Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Наноэлектронные устройства.
В настоящее время имеется много наноэлектронных квантовых устройств разнообразного назначения (рис. 1). Эффективность этих устройств связана с резким увеличением плотности (от 5 до 100 раз) и скорости (от 10 до 100 раз) записи, а также снижением энергопотребления (более чем в 50 раз). Устройства с резонансным туннелированием успешно использовались в различных запоминающих устройствах для создания логических схем (включая схемы с многозначной логикой).
Методы молекулярной электроники и самосборки позволяют организовать производство новых устройств, работающих в новых режимах и измерениях другого масштаба. Например, в технике энергонезависимых и устойчивых к облучению запоминающих устройств возникло новое направление, связанное с наномагнитными спиновыми структурами. В этих устройствах используется магниторезистивный эффект в многослойных структурах. Сейчас интенсивно разрабатывается теория квантовых клеточных автоматов, связанных с технологией формирования соединенных квантовых точек, которые могут применяться для создания бестранзисторных вычислительных систем. Возможности существующих полупроводниковых комплементарных МОП-структур могут быть значительно расширены с помощью исследований кремниевых гетеропереходов, ширины запрещенной зоны, вертикальных структур и других особенностей.
В качестве других применений наноэлектронных устройств можно отметить радары с цифровым управлением, приемники с электронной поддержкой, устройства синхронной передачи данных, широкополосные каналы связи, устройства формирования сигналов, устройства цифровой обработки данных и аналого-цифровые преобразователи. Эффективность устройств с резонансным туннелированием была доказана на практике, и в долгосрочной перспективе должно произойти внедрение наноэлектронных квантовых приборов в различные области, в особенности в те, которые связаны с аналого-цифровым преобразованием сигналов и их обработкой в телекоммуникационных системах.
Рис. 1. Наноэлектронные устройства и их архитектура, обеспечивающая высокие рабочие характеристики.
За последние тридцать лет организация ПАСА завершила начальный, разведывательный этап изучения ближайших объектов Солнечной системы. Дальнейшие работы будут связаны либо с полетами к более удаленным целям (в частности к Солнцу или Плутону), либо с аппаратами, способными решать значительно более сложные задачи, такие, как высадка на поверхность небесных тел, отбор образцов и их доставка на Землю. Для осуществления этих крупномасштабных и дорогостоящих исследований НАСА разработала обширный проект под названием «Программа развития технологий для исследований в глубоком космосе» и обозначением Х2000, в рамках которого, начиная с 2000 г., каждые два-три года в космос должны выводиться ракеты с усовершенствованным бортовым оборудованием, предназначенным для изучения Солнечной системы и даже ее окрестностей. Особое внимание уделяется уменьшению размеров космических аппаратов; для этого постоянно снижаются размеры и вес систем авионики (авиационной электроники, бортового оборудования летательных аппаратов).
Рис. 1. Прогноз развития авионики.
В решении этой задачи важную роль должно сыграть интегрирование микро- и нанотехнологий. На рис.1 представлены прогнозы изменения основных параметров (вес, объем, потребляемая мощность) бортовых электронных устройств. Современному состоянию электронной техники соответствуют данные левой колонки, относящиеся к космическому кораблю «Марс Пасфайндер».
Первое поколение аппаратуры по проекту Х2000 соответствует интегральным системам авионики, в которых объединены функции управления и обработки данных, контроля за положением космического аппарата и его энергетическими установками, согласования режимов работы научных приборов и т. д. Дальнейшая миниатюризация оборудования и развитие техники автоматического управления должны привести к более высокой степени интеграции и созданию модульной, элементной архитектуры, предназначенной для эксплуатации в условиях длительных комических экспедиций. Новые системы авионики будут иметь значительно меньшее энергопотребление по сравнению с современными системами.
Прототипом будущих однокристальных и многокристальных интегральных схем станет разрабатываемая по проекту Х2000 интегральная схема авионики, получившая название «Система на чипе» (System On A Chip, SOAC). Эта интегральная схема будет содержать систему управления энергетическими установками, систему датчиков, телекоммуникационные модули, центральный процессор и запоминающие устройства. Нанотехнология призвана обеспечить как миниатюризацию таких устройств, так и их интеграцию.
Примерно к 2020 г. ожидается реализация программы новых компьютерных технологий, которая позволит не только преодолеть пределы полупроводниковой технологии, но и создать полностью автономные, высокоэффективные и низкоэнергетические «мыслящие космические аппараты». Безусловно, для этого потребуется применение нанотехнологий, поскольку обычная, цифровая вычислительная техника (даже с учетом ее успехов за последние годы и возможного создания в будущем суперкомпьютеров) не сможет соревноваться с биологическими системами в задачах распознавания образов, чувственного восприятия, управления в сложных условиях или адаптации к окружающей среде. В разделе «5-е поколение» (рис. 1) представлены две нанотехнологии, которые будут определять возможности космических аппаратов 2020 г.:
Квантовый компьютер.
Такое устройство должно быть создано на основе объединения принципов традиционной вычислительной техники и квантовой физики. Хотя концепция квантового компьютера проста, этого нельзя сказать о ее реализации. Разработка квантового компьютера мотивируется двумя проблемами:
Биомиметические устройства.
Биомиметикой называется научное направление, связанное с имитацией биологических процессов. Это направление основано на исследованиях архитектуры, функций, механизмов и принципов действия биосистем. Ниже приводятся примеры биомиметических объектов, представляющих интерес для нанотехнологии:
В дальнейшем, когда исследования этих явлений позволят создавать небольшие и легкие устройства с низким энергопотреблением, НАСА сможет создавать и запускать космические зонды для решения задач, недоступных в настоящее время.
В принципе, можно допустить мысль об изготовлении нанороботов, которые выполняли бы достаточно сложные функции либо независимо друг от друга, либо после самосборки в некоторые системы. Вообразите, например, высокоразрешающий видеоэкран, который может производить «саморемонт», просто имея микроскопического робота на каждом элементе экрана. Такие «пикселботы» (pixel — элемент или точка растра) были бы способны производить свет, но были бы также достаточно «умными», чтобы удалить себя с экрана при поломке. Другие пикселботы при этом должны были бы почувствовать образовавшуюся вакансию и перегруппироваться для ее заполнения
. Другой пример — введение в человеческий организм микророботов-санитаров, которые химически безвредны, но способны удалять раковые клетки в месте их образования. Обладая способностью отличать больные клетки от здоровых, такие роботы функционировали бы независимо от организма и непрерывно лечили бы ткани, не мешая обычному ходу биохимических процессов в организме. Аналогичный подход может быть использован для создания самооптимизующихся кремниевых запоминающих устройств и процессоров: при возникновении неполадок пользователь просто должен бл бы подождать, пока компьютер сам себя не отремонтирует.Для создания таких устройств требуется исследование свойств автономных систем, способных к самосборке. Сотрудники Лос-Аламосской национальной лаборатории изучают такие системы, создавая очень недорогие и достаточно крупные роботы (рис. 1), которые способны адаптироваться к окружению, включая взаимодействие с другими роботами при выполнении некоторых задач (например, при обнаружении неразорвавшихся мин, как показано на рисунке). Характеристики таких «умных» клеточных систем сохраняются при изменении масштаба и могут быть использованы при создании разнообразных наномашин, способных выполнять невообразимые операции. Подобные разработки могут иметь огромный коммерческий потенциал.
Рис. 1. Модельная система для наноробото-техники. Самособирающиеся роботы (диаметром 7,5 см) отмечают место, где под землей находится неразорвавшаяся мина.
Такие роботы дешевы, питаются от солнечных батарей и не имеют процессора (что облегчает их применение и миниатюризацию)
Достижения нанотехнологии будут иметь важное значение для разработки ин-тегрированных микросистем. Интеграция микроэлектронных, микроэлектромеханических, оптических и химических микродатчиков в единые «системы на чипе» является именно тем направлением, которое позволит одновременно использовать механические, оптические и химические свойства материалов.На рис. представлены возможные варианты применения таких миниатюрных интегрированных систем, которые смогут чувствовать, думать, говорить (общаться) и действовать.
Однако для их создания необходимо научиться управлять наномасштабными процессами. Так, например, возможность создания указанных на рисунке МЭМС и устройств фотоники зависит от успехов в изучении новых явлений в нанонауке и процессов в нанотехнологии.
Рис.. Возможности создания и использования интегрированных микросистем, в которых совместно используются механические, электрические, оптические и химические свойства наноматериалов.
Небольшие электронные устройства – мобильные плееры или даже кардиостимуляторы – можно питать с помощью наногенераторов, преобразующих механическую энергию в электричество. Ученые из Технического университета штата Джорджия обещают довести идею до практического применения в ближайшие пять лет.
Ученые Технологического университета штата Джорджия создали элементы питания для обычной электроники с помощью наноразмерных генераторов, которые преобразуют механическую энергию извне с помощью набора нанопроводков.
В данном случае механическая энергия – это сжатие наногенератора двумя пальцами. Но ее можно получать и из биения сердца, и из ударов подошв обуви по земле, и из вибрации технического оборудования.
Такие генераторы, конечно, никогда не смогут производить большие объемы электричества в промышленных целях, однако они вполне могут питать небольшие устройства, например, батареи iPod , ЖК-дисплеи, светоиспускающие диоды и лазерные диоды, небольшие электронные устройства, применяемые в здравоохранении, мониторинге условий окружающей сред. Работа наногенераторов Ванга основана на пьезоэлектрическом эффекте, наблюдаемом в кристаллических материалах (например, оксиде цинка). Электростатический потенциал возникает, когда предмет, сделанный из такого материала, сжимают или растягивают. «Собирая» электричество с миллионов наноразмерных проводков оксида цинка, ученым удалось получить ток напряжением до 3 В и силой до 300 нА.
Рис. Схема наногенератора.
Первые наногенераторы из оксида цинка использовали стержни, выращенные на твердой подложке и присоединенные к металлическому электроду. Новые наногенераторы способны производить электрический ток при простом растяжении – в этом случае оба конца нанопровода погружены в полимерный материал. Ключевая стадия процесса производства генераторов – аккуратный рост нанопроводов. Однако группа Вана придумала более простой способ производства. Нанопровода нового типа имеют коническую форму. После доведения роста до нужной величины проводки помещали в спиртовой раствор. Раствор с нанопроводками затем капали на тонкий металлический электрод и лист растяжимой полимерной пленки. Спирт высыхал, и на полученный слой помещали новый. Так получались чередующиеся слои полимера и нанопроводов, составляющие единый композиционный материал. Систему следует снабдить конденсатором, который мог бы запасать небольшое количество электроэнергии, достаточное для того, чтобы переслать массив данных в случае угрозы отключения устройства.
Другое направление усовершенствования технологии – создание пьезоэлектроники на основе смешанного цирконата-титаната свинца. Этот материал уже используется в промышленности, однако нанопровода из него растить не так просто, это требует нагрева до 650 градусов Цельсия, сообщается в статье журнала Nature Communications. Ванг и его коллеги добились возможности получать такие нанопровода при температуре всего 230 градусов Цельсия.
Внешняя навигационная система может использовать ряд различных методов, чтобы передвигать наноробота в нужном направлении. Один из этих методов – использование ультразвуковых сигналов чтобы установить текущее расположение наноробота и направить его в правильном направлении. Врачи будут посылать ультразвуковой сигнал в тело пациента. Наноробот сможет испускать пульсации ультразвуковых сигналов, которые бы улавливал доктор, используя специальное оборудование с ультразвуковыми сенсорами. Врачи смогут контроллировать маршрут наноробота и маневрировать им в теле пациента.
Используя устройство для магнитно-резонансной томографии, врачи смогут задавать маршрут наноробота благодаря магнитному полю, который он излучает. Доктора и инженеры в научном заведении Ecole Polytechnique de Montreal (Монреаль, Канада) продемонстрировали как они могут обнаружить, задать направление и даже маневрировать маленькой магнитной частицей, введённой в артерии свиньи, используя специальное программное обеспечение на магнитно-резонансном томографе. Так как многие больницы не могут позволить себе потратить деньги на дорогие и неподтверждённые технологии, использование томографов для контроля нанороботов может стать стандартом.
Врачи также смогут отслеживать нанороботов путём введения радиоактивных красителей в кровеносную систему пациента. Затем можно использовать флюороскоп или похожее устройства для обнаружения радиоактивного красителя во время его движения по сердечно-сосудистой системе. Комплексные трёхмерные изображения могли бы указать где расположен наноробот. Или иной вариант: наноробот выпускает радиоактивный краситель, создавая за собой дорожку при движении через тело человека.
Другие методы отслеживания нанороботов включают рентген, радиоволны, микроволны или тепло. Наноробот с химическими сенсорами мог бы обнаружить и следовать по пути специфических химикатов, чтобы достичь нужного места. Спектральный сенсор позволит нанороботу собрать образцы окружающей ткани, анализировать их и следовать по пути правильной комбинации химикатов.
Нанокомпьютеры.
Рис.16-кубитный процессор "Orion"
Наноэлектроника в настоящее время вплотную приблизилась к созданию и новых типов вычислительной техники – нанокомпьютеров. Можно предположить, что нанокомпьютеры будут развиваться одновременно по нескольким направлениям, реализующим различные способы представления информации (на основе квантовой логики, классической логики), а также появятся некоторые другие, например, генетические, молекулярно-биологические, молекулярно-механические...
Нейроны на кремниевых чипах, искусственные синаптические связи, целые нервные сети, совмещенные с логическими ключами.
Рис. Один нейрон крысы на микросхеме. Ионный поток в клетке превращает её в составную часть полевого транзистора, позволяя клетке влиять на работу электроники. Опыт Петера Фромхерца (институт. Макса Планка, фото с сайта biochem.mpg.de).
Специальный чип с поперечником в 1 миллиметр содержит 16 тысяч 384 транзистора и сотни конденсаторов. Когда на него высаживаются нервные клетки, транзисторы получают от них сигналы, а конденсаторы, под управлением транзисторов, посылают сигналы от электроники – нейронам.
С точки зрения физики, взаимодействие нейронов и схемы происходит благодаря перемещению ионов натрия через клеточную мембрану, что меняет локальный её заряд, на который реагирует транзистор. В свою очередь, управляемый электроникой заряд на конденсаторе влияет на ионный ток через мембрану, заставляя нейрон реагировать на «запрос» извне. Использовав генную инженерию, исследователи (а работали они сначала с нейронами улитки, как с более крупными и простыми, а потом – с нейронами крыс, как с более сложными и меньшими по размеру) модифицировали нейроны животных, увеличив в их оболочках число ионных каналов и повысив их активность.
Сам чип также получил новшества: его покрыли белками, которые в мозге связывают нейроны вместе (своего рода клей) и также активируют ионные каналы в нейронах. В чипе были применены транзисторы с уменьшенным шумом, участки для возбуждения нейронов и соседние с ними транзисторы были сближены до нескольких микронов, чтобы можно было посылать импульс и получать отклик от одного единственного нейрона.
Рис. Нейроны улитки «прицеплены» к одной из опытных схем, на поверхности которой радиально расходятся дорожки — искусственные синапсы (фото с сайта biochem.mpg.de).
Тесное взаимодействие нервных клеток и схемы позволяет исследователям заставить сигналы чипа влиять на нейрон так, чтобы в нём включался новый ген Т.е. попробовать включать и отключать гены. Как это будет происходить? Химический состав, который непосредственно выключал бы ген, должен быть добавлен в лабораторную чашку, содержащую гибрид нейронов с чипом. Электроника же будет, по замыслу биологов, определять какая из живых клеток, подсоединённых к чипу, отреагирует на раствор, а какая – нет, за счёт влияния на работу клеточных мембран.
Это позволит создавать новые устройства, например, чипы с памятью на основе живых клеток, чипов-протезов, помогающих в работе организма при заболеваниях нервной системы, или просто – чипов, контролирующих состояние здоровья человека.
- штришок к будущему Homo Electronics?
Импланты головного мозга помогают бороться с болезнью Паркинсона, депрессией и эпилепсией. Современные электронные устройства могут работать по двум разным принципам действия. Первый – стимуляция нейронов электрическими импульсами, что приводит к «перекрикиванию» естественных сигналов головного мозга. Другой способ заключается в перенаправлении сигнала от рабочих нейронов к таким же здоровым в обход «простаивающих» из-за болезни. Покрытие нановолокон и искусственных нейронов биосовместимым полимером, в том числе электропроводящим, позволяет продлить срок службы электродов имплантантов.
Рис. Нановолокна, покрытые биосовместимым полимером.
Наноэлектромеханические системы.
(НЭМС) (англ. Nanoelectromechanical systems (NEMS)) характеризуются малыми размерами, при этом их размеры соответствуют функциям, выполняемым устройствами. Граничные размеры варьируются от нескольких сотен до единиц нанометров. Новые физические свойства, появившиеся благодаря малым размерам, играют ведущую роль в операциях, выполняемых этими устройствами, поэтому для их изготовления требуются новые подходы. В настоящее время можно выделить две основные тенденции в создании НЭМС:
- уменьшение размера существующих микроэлектромеханических систем (МЭМС),
- разработка принципиально новых молекулярных двигателей и молекулярных электромеханических устройств.
Первый подход связан с большими сложностями, поскольку методы, используемые для создания МЭМС (электронная литография, ионное травление и др.) имеют ограниченное разрешение, поэтому их проблематично использовать для создания нанообъектов. Как ожидается, НЭМС произведут революцию в области метрологии, особенно – при измерении чрезвычайно малых сил и смещений на молекулярном уровне.
Уже в настоящее время на основе НЭМС созданы нанорезонаторы с фундаментальной частотой колебаний выше 10 ГГц что еще не так давно казалось недостижимым. Такие резонаторы уже нашли применение в качестве кантилеверов сканирующей зондовой микроскопии, нановесов и наносенсоров биологических молекул и ДНК.
Другим очевидным преимуществом НЭМС является их чрезвычайно низкое энергопотребление.
К одному из важнейших классов НЭМС можно отнести также и наноактюаторы – молекулярные моторы. Очевидно, что для движения какого - либо объекта нужно подвести к нему и затратить некоторое количество энергии, точно так же как для человека необходима еда, чтобы двигаться и жить. В микро- и наносистемах вместо электромагнитного принципа преобразования энергии, используемого повсеместно в «макроэлектронике», часто используют пьезоэлектрический или электростатический эффекты; в зависимости от выбора принципа работы наноустройств подвод энергии к микро- или наноэлектромеханической системе может осуществляться также электрически, термически или химически. Электрические наноактюаторы управляются наиболее просто – приложением внешней разности потенциалов или электромагнитного поля. Исследователи из Беркли (США) создали электрический наноактюатор, очень похожий на обычный электромотор. Вращающаяся часть, называемая ротором, – крошечная золотая пластинка размером около 250 нм, которая закреплена на оси – углеродной нанотрубке. Вокруг ротора расположено три электрода – два по бокам и один снизу. Подавая на электроды переменное электрическое напряжение с амплитудой около 5В, ученые заставляют наномотор вращаться. В основе работы тепловых актюаторов лежит обычно эффект теплового расширения или деформации контакта двух материалов (часто – пары металл-диэтектрик) за счет различия в коэффициентах теплового расширения. Разогрев элементов проводят, пропуская через них электрический ток или нагревая окружающую среду. Такие актюаторы могут создавать достаточно большие силы, однако эффективность использования энергии весьма мала. Увеличение разницы коэффициентов теплового расширения материалов позволяет несколько повысить КПД, однако общая эффективность этих устройств обычно не превышает 0,1%. Если для ученых создание НЭМС является сложнейшей задачей, решение которой, по-видимому, станет делом ближайшего будущего, природа уже на протяжении миллионов лет легко создает различные наномеханические устройства. Многие известные биологические системы – вирусы, бактерии, одноклеточные микроорганизмы и др. – имеют различные приспособления, позволяющие им перемещаться в зависимости от поведения окружающей среды, в том числе под действием электрических импульсов нейронов. Поэтому одним из актуальных направлений в области создания НЭМС является не разработка принципиально новых, а подражание уже известным природным молекулярным моторам. Химическое управление такими наноактюаторами осуществляется при помощи изменения состава окружающей среды, ее кислотности и других факторов. Иногда используют свет, который, воздействуя на молекулы, приводит актюатор в движение. К химическим наноактюаторам относятся и так называемые биологические молекулярные моторы. Примером такого мотора может быть EcoR124I – крошечное устройство, способное выталкивать и втягивать сделаный из молекулы ДНК стержень со скоростью почти 190 нанометров в секунду, а общее перемещение может достигать 3 микрометров. Диаметр этого стержня – всего 2 нанометра. Вместо «нанобатарейки» такой молекулярный мотор использует молекулы АТФ (аденозинтрифосфорной кислоты) – стандартный источник энергии, которым пользуются живые клетки. Существует много других наноактюаторов, сделанных из биологических молекул, полимеров, кремния и других материалов.
НЭМС осциллятора
PAGE 12