2.2 Основная концепция нанотехнологии

2.2.1 Физико-химические основы нанотехнологии

Исторически рассматривая проблему развития технологии с позиций размеров изделий, следует отметить, что на первых этапах создавались изделия, соизмеримые с размерами человека, отличие в два–три порядка не играет роли, размеры определялись функциональными особенностями изделия. В дальнейшем стало очевидным, что для решения ряда проблем в электронике, биологии, химии больших размеров не требуется, напротив, уменьшение размеров (например, в электронике) не только позволило решить те же самые задачи, но и значительно улучшило практически все характеристики изделий, причем в ряде областей науки и техники уменьшение размеров является необходимым условием решения проблем.

Для решения этих проблем используемые технологии можно грубо разделить на две части. В ряде случаев нанообъекты можно получать из большой заготовки, путем удаления лишнего материала. Такие технологии иногда называют “сверху–вниз”. Примером таких технологий являются применение тонкого перемола (сухого и тонкого) материала, обкалывание, отпиливание и т.д.

Второй вид, называемый технологиями “снизу–вверх” подразумевает получение объектов из отдельных атомов, используя, например, методы молекулярно-лучевой эпитаксии через трафарет, самосборкой за счет поверхностной диффузии, сборкой нужной конфигурации из отдельных атомов с помощью сканирующего туннельного микроскопа.

Возможны и промежуточные варианты, например технология материалов и изделий на “пористом” кремнии, когда на подложке монокристаллического кремния методами травления создается наноструктура.

В целом, нанотехнология “снизу–вверх” открывает принципиально новые горизонты, характеризующиеся практической безотходностью, экологической чистотой, наноразмерами и возможностями использовать их в любой области науки и техники.

Одним из основных направлений развития нанотехнологии является сборка или самосборка деталей и изделий методом поатомного или помолекулярного дизайна. Отметим, что можно выделить три вида самосборки наноструктурных материалов. Физическая самосборка, ярким примером которой является создание квантовых точек за счет повышенной диффузии атомов по поверхности подложки или методами молекулярно-лучевой эпитаксии. Химическая самосборка, при которой происходит процесс образования крупных молекулярных или кристаллических структур из большого числа атомов или молекул. При этом требуется заданная и воспроизводимая форма этих структур. В данном варианте процесс самосборки может происходит на поверхностях или без них. Наиболее ярким примером таких процессов является образование фуллеренов, нанотрубок и других углеродных материалов в первую очередь. Биологическая самосборка, позволяющая создавать конструкции из биологических объектов, например из ДНК и РНК, и соединение этих объектов с неорганическими молекулами. Элементы “низшего“ порядка (атомы, молекулы, фрагменты биологических клеток) располагаются в требуемой последовательности для сборки необходимой конструкции. При таком типе по существу безотходной технологии резко уменьшается материало- и энергоемкость, улучшаются экологические показатели и технико-экономические характеристики изделия. Указанные методы позволяют наносить друг на друга слои атомов разного типа и формировать гетероструктуры – ключевые элементы наноэлектронных устройств.

Путь “снизу–вверх” стал реален лишь в последнее десятилетие XX века, появилась возможность создавать промышленные нанотехнологические процессы. В настоящее время этот подход характеризуется низкой производительностью, но именно ему принадлежит будущее при дальнейшем повышении технического мастерства в нанотехнологии. Процессы “снизу–вверх” широко известны и доминируют в биологии и молекулярной химии. Например, самосборка биологических тканей в живых организмах осуществляются с высокой эффективностью именно на атомно-молекулярном уровне.

Казалось бы, что эти два подхода “сверху–вниз” и “снизу–вверх” прямо противоположны друг другу. В действительности они слишком часто лишь дополняют друг друга, особенно в комбинированных методах синтеза наноструктур.

Необходимо отметить следующее важное обстоятельство. При использовании технологии “сверху–вниз” в конечных наночастицах сохраняется структура исходного материала с большими размерами. Однако при формировании объектов сборкой “снизу–вверх” свойства этих объектов могут определяется как природой и количеством исходных элементов (атомов, молекул), так и их взаимным расположением. Таким образом, нанотехнология позволяет варьировать свойства нанообъектов в зависимости от числа и взаимного расположения атомов. Изготовление нанообъектов с нанометровой точностью дает возможность получать уникальные функциональные характеристики. Так, в электронике самосборкой конструируют так называемые “квантовые точки”, стабилизирующие и удерживающие отдельные электроны, позволяющие работать со сверхмалыми токами, создавать на этой основе лазеры нового типа, резко повышать плотность магнитной записи и т.д. Использование самосборки в биотехнологии привело к созданию ДНК-чипов и разнообразных биологических датчиков и анализаторов. Многослойные нанопокрытия проявляют очень высокую механическую прочность и коррозионную стойкость.