Способы хранения информации в наноэлектронных запоминающих элементах

Тут сразу возникает много новых вопросов. В частности, граница металл/молекулярный полупроводник даже на макроуровне весьма неопределен. Тем не менее истинно «наноразмерные» эффекты ожидаются именно в этом классе. Конструируются молекулярные наномашины и наномоторы (роторы), динамические молекулярные переключатели, транспортировщики энергии, устройства распознавания, хранения информации. Для исследования инжекции носителей и туннельного тока в отдельных молекулах совершенствуются методы зондовой микроскопии. Следует учитывать, что в числе главных достоинств (если не самых главных) органики находятся дешевизна и доступность. Изощренный синтез новых соединений делает их едва ли не дороже высокочистых неорганических веществ, поэтому наибольшие практические перспективы имеют исследование и модификация (оптимизация) широко распространенных и изученных (более или менее) соединений с высокой стабильностью и способностью интегрироваться в разработанные технологические процессы. Из наиболее известных — это фталоцианины, фуллерены, политиофены и полиарены. Фуллереноподобные материалы

Графит, алмаз и карбин в течение долгого времени считались основными аллотронными состояниями углерода. Их применяли во многих отраслях промышленности и техники, в том числе в микрои оптоэлектронике. За 10 лет до конца XX века были обнаружены сначала в космосе, а потом получены в лаборатории новые молекулярные формы углерода — фуллерены и фуллереноподобные индивидуальные вещества и материалы. В настоящее время фуллереновые материалы начинают широко применять в промышлен-ности: от микрои наноэлектроники до эффективных медицинских препаратов. К фуллереновым материалам относятся следующие:

Фуллерены.Они образуют молекулярно-кристаллические твердые тела, часто вследствие большого размера и высокой симметрии своих молекул — пластические кристаллы без температуры плавления. Они образованы молекулами С2n, имеющими форму либо сфер, либо эллипсов, хотя возможны их другие комбинации (полусферы с цилиндрами из углерода). Возможны многослойные сферы или эллипсы («оолитовые» или «луковичные» структуры). Размер молекул главного представителя фуллеренов С60 составляет 1 нм, и в растворе молекулы обладают свойствами броуновской частицы. Углеродные нанотрубки. Они образованы из свернутых по различным направлениям графитовых плоскостей и закрыты на концах сетчатыми углеродными полусферами. Такие «графитовые» нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Последние могут быть переведены окислением и травлением в однослойные. Углеродные нанотрубки могут иметь разветвления и изгибы.

В этом случае они теряют исходную «графитовую» структуру и не называются «графитовыми». Однослойные нанотрубки имеют размеры от 1 до 10 нм в диаметре и длину 100—1000 нм и более, а многослойные имеют диаметры и длину в 10—100 раз больше. Твердые тела могут быть образованы из жгутов нанотрубок или коллинеарных (но более коротких) образований. Наполненные фуллерены (эндопроизводные). Наполнением могут быть молекулы инертных или других газов, небольшие органические и неорганические молекулы, атомы металлов (щелочных, щелочноземельных, лантанидов и др.). Несмотря на трудности получения и малый выход таких производных, присущие им свойства заставляют исследовать их синтез и возможные применения. Эти производные в большинстве своем имеют крайне низкие потенциалы ионизации по сравнению с металлами, и по-видимому, обладают металлическими свойствами. Наполненные углеродные нанотрубки. Помимо перечисленного выше для наполнения могут быть использованы фуллерены меньшего диаметра. Неорганические нанотрубки (MoS2, WSe2 и др.). Фуллереноподобные материалы обладают рядом замечательных характеристик, включая химическую стойкость, высокую прочность, жесткость, ударную вязкость, теплопроводность и электропроводность. В зависимости от тонких особенностей молекулярной симметрии фуллерены и нанотрубки могут быть диэлектриками, полупроводниками, обладать металлической проводимостью и высокотемпературной сверхпроводимостью.

Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными — возможно даже уникальными — материалами для изготовления электрических проводов, сверхпроводящих соединений или целых устройств, которые с полным основанием можно назвать изделиями молекулярной электроники. Химической сборке элементов различных схем благоприятствуют свойства фуллерена, который может образовывать ионы от +6 до -6 и в различных матрицах — связи с донорами, акцепторами, свободными радикалами и ионами. Фуллерены могут также использоваться при создании средств молекулярной оптоэлектроники для фемтосекундной оптоволоконной передачи информации. Полимеризация фуллеренов при электронно-лучевом или ионизирующем воздействии дает возможность получать резисты нового поколения. Углеродные нанотрубки используются в качестве игольчатых щупов сканирующих зондовых микроскопов и в дисплеях с полевой эмиссией, в высокопрочных композиционных материалах, электронных устройствах со схемами из коротких нанотрубок, подвергнутых манипулированию и сборке. Молекулярный характер фуллереновых материалов позволяет разработать химическую стратегию сборки этих элементов в пригодные для использования структуры, материалы и, возможно, даже молекулярные электронные устройства. Углеродные нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) являются наноструктурами с широким потенциалом применения. Впервые они были получены в 1991 г. Ижимой [8]. Кроме фундаментальных исследований УНТ оказались перспективными материалами для получения новых наноматериалов и наноустройств. Это прежде всего возможность регулировать проводимость нанотрубки путем изменения ее структуры. Второе важное свойство — это высокая напряженность электронного поля, порождаемая малым нанометровым диаметром нанотрубки по отношению к среднему приложенному напряжению. Это приводит к аномально высокому току эмиссии при относительно малых напряжениях и лежит в основе создания холодных катодов и эмиттеров на основе УНТ.

Поскольку УНТ представляют собой полости, они могут использоваться не только как адсорбенты, но и как хранилища газообразных или жидких веществ, в частности для хранения водорода. На современном этапе исследований возможны два применения углеродных нанотрубок в полупроводниковых приборах. Одно из них состоит в использовании углеродных нанотрубок в качестве канала затвора в полевых транзисторах, учитывая, что характеристики, подобные характеристикам полупроводника, могут быть получены путем контроля вектора хиральности. Другое применение заключается в использовании углеродных нанотрубок в качестве межслойных контактов или многослойных пленок, принимая во внимание такие преимущества нанотрубок, как высокая плотность электрического тока, высокая электропроводность, высокая теплопроводность и высокое аспектное отношение. В таблице 3 приведены характеристики УНТ в сравнении с обычными материалами. Как видно из этой таблицы, плотность тока в нанотрубке выше, чем в кремнии и меди примерно в 2 раза.

Также подвижность выше, чем в кремнии. Ввиду того, что теплопроводность углеродной нанотрубки в 10−20 раз выше, чем у кремния и меди и ее упругость очень высока, можно говорить о том, что углеродная нанотрубка является наилучшим материалом для межслойных контактов. Таблица 3. Углеродные нанотрубки

Кремний (транзистор)Медь (разводка)Плотность тока (А/см2)

1 х 1091×1071×107Скорость переноса электронов (см/с)2т8хЮ91×107Удельное сопротив-ление (Ом х см)4×10~4 2×1061,67×10″ 6Тепропроводность (Вт/мК)3000 Ч- 5 500 150 398

Технология процесса

СамоорганизацияЛитография

ЛитографияНаноэлектронные элементы информационных систем

В транзисторах на квантовых эффектах волновая природа электронов и соответствующие явления становятся основополагающими в их работе. Это достигается в полупроводниковых структурах с размерами, уменьшенными до 10 нм и ниже. Одними из первых появились элементы на резонансном туннелировании. Явление резонансного туннелирования было впервые описано в 1958 году японским исследователем Л. Исаки и детально исследовалось им до 1974 года. Однако всестороннее теоретическое обоснование и экспериментальные транзисторы на резонансном туннелировании появились лишь в начале 90-х годов. Транзисторы на резонансном туннелировании представляют собой двухбарьерный диод на квантовых ямах, у которого потенциал ям и соответствующие резонансные условия контролируются третьим электродом. Эти транзисторы имеют частоты переключения порядка 1012

Гц, что в 100−1000 раз выше, чем у самых лучших кремниевых транзисторов из современных интегральных микросхем. Есть предложения по созданию на таких транзисторах ячеек статической памяти и других элементов для вычислительных систем. В 1986 году советскими учеными К. К. Лихаревым и Д. В. Авериным, изучавшими одноэлектронное туннелирование, был предложен, а позже и опробован одноэлектронный транзистор на эффекте кулоновской блокады. В его конструкции, состоящей из двух последовательно включенных туннельных переходов (рис. 1), туннелирование индивидуальных электронов контролируется кулоновской блокадой, управляемой потенциалом, приложенным к активной области транзистора, расположенной в его середине между двумя прослойками тонкого диэлектрика. Количество электронов в этой области прибора должно быть не более 10, а желательно и меньше. Это может быть достигнуто в квантовых структурах с размером порядка 10 нм. В цифровых интегральных схемах на одноэлектронных транзисторах один бит информации, то есть два возможных состояния 0 и 1, может быть представлен как присутствие или отсутствие индивидуального электрона.

Тогда однокристальная схема памяти емкостью 1012 бит, что в 1000 раз больше, чем у современных сверхбольших интегральных схем, разместится на кристалле площадью всего 6,45 см². Над практической реализацией этих перспектив сегодня активно работают специалисты ведущих американских, японских и европейских электронных фирм. Квантовый интерференционный транзистор, предложенный в 1986 году Ф. Солсом и др., использует эффект фазовой интерференции электронов в вакууме.

Прибор состоит из полевого эмиттера, коллектора и сегментированных конденсаторов между ними. Конденсаторы контролируют траектории и фазовую интерференцию электронов в вакууме за счет электростатического потенциала на них. Рабочие частоты этого прибора оцениваются величинами 1011−1012

Гц. В 1993 году японскими учеными (Ю. Вада и др.) было разработано новое семейство цифровых переключающих приборов на атомных и молекулярных шнурах. Базовая ячейка (рис. 1) состоит из атомного шнура, переключающего атома (на рисунке он показан красным цветом) и переключающего электрода. Общий размер такой структуры составляет менее 10 нм, а рабочие частоты оцениваются величинами порядка 1012

Гц. Принцип работы атомного реле состоит в следующем. Переключающий атом смещается из атомного шнура электрическим полем, приложенным к переключающему электроду. Реле переходит в выключенное состояние. Теоретически показано, что зазор в атомном шнуре величиной 0,4 нм является достаточным, чтобы прервать продвижение по нему электронов. На предложенной основе разработаны логические элементы НЕ-И и НЕ-ИЛИ, ячейка динамической памяти. Предполагается, что они позволят создать суперкомпьютер c оперативной памятью 109 байт на площади 200 мкм2. Для создания атомных реле требуется уникальный сканирующий туннельный микроскоп, обеспечивающий прецизионную манипуляцию атомами. Работы в этом направлении идут успешно. Заключение

Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем. Уже сегодня техника вплотную приблизилась к теоретической возможности запоминать и передавать 1 бит информации (0 и 1) с помощью одного электрона, локализация которого в пространстве может быть задана одним атомом. Ожидает практического разрешения и идея аналогичных однофотонных элементов. Широкое применение одноэлектронных и однофотонных элементов для создания информационных систем пока сдерживается недостаточной их изученностью, а главное, необходимостью обладать технологией — нанотехнологией, позволяющей конструировать требуемые структуры из отдельных атомов. Такие возможности существуют только в исследовательских лабораториях. Однако современные темпы развития электроники позволяют уверенно прогнозировать промышленное освоение нанотехнологии, а вместе с ней и наноэлектроники уже в начале XXI века.

Список использованных источников

информацииKumar P, D’Ariano G.M., Hirota O. (E

ds.) Quantum Communication, Computing and Measurement. — K luwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2000, 533 p. Атомная структура полупроводниковых систем/ отв. Ред. А. Л. Асеев.

Новосибирск: Издательство СО РАН, 2009. — 292 с. Бауместер Д., Экерт А., Цайлингер А. Физика квантовой информации. — М.: Постмаркет, 2002, 376 с. Валиев К. А., Кокин А. А. Квантовые компьютеры: надежды и реальность.

— Ижевск: «Регулярная и хаотическая динамика». 2011. 352 с. Горбачев В. Н., Жилиба А. И. Физические основы современных информационных процессов или Учебное пособие по квантовой телепортации, квантовым вычислениям и другим вопросам квантовой информации. СПб, Тверь, 2011, 42 с. Ожигов Ю. И. Квантовый компьютер и его возможности. — МГТУ «Станкин», 1999, 57 с. Пул Ч., Оуэнс Ф.

// Нанотехнологии. Москва: Техносфера, 2011. 336 с. Садовничий В. А. (ред.) Квантовый компьютер & квантовые вычисления. I, II. — Ижевск: Ред.

журн. «Регуляр. и хаотич. динам.», 1999

Стин А. М. Квантовые вычисления. — Ижевск: «Регулярная и хаотическая динамика». 2000. 100 с.