способность разлагать воду под воздействием видимого света производительность системы увеличивается в 10 раз.

Ученый отмечает, что разработанный подход может быть расширен на другие материалы, использующиеся в настоящее время для расщепления воды. Поэтому в ближайших планах исследовательской группы Парка изучить фотоинициируемый электролиз воды в присутствии оксидов других металлов, а также изучение возможности увеличения эффективности этих систем при создании из них подобных сетей, созданных из нанопроводов.

Рисунок 9 — Слева массив нанопроводов оксида титана, справа коэффициент преобразования солнечной энергии в электрическую энергию при различных длинах волны

5.3 Транзистор на основе 16-ти нанометрового кремниевого нанопровода

Ученым удалось разработать технологию изготовления транзисторов из нанопровода — такие транзисторы считаются основными кандидатами на использование в больших интегральных схемах, рассчитанных на изготовление по нормам 16 нм и менее [24].

Общеизвестно, что при уменьшении размеров планарных транзисторов ток утечки межу истоком и стоком в закрытом состоянии становится недопустимо большим. Чтобы обойти эту проблему, разработчики рассматривают возможность увеличения площади затвора за счет применения трехмерных структур — например, в транзисторах FinFET затвор «обернут» вокруг трех стенок канала.

Рисунок 10 — Транзистор на основе 16-ти нанометрового нанопровода (Drain — сток, Gate — затвор, Source — исток, Power current — Электрический ток, Si substrate — кремниевая подложка, Nanowire channel — канал ннопровода)

В транзисторе из кремниевого нанопровода утечки уменьшены, поскольку тонкий канал управляется окружающим его затвором. К сожалению, паразитное сопротивление, особенно в районе боковых стенок затвора, снижает ток в открытом состоянии.

По словам Toshiba, эту проблему удалось преодолеть за счет оптимизации процесса формирования затвора и существенного уменьшения толщины боковых стенок, с 30 нм до 10 нм. Низкое паразитное сопротивление стало результатом эпитаксиального наращивания стока и истока, и привело к увеличению тока в открытом состоянии на 40%. Еще на 25% увеличить ток удалось за счет изменения ориентации кристаллической решетки в нанопроводе.

5.4 Эндоскоп из нанопровода оксида олова

Ученые разработали новый надежный исследовательский инструмент для биологов на основе нанопровода из оксида олова [25]. Инструмент представляет собой неинвазивный эндоскоп, позволяющий получать изображения внутреннего устройства живых клеток. Инструмент, также обеспечивающий доставку в клетку небольшого количества «полезного груза», может в будущем использоваться в медицинских целях для помещения в биологическую клетку генов, белков и лекарственных препаратов.

Рисунок 11 — Эндоскоп с нанопроводом

Оптическое излучение уже достаточно давно используется для изучения биологических клеток, т.к. клеточные мембраны оказываются прозрачными для электромагнитных волн в этом диапазоне частот. Тем не менее, разрешение оптических методов исследования ограничены так называемым дифракционным пределом света, т. е. структуры, меньшие, чем половина длины волны падающего излучения, принципиально не могут быть отображены.

Последние достижения в области нанофотоники позволили преодолеть ограничение дифракционного предела, что дает возможность визуализировать субклеточные структуры. Однако подобные инструменты дороги и громоздки, таким образом, многие лаборатории не могут их себе позволить. Разработанный эндоскоп, решает эти проблемы.

Ученные создали новый оптический инструмент с помощью присоединения тонкого волновода, представляющего собой нанопровод из оксида олова, к концу оптического волокна, таким образом, что свет, распространяющийся внутри волокна, может легко «переходить» в нанопровод за счет эффекта спаривания. При достижении кончика нанопровода, свет переизлучается, вследствие чего он может использоваться для получения оптических изображений внутриклеточного пространства (если конец нанопровода вставляется в биологическую клетку).

Команда провела испытания своего инструмента и обнаружила, что свет, излучаемый кончиком нанопровода, был в значительной степени локализован в пространстве. Это позволит создавать на базе нового инструмента средства для узконаправленного освещения объектов внутри биологических клеток.

Созданный эндоскоп, в отличие от обычного флуоресцентного зондирования на основе относительно толстых субмикронных конусообразных оптических волокон, является неинвазивным, т.к. он может быть безопасно внедрен в цитоплазму клетки без ее повреждения. При этом синий свет, излучаемый нанопроводом, не опасен для клетки, т.к. объем освещенного пространства в отличие от упомянутого флуоресцентного зондирования, очень мал (имеет порядок пиколитров).

Рисунок 12 — Схематическое изображение разработанного итальянскими учеными неинвазивного эндоскопа на базе нанопровода из оксида олова

5.6 Медные нанопровода в FED дисплеях

Медные нанопровода могут быть использованы в производстве дисплеев с автоэлектронной эмиссией (FED), которые дают более яркое и четкое изображение, чем существующие дисплеи с плоским экраном; нанопровода будут излучать электроны на фосфорные частицы на экране [26].

Медные нанопровода подходят для использования в FED дисплеях, так как они не изменяют форму и обладают направленным окончанием. Нанопровода излучают электроны при относительно низком напряжении в 100 вольт в отличие от вольфрамовых нитей, использующихся в традиционных электронно-лучевых дисплеях (CRT), которые потребляют многие киловольты.

Дисплеи с автоэлектронной эмиссией более экономичны, чем плазменные и жидкокристаллические экраны, сохраняя при этом яркость и четкость электронно-лучевых мониторов. Принцип работы новых дисплеев похож на CRT мониторы, однако их толщина не превышает нескольких миллиметров. Вместо одной электронной пушки в них используются миллионы микроскопических электронных эмиттеров, которые выстреливают электроны в красные, зеленые и синие частички фосфора, нанесенные на дисплей.

Но все еще существуют проблемы, например, как сделать нанопровода достаточно надежными, чтобы они смогли работать в течение десяти лет — средний срок службы телевизора. А тот факт, что между эмиттерами и экраном должен быть вакуум, делает данный тип дисплеев еще более хрупкими, чем среднестатистические дисплеи.

5.7 Процессор из нанопроводов

Группа ученых и инженеров сделала ключевой шаг к созданию сверхкомпактных электронных вычислительных систем, которые разрешат проблему закона Мура. Этот закон гласит, что вычислительная мощность компьютеров удваивается каждые 2−3 года. По мнению экспертов, из-за ограниченных возможностей обычных литографических методов изготовления транзисторов в ближайшее время закон Мура перестанет работать.

Чтобы решить эту проблему, ученые разработали и собрали крохотное наноэлектронное управляющее устройство, с самой плотной компоновкой из когда-либо созданных процессоров. Новое устройство, названное nanoFSM, имеет очень низкое энергопотребление и по размеру меньше, чем человеческая нервная клетка.

Устройство nanoFSM [2] состоит из сотен нанопроводов-транзисторов, каждый имеет толщину меньше 20 нм. Транзисторы из нанопроводов используют очень мало энергии, к тому же они являются энергонезависимыми, то есть сохраняют положение «вкл» или «выкл» при отключении питания.

В процессоре nanoFSM нанопровода-транзисторы собраны в цепи на нескольких «плитках», которые могут выполнять вычисления.

В 2011 году ученые продемонстрировали одну «плитку» nanoFSM, способную выполнять простые логические операции. В 2014 году, сообщилось о том, что удалось объединить несколько плиток в одно устройство, то есть, фактически, создать программируемый нанокомпьютер.

Сборка такого нанокомпьютера стала возможна благодаря значительному прогрессу в технологиях высокоточной сборки плотных массивов из элементов наноразмерной величины. Кроме того, ученые научились изготавливать несколько копий nanoFSM за один раз, используя технологию так называемой сборки «снизу-вверх», то есть, группируя отдельные атомы или молекулы в готовое изделие.

Современные технологии производства процессоров используют другую технологию, сборку «сверху-вниз», то есть изготовление миниатюрных цепей из крупной заготовки.

Заключение

Нанопровода — это одно из перспективнейших направлений нанотехнологий. Нанопровода обладают маленьким диаметром, благодаря чему поверхностная электропроводность играет настолько существенную роль, что классические диэлектрики оксиды металлов становятся проводниками электрического тока. К настоящему моменту, ученые научились получать массивы нанопроводов из самых разных веществ, существуют технологии выращивания полупроводниковых, оксидных, металлических и органических нанопроводов. Которые могут активно использоваться для создания сверхмощных компьютеров будущего, для медицинских целей, для создания нового поколения источников преобразования энергии, для использования в электронике, для создания новых устройств и технологий отображения информации, для создания новых типов аккумуляторов и для решения других задач.

Список использованных источников

1. http: //elementy. ru/trefil/21 172

2. http: //zaqw. ru/kompyuter-i-internet/zhelezo/836-nejrony-iz-nanoprovodov-stanut-osnovoj-dlya-kompyuterov-budushchego

3. Л. Уильямс, У. Адамс Нанотехнологии без тайн. Путеводитель. М.: McGraw-Hill (Перевод), 2010. — 203 с.

4. http: //rnd. cnews. ru/tech/news/line/index_science. shtml? 2011/06/15/443 935

5. http: //www. nanometer. ru/2010/07/16/12 792 608 577 576_215471. html

6. Л. Уильямс, У. Адамс Нанотехнологии без тайн. Путеводитель. М.: McGraw-Hill (Перевод), 2010. — 203, 205−207 с.

7. http: //ru. wikipedia. org/wiki/%C1%EE%F0%EE%E2%F1%EA%E8%E9_%F0%E0%E4%E8%F3%F1

8. http: //www. translatorscafe. com/cafe/RU/units-converter/frequency-wavelength/c/

9. http: //gennady-ershov. ru/gravitaciya/foton-termon. html

10. Детлаф А. А., Яворский Б. М. — Курс физики, 2012. 325−326 с.

11. http: //dic. academic. ru/dic. nsf/enc_geolog/3276/Намагниченность

12. Л. Уильямс, У. Адамс Нанотехнологии без тайн. Путеводитель. М.: McGraw-Hill (Перевод), 2010. — 204 с.

13. Л. Уильямс, У. Адамс Нанотехнологии без тайн. Путеводитель. М.: McGraw-Hill (Перевод), 2010. — 205 с.

14. http: //ru. wikipedia. org/wiki/CVD-процесс

15. http: //cyberleninka. ru/article/n/effekt-lazernoy-rezonansnoy-ablyatsii-v-mikro-i-nanotehnologiyah

16. http: //www. nanonewsnet. ru/news/2012/razrabotana-tekhnologiya-vyrashchivaniya-poluprovodyashchikh-nanoprovolochek-na-grafene

17. http: //www. russianelectronics. ru/leader-r/news/9318/doc/63 341/

18. http: //ko. com. ua/nanoprovoda_dlya_nanoshem_17 958

19. http: //grawalreset. ucoz. com/news/vyrashhivanie_nanoprovodov_vdol_sapfira_obespech/2013−03−28−67

20. http: //www. nanonewsnet. ru/articles/2011/nanoprovoda-iz-bakterii

21. http: //ria. ru/science/20 110 131/328428179. html

22. http: //www. nanometer. ru/2010/07/16/12 792 608 577 576_215471. html

23. http: //www. chemport. ru/datenews. php? news=2224

24. http: //www. ixbt. com/news/hard/index. shtml? 13/41/83

25. http: //www. nanonewsnet. ru/news/2011/nanoprovoda-pozvolyayut-sozdat-odnokletochnyi-endoskop

26. http: //www. pcwork. ru/nanoprovoda_est_li_predelyi_ih_vozmozhnostyam_. htm

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой