CC BY
110STUD NET
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ В НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ
USE OF NANOMATERIALS IN NANOELECTRONICS
УДК 53.043
DOI: 10.24411/2658-4964-2020-10129 Регор Евгений Витальевич, студент третьего курса по специальности конструирования и технологии электронных средств Дальневосточного федерального университета, г. Владивосток Научный руководитель: Петина Ольга Николаевна, доцент кафедры автоматизации и управления Дальневосточного федерального университета, г. Владивосток
Regor Evgeny Vitalievich sea-pirate@list.ru
Аннотация
В статье рассматриваются перспективные наноматериалы, непосредственно связанные с ближайшим будущим в наноэлектронике, основанные на квантовых эффектах. К таким материалам относятся: квантовые биты, квантовые точки, нанотрубки и фуллерены, что является основой для квантовых вычислений, которые могут в миллиарды раз превосходить сегодняшние темпы. Это дает возможность создания квантовых компьютеров, процессоров с уменьшенными кремниевыми транзисторами, дисплеев на квантовых точках, обладающих рядом существенных преимуществ для восприятия человеком.
Abstract
The article discusses perspective nanomaterials directly connect to the near future in nanoelectronics, based on quantum effects. Such materials include: quantum bits, quantum dots, nanotubes and fullerenes, which is the basis for quantum computing, which can be billions of times faster than today's rate. This makes it possible to create quantum computers, processors with reduced silicon transistors, displays on quantum dots, which have a variety of significant advantages for human perceptions.
Ключевые слова: наноэлектроника; применение.
Keywords: nanoelectronics; application.
Наночастицы широко применяются в наноэлектронике - одной из областей нанотехнологии. Существенное различие между наноэлектроникой и микроэлектроникой - это проявление квантовых эффектов, которые начинают проявляться при работе элементов такого рода размеров. В новой области
электроники стало возможно не только полезно использовать квантовые эффекты для решения текущих практических задач, но и приступить к реализации стратегической цели по созданию квантовых компьютеров.
Для создания квантовых компьютеров необходимо создание процессоров, работающих на нескольких атомах. В теории это можно реализовать, построив квантовый компьютер, процессор которого работает на квантовых битах, он же кубит. «С базовыми состояниями у него все в порядке: там их также два и обозначать их можно тоже как «0» и «1». Но, будучи квантовым объектом, кубит находится в любой их (или всех сразу) комбинации — суперпозиции — до тех пор, пока мы не захотим его измерить. Тогда он неизбежно должен принять одно из базовых состояний, причем с определенной вероятностью, описываемой коэффициентами суперпозиции. Суперпозиция — понятие квантового мира и на привычный нам язык переносится с большой натяжкой. Но мы все же попытаемся» [1]. Бит и квантовый бит изображены на рисунке 1.
1 1
Рисунок 1. Бит и квантовый бит
В 1980 г. Р. Фейнману пришла идея создания квантового устройства для расчета поведения квантовых систем, на основе которой он описал квантовый компьютер. Согласно теории, достаточно мощная квантовая машина может решать задачи, для решения которых обычным суперкомпьютерам потребовались бы миллиарды лет.
Ученые и инженеры создают экспериментальные устройства, которые не могут сравниться с обычными компьютерами. Основная проблема на этапе разработки квантовых компьютеров - это разрушение состояний квантовых битов. Квантовое устройство содержит в себе большое количество ку битов. В кубитах кодируются определенные условия задачи, для выполнения которых им необходимо находиться в конкретном состоянии. Решение проблемы
сводится к взаимодействию кубитов, однако квантовые состояния очень неустойчивы, так как они легко разрушаются от шумов и изменчивости температуры. Для адекватной работы квантовой машины, длительность жизни квантового бита должна превосходить время расчета.
Кубиты на основе единичных атомов обладают рядом преимуществ, а именно, некоторые из них обладают подавленным разрушением состояний или устойчивостью к шумам. Сверхпроводящие квантовые системы широко применяются в качестве кубитов. Для изготовления таких систем, могут использоваться стандартные для современной микроэлектроники технологии литографии и напыления.
Значимым элементом таких сверхпроводниковых кубитов является джозефсоновский контакт, который представляет собой двухслойный проводник (сверхпроводящего металла), разделенный тонким слоем диэлектрика, в большинстве - оксида металла.
Ранее рассматривалась теория о том, что сверхпроводящий ток не может преодолевать этот слой, однако в 1962 году Брайан Джозефсон обнаружил, что ток может течь через барьер диэлектрика.
Технологически перспективными для создания кубитов считаются новые физико-химические объекты — квантовые точки.
Квантовые точки представляют собой полупроводниковые частицы, размеры которых не превышает 10 нанометров. При таких размерах квантовая точка обладает свойствами, присущими атому, поэтому ее зачастую называют искусственным атомом.
Квантовые точки можно разделить на два типа: эпитаксиальные квантовые точки и коллоидные квантовые точки.
Эти типы названы на основе методов их получения. На основе коллоидного синтеза можно получить нанокристаллы, покрытые слоем адсорбированных поверхностно-активных молекул, из чего следует, что они растворимы в органических растворителях.
В области высоких технологий, одной из наиважнейших химических задач является разработка способов создания квантовых точек с желаемыми параметрами.
Квантовые точки применяются для создания оптоэлектронных систем и рассматриваются как потенциальный источник света, потому что они обладают рядом преимуществ:
- потребляют очень мало энергии, по сравнению с лампами накаливания; -квантовые точки могут создавать любой тип света, в том числе - белый;
-производители могут точно контролировать размер квантовой точки; -производители могут настраивать длину волны излучаемого света на определенный цвет.
Также, в настоящее время широко используется технология изготовления дисплеев на квантовых точках - QLED.
QLED - это технология создания LCD дисплеев со светодиодной подсветкой на квантовых точках. Данная технология способствует снизить энергопотребление дисплеев, улучшить цветопередачу, то есть получить более насыщенные цвета и по сравнению с обычными LED экранами, имеет яркость на 25 - 30 процентов лучше. Вдобавок, данная технология позволяет дисплеи делать гибкими и сверхтонкими, с насыщенной глубинной цвета.
Различия конструкций дисплеев с жидкокристаллическим дисплеем (ЖК) и дисплея на квантовых точках, представлены на рисунке 2.
Рисунок 2. Конструкции дисплеев
«Ванейшей областью применения К. э. является метрология - создание квантовых стандартов частоты, квантовых магнитометров, лазерных дальномеров, лазерных систем дистанционного спектрального анализа, эталонов частоты (времени)» [2].
Нанотехнология в электроники получила мощный импульс благодаря использованию углеродных нанотрубок или еще их называют графены. Этот материал не только может преодолевать барьер уменьшения транзисторов, но
и внести электронным схемам улучшенные механические и оптические свойства. На основе этого материала изготавливают процессоры, которые включают в себя уменьшенные кремниевые транзисторы - 12 нм, однако уже планируется выпустить новые процессоры с 10 нм кремниевыми транзисторами. Наряду с этим нанотрубки могут служить основой тончайшего измерительного инструмента, используемого для контроля неоднородностей поверхностей таких схем. В одной из работ в данном направлении была использована многослойная нанотрубка в качестве зонда для исследования поверхности на нанометровом уровне.
Еще одним перспективным материалом являются фуллерены. Они представляют собой новую аллотропную форму углерода или четвертую модификацию углерода, первыми тремя являются графит, алмаз и карбон. [3] Фуллерены представляют собой сферы, поверхность которых состоит из пяти-и шестиугольников, вершинами которых являются атомы углерода. Лучшей симметрией обладает фуллерен С60, а значит и лучшей стабильностью.
Фуллерены являются достаточно новым и перспективным материалом в наноэлектронике. На основе гибких органических пленок можно будет производить целый ряд полупроводниковых устройств, которые тоже можно будет изгибать без нарушения их работоспособности. «При этом области применения органической наноэлектроники неограниченны: от дисплеев и огромных активных электронных бигбордов до RFID-меток и гибких компьютеров.» [3].
Наноэлектроника основывается на квантовых вычислениях. Это мировой прорыв. На данный момент впереди Америка, Канада и Китай. Российская Федерация не должна отставать, потому что от этого зависит благополучие и оборона страны, нужна сильная база ученых. Нанотехнология - это квантовые блокчейны для защиты от хакеров, современная стратегия, сверхмощные гаджеты, точное изучение окружающей среды и многое другое. Будущее за наноэлектроникой.
Список литературы
1. Глушков Е. Квантовый бит [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://naukatehnika.com/kvantovyij-bit.html (дата обращения 16.12.2017).
2. Карлов А. В., Шутова О. А. Квантовая электроника [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL: https://bigenc.ru/physics/text/2056883 (дата обращения 16.12.2017).
3. Свидненко Ю. Органическая электроника [электронный ресурс] — Режим доступа. — URL:
http://www.nanonewsnet.rn/articles/2007/organicheskayaelektronika-kak-fullereny-s60-v-tranzistory-popali (дата обращения 27.11.2007).
Bibliography
1. Glushkov E. Quantum bit [electronic resource] - Access mode. - URL: https://naukatehnika.com/kvantovyij-bit.html (accessed December 16, 2017).
2. Karlov A. V., Shutova O. A. Quantum electronics [electronic resource] -Access mode. - URL: https://bigenc.ru/physics/text/2056883 (accessed December 16, 2017).
3. Svidnenko Yu. Organic electronics [electronic resource] - Access mode. -URL: http://www.nanonewsnet.ru/articles/2007/organicheskayaelektronika-kak-fullereny-s60-v-tranzistory-popali (accessed 11.27.2007).
