используются, с одной стороны, процессы удаления материала, резки, шли­фования, травления и т.п., которые можно отнести к процессам «сверху- вниз», и, с другой стороны, процессы осаждения, имплантации, легирования и т.п., которые можно отнести к процессам «снизу-вверх». Обычно совре­менные нанотехнологии не только объединяют в себе оба этих подхода, но также сочетаются с микротехнологиями.

В целом нанотехнологии базируются на различных физических, химиче­ских и биологических процессах, которые могут иметь место в нанотехноло- гиях, реализуемых как по принципу «сверху-вниз», так и по принципу «сни­зу-вверх» (рис. 1.10).

Нанотехнологии на основе физических процессов

Нанотехнологии на основе химических процессов

Нанотехнологии

на основе биологических процессов

Нанотехнологии

Микротехнологии

Нанотехнологии «сверху-вниз»

Нанотехнологии «снизу-вверх»

Зондовые и литографические нанотехнологии

Рис. 1.10. Классификация нанотехнологий

1.5. Области применения наноматериалов и нанотехнологий

Благодаря своим свойствам наноматериалы находят широкое практическое применение. В машиностроении используются конструкционные, инстру­ментальные и триботехнические наноматериалы. Некоторые виды наномате- риалов показали высокую эффективность в ядерной и водородной энергети­ке. В химической промышленности находят применение нанокатализаторы, нанофильтры, газовые нанодатчики. В сельском хозяйстве получили распро­

странение генное модифицирование растений, животных, продуктов пита­ния, наносредства обработки почвы. В медицине используются лекарствен­ные нанопрепараты, медицинские наноматериалы, в частности, для целей имплантирования, а также медицинский наноинструментарий. В охране ок­ружающей среды применяются наноанализаторы газов и жидкостей, нано- очистители воздуха и воды, наносредства переработки отходов. Наномате- риалы и наносистемы находят широкое использование в аэрокосмической промышленности, где требования к миниатюризации аппаратуры являются особенно жесткими.

Значительные перспективы применения наноматериалов связаны с раз­витием наноэлектроники. Электронные наносистемы выполняют, как прави­ло, информационно-управляющие функции, т.е. осуществляют обработку, хранение и передачу информации в виде электрических сигналов, а также оказывают управляющие воздействия на управляемые процессы. В основе действия устройств наноэлектроники лежат квантовые эффекты, определяю­щие поведение подвижных носителей заряда (как электронов, так и дырок) в наноструктурах.

На основе использования квантовых интерференционных эффектов можно создавать электронные наноприборы, представляющие собой полу­проводниковые наноструктуры, в которых перенос электронов контролиру­ется испытываемой ими интерференцией. В частности, разработаны интер­ференционные транзисторы, в которых обеспечивается управление интерфе­ренцией с помощью управляющего электрода-затвора. Интерес к таким тран­зисторам связан с тем, что они могут быть быстродействующими приборами с большим коэффициентом усиления. Высокое быстродействие обеспечива­ется главным образом благодаря малым размерам. Скорость движения элек­тронов в GaAs равна около 10⁵ м/с, и поэтому время переноса носителей за­рядов (время пролета) через активную область протяженностью 100 нм со- 12

ставляет всего 10^- с.

Используя эффект одноэлектронного туннелирования, можно создавать электронные приборы, состоящие из одной или нескольких квантовых точек, соединенных туннельными переходами - как между собой, так и с подводя­щими электродами. Так, в одноэлектронных транзисторах электроны "по­штучно" переносятся от истока к стоку через разделяющую их квантовую точку, электронные состояния в которой электростатически контролируются электродом-затвором. Преимуществами одноэлектронных транзисторов яв­ляются малые размеры (вплоть до размеров нескольких атомов) и связанная с

ними возможность высокой степени интеграции, а также чрезвычайно низкая потребляемая мощность. В свою очередь, используя эффект резонансного туннелирования, можно создавать резонансно-туннельные нанодиоды и на- нотранзисторы, работающие с временами переключения, составляющими единицы и десятые доли пс, т.е. в диапазоне частот вплоть до нескольких ТГц (10¹² Гц). Важными особенностями электронных наноприборов на тун­нельных эффектах являются их расширенные, по сравнению с традиционны­ми приборами, функциональные возможности, и высокое быстродействие, благодаря чему эти приборы играют большую роль в создании сверхбыстро­действующих интегральных микросхем со сверхвысокой степенью интегра­ции.

Широкие перспективы в области создания приборов магнитной записи открывает использование спиновых эффектов. К числу таких приборов отно­сятся считывающие головки на гигантском магнитосопротивлении, устрой­ства памяти на гигантском магнитосопротивлении и туннельном магнитосо- противлении. Соответствующее направление наноэлектроники, базирующее­ся на использовании этих эффектов, называется спинтроникой.

Особым по своей важности направлением наноэлектроники является мо­лекулярная электроника, охватывающая область исследований принципов управления внутримолекулярными электронными процессами с целью соз­дания качественно новой элементной базы информатики. Объектами иссле­дований молекулярной электроники являются электронные наносистемы, со­держащие в качестве составных частей одиночные молекулы или молекуляр­ные комплексы, а также технологии изготовления таких наносистем, осно­ванные на использовании процессов самосборки, включая процессы манипу­лирования как одиночными молекулами, так и молекулярными комплексами.

К фундаментальным проблемам молекулярной электроники относятся:

• существенное (в миллионы раз) повышение быстродействия и объема памяти информационных систем путем создания наносистем, работа которых основана на реализации естественных биологических процессов, протекаю­щих на молекулярном уровне;

прямое взаимодействие органов человека с наносистемами, в частно­сти, путем вживления наноустройств в органы с целью обеспечения диагно­стики их состояния и стимулирования их функционирования (особенно в случае больных или ослабленных органов), частичной компенсации утрачен­ных ими функций (зрения, слуха и т.п.);

прямое взаимодействие нейронной сети человека с системами «искус­ственного интеллекта», в частности, с программно-аппаратными средствами, позволяющими имитировать элементы мыслительного процесса.

Особенностью электронных наносистем, создаваемых на молекулярном уровне, является ярко выраженное проявление квантовых эффектов.

Ожидается, что развитие молекулярной электроники даст наиболее эф­фективные результаты в тех областях, которые связанны с использованием функциональных специфических свойств молекулярных систем. Особые пер­спективы имеет биомолекулярная электроника - направление молекулярной электроники, охватывающее проблемы создания наноустройств, содержащих одиночные биомолекулы, в частности, ДНК и белки, или биомолекулярные комплексы. Биомолекулярная электроника тесно связана с биомиметрикой - научной областью, занимающейся проблемами имитации биологических процессов. В качестве примера, можно привести следующие данные о био- миметрических объектах, представляющие интерес для биомолекулярной электроники [4]:

1 г ДНК может содержать столько же информации, сколько библиоте­ка Конгресса США;

• мозг человека содержит около 10¹⁴ внутренних связей и может осуще­ствлять до 10¹⁶ операций в секунду, причем его работа отличается высокой точностью и очень низким энергопотреблением человеческий организм об­ладает высокоэффективной иммунной системой, которую можно назвать «системой саморемонта».

В последние годы получила развитие нанооптика. Оптические наноси- стемы, подобно электронным, выполняют информационно-управляющие функции, осуществляя обработку, хранение и передачу информации в виде оптических сигналов. Перспективным разделом нанооптики является нано- фотоника. Ее элементную базу составляют фотонные кристаллы, которые эффективно использовать в устройствах обработки, хранения и передачи ин­формации. Одним из наиболее эффективных применений фотонных кристал­лов является создание фотонно-кристаллических волокон, открывающих ши­рокие возможности на пути развития средств оптической связи.

С развитием нанофотоники связываются перспективы работ по созда­нию оптических компьютеров, интенсивная разработка которых ведется с середины 1980-х годов. Сердцем таких компьютеров должен быть оптиче­ский процессор, использующий элементы, в которых свет управляет светом, а логические операции осуществляются в процессе взаимодействия свето­

вых волн с веществом. Первый макет цифрового оптического устройства, способного выполнять логические операции с высокими параметрами быстродействия и потребления энергии, создан в 1990 году в лабораториях американской фирмы «Белл». Принципиальным недостатком всех раз­рабатывавшихся до сих пор вариантов оптических компьютеров была крайне низкая интегрируемость их отдельных компонентов, невозможность обеспечить эффективные сопряжения между матрицами преобразования и хранения информации и волноводами. Предполагается, что данная проблема может быть решена с помощью фотонных кристаллов, использование кото­рых позволит создать полностью оптический процессор.

Одним из эффективных путей дальнейшего совершенствования аппарат­ных средств информатики является взаимосвязанная разработка электронных и оптических наносистем, отличающихся высоким быстродействием преоб­разования соответственно электрических и оптических сигналов.

С каждым годом постоянно возрастает поток информации о разработках в области наномеханики. Механические наносистемы обычно осуществляют исполнительные механические операции. Среди изделий наномеханики до­вольно сложно выделить типовые элементы, поскольку, как правило, они входят в качестве составных частей в более сложные устройства различного функцио­нального назначения. К типичным «чисто» механическим нанокомпонентам относятся балки, спицы, мембраны, струны, трубки, кольца, диафрагмы, сопла, шарниры, шестерни и т.п. Вместе с тем возможно создание механических на- ноустройств, в которых часть механических функций выполняют живые орга­низмы (бактерии). С другой стороны, известны работы по созданию механиче­ских нанокомпонентов, встраиваемых в биологические объекты.

Создание изделий наномеханики связано со значительными технологи­ческими трудностями, обусловленными жесткостью предъявляемых к ним требований. Прежде всего, такие изделия должны обладать высокой прочно­стью, твердостью и износостойкостью. В то же время они должны проявлять и другие свойства с учетом особенностей их применения. В большинстве случаев наиболее важным требованием для них является стабильность рабо­ты в реальных условиях эксплуатации.

К числу наиболее важных областей применения наномеханики относит­ся медицина. Особенно перспективным является создание наноробототов, способных выполнять определенные медицинские операции в теле пациента. Весьма интересны в практическом отношении нанокатетеры, позволяющие эф­фективно осуществлять диагностику и терапию в кровеносных сосудах и

кишечном тракте, а также дозирующие и распределительные наноустройства, обеспечивающие доставку лекарств, требуемых пациентам. Кроме того, ма­лые размеры микрокомпонентов делают их идеальными для манипулирова­ния биологическими образцами на микроскопическом уровне. В частности, разрабатываются аналитические наноустройства на стеклянных или кремниевых чипах, получившие название «лаборатория-на-чипе», проводящие экспресс- анализ ДНК и других биомолекул.

Другой не менее важной областью применения механических наноуст- ройств является экология, где эти устройства могут обеспечивать дистанци­онный мониторинг окружающей среды, включая отбор проб, анализ, обра­ботку результатов и контроль на местности. Типичными примерами их при­менения в этой области являются контроль загрязнения воздуха и воды, кон­троль выделения выхлопных газов, распределения нитратов в растениях и другие.

Изделия наномеханики также находят применение в промышленности, прежде всего, в автомобилестроении, где они могут эффективно контролиро­вать рабочие параметры камер сгорания двигателей.

Механические наноустройства, с учетом особенностей их применения в медицине, подвергаются воздействию биологических сред (кровь, лимфа, физиологические растворы), а также лекарственных препаратов, а потому должны обладать высокой био- и коррозионной стойкостью. Высокие требо­вания к коррозионной стойкости, а также к теплостойкости и стойкости к термическим ударам предъявляются к этим устройствам в случае их приме­нения в экологии и промышленности, где они подвергаются химическим и тепловым воздействиям. Кроме того, некоторые типы механических нано- компонентов, например, используемых в катушках для создания магнитных полей или конденсаторах, должны обладать специфическими электрически­ми свойствами (высокой проводимостью в первом случае или высоким элек­трическим сопротивлением во втором).

Наномеханика, приходящая на смену микромеханики, находится пока еще на ранних стадиях разработки. Для изготовления изделий наномеханики используются зондовые технологии и нанолитография. Наибольшее распро­странение получили механических устройства наномеханики на нанопрово- локах, углеродных нанотрубках, а также молекулярных наноструктурах. Особым разделом наномеханики является наноробототехника. Нанороботы подразделяются на манипуляционные, имеющие разные степени свободы пе­