Переход от микротехнологий к нанотехнологиям
Развитие науки и техники позволило перейти к освоению нанотехнологий. Появилась новая наука нанотехнология. Проблемы, возникающие в процессе создания и исследования наноразмерных элементов в различных областях техники и науки стали особенно интересовать ученых.
Развитие наноэлектроники и нанотехнологии привело к необходимости промышленного освоения нанометрового диапазона элементов.
Стоит задача разработки в будущем таких технологий, которые позволяли бы оперировать отдельно взятыми атомами или молекулами для осуществления принципов атомной или молекулярной сборки в промышленных масштабах.
Таким образом, возникает ряд проблем, имеющих технический, технологический и фундаментальный характер. Необычность этих проблем заключается в исторически сложившейся особенности нанотехнологии, которая заключается в том, что в рамках нанонауки происходит взаимодействие двух направлений, ранее мало пересекавшихся: химического направления и микротехнологии. Каждое из этих направлений имеет свои представления о приоритетах, свою терминологию, методику и амбиции.
Микротехнология
Рождение новых наук, которые активно развиваются на основе фундаментальных знаний, является характерной особенностью современного естествознания. Одной из таких наук является микроэлектроника, которая сформировалась на основе физики. В последнее время микроэлектроника постепенно перерастает в наноэлектронику.
Наноэлектроника и микроэлектроника имеют одно общее основание – электронику. Согласно определению, электроникой называется наука, изучающая взаимодействие электронов с электромагнитными полями и методов создания электронных приборов и устройств, которые применяются для обработки, хранения и передачи информации.
Электроника возникла в начале ХХ века. На ее основе были разработаны электровауумные приборы, в числе которых и электронные лампы.
Начиная с 50-х годов ХХ века, начинает активно развиваться твердотельная электроника, главным образом, полупроводниковая.
В 60-х годах возникло новое направление электроники, являющееся наиболее перспективным – микроэлектроника. Ее возникновение связано с непрерывным усложнением функцией и расширением области применения электронной аппаратуры. Это потребовало изменения ее габаритов и массы, а также увеличения надежности и быстродействия.
В основе электронной базы микротехнологий лежат интегральные схемы, которые выполняют функции блоков и узлов электронной аппаратуры.
В последнее время ведутся разработки по созданию интегральных схем, размеры которых определяются нанометрами. То есть происходит постепенное трансформирование микротехнологий в нанотехнологии.
Таким образом, микротехнологией называется процесс изготовления таких структур, масштаб которых равен микрону и менее.
Микротехнология состоит из разных процессов, выполняемых в определенной последовательности. Некоторые приемы известны давно, например, травление и литография.
Технология полирования была позаимствована из производства оптических стекол.
В работах 19 века уже использовалась технология электрохимического осаждения и вакуумной техники.
В процессе изготовления микроустройства происходит чередование операций травления и нанесения тонких слоев. Устройство выглядит как стопка двухмерных структур из разных материалов. Применяются также различные операции по модификации поверхности, такие как окисление, легирование, отжиг и т.д.
В настоящее время происходит активное развитие молекулярно –инженерной технологии, а процесс перехода от микротехнологий к нанотехнологиям приближается к решению поставленной задачи.
Нанотехнологии
Нанотехнологией называется совокупность приемов и методов, которые обеспечивают возможность контролируемым образом создавать и изменять объекты, размер компонентов которых менее 100 нм, имеющие совершено новые свойства и позволяющие производить их интеграцию в полноценно работающие системы большего масштаба.
Нанотехнология подразумевает навыки работы с такими объектами и создания из них более крупных структур, которые имеют принципиально другую молекулярную организацию.
В связи с этим появились такие понятия, как нанонаука, наноинженерия, нанотехнология.
Датой основания нанотехнологий считается 29 декабря 1959 года. Тогда профессор Калифорнийского технологического института Ричард Фрейман в своем докладе высказал идею управления и контроля материалов на микроскопическом уровне. Он подчеркнул, что речь идет не только и миниатюризации, но и о возможностях размещения большого количества информации на устройстве, имеющем размер кончика булавки. По мнению профессора, этого можно достичь путем уменьшения обычных размеров в 25000 раз, не теряя при этом разрешение. Предполагалось, что использование таких технологий позволит уместить все мировое собрание книг в одну небольшую брошюру.
В настоящее время нанотехнологии используются для создания светопоглощающих и защитных покрытий, транзисторов, топливных элементов, лекарств, медицинских аппаратов и т.д. Уже сейчас в дизельное топливо добавляют нанопримеси на основе оксида церия, что повышает коэффициент полезного действия топлива на 4-5% и позволяет снизить степень загрязненности выхлопных газов.
Основными направлениями применения нанотехнологий являются:
- наноэлектроника и нанофотоника
- наноэнергетика
- наномедицина
- нанокосметика
- нанотехнологии обеспечения безопасности
- нанобиотехнологии
- нанотехнологии для пищевой промышленности
- нанотехнологии для сельского хозяйства
- нанотехнологии для легкой промышленности.
Главным напрвлением развития нанотехнологий является выращивание наноструктуры, наноматериалов и нанообъектов. К нанотехнологиям существуют два ключа:
- организация процесса таким образом, чтобы наноструктуры собирались сами, образуя при этом то, что было задумано. То сеть это является процессом самоорганизации структуры, самосборки.
- для решения большинства проблем нанотехнологий требуется совместная деятельность физиков, математиков, биологов, химиков. Именно такой междисциплинарный подход позволяет достичь главной цели и избежать нежелательных последствии.
