Конструкции сканирующих туннельных микроскопов
реклама
1 №1 1. Назовите 4 критических технологии 2. Как можно стимулировать основные нанотехнологические операции (перемещение, осаждение, удаление атомов и молекул) №2 1. Почему биотехнолоигя относится к наукоемким технологиям 2. Какие требования предъявляются к конструкции и составу нанотехнологических установок. №3 1. Какая технология лежит в основе современного общества. 2. Можно ли и как избавиться от вибровоздействий на нанотехнологические машины №4 1. назовите области ближайшего применения изделий, создаваемых по MEMS –технологии 2. Что такое «квантовая» точка №5 (то же самое) №6 1. Опишите технологические и социальные достижения первой и второй научно-технической революций 2. Какие ограничения и почему накладываются на размеры «квантовых» проводников. №7 1. Что прежде всего понимают под сутью нанотехнологических операций. 2. Можно ли углеродные нанотрубки использовать в качестве квантовых проводников. №8 1. В чем состоят основные базовые операции технологии изготовления интегральных схем. 2. Что определяет физические свойства нанотрубок, используемых в качестве проводников, полупроводников и диэлектриков. №9 1. Существуют ли пределы и какова сейчас степень интеграции микросхем. 2. Какие конструкции наноэлектронных приборов (диодов, транзисторов) вам известны. №10 1. Что такое литография. Какими средствами и какие разрешения достигаются сегодня. 2 2. Сравните предельные частотные и радиационные свойства нано- и микроэлектронных элементов. №11 1. Имеет ли какое-либо значение степень очистки воздуха от пыли в производстве микросхем. 2. Известны ли вам примеры молекулярных и биодвигателей. Нарисуйте их схемы и поясните принцип действия. №12 1. Почему необходимо жестко стабилизировать температуру микроэлектронных процессов. 2. Каковы мировые объемы производства ультрадисперсных материалов. В каких областях материального производства они используются. №13 1. Что такое анизотропное травление. 2. Можно ли NEMS СБИС «наноухо» использовать в качестве блока управления зондами многозондовых машин? Дайте развернутое пояснение. №14 1. Зачем в MEMS-технологиях используют «жертвенные» слои. 2. Как связаны био- и нанотехнология Могут ли эти области развиваться независимо? Каковы перспективы их синтеза. №15 1. Почему MEMS и NEMS системы завоевывают рынки сбыта? В каких областях наиболее активно используются эти системы? 2. Что такое гены и генная инженерия. Каковы характеристики биоструктур №16 1. Почему MEMS и NEMS структуры относят к системам? Дайте определение термина микросхема. 2. Возможна ли генная терапия человека. №17 1. Туннельный эффект. В чем физическая суть этого процесса. Кто первым предложил его физико-математическую интерпретацию. 2. Что такое биочипы: Как устроена система диагностики на основе биочипов. №18 1. Сканирующий зондовый микроскоп. Нарисуйте и поясните принцип его работы. 3 2. Почему применительно к изделиям практических технологий применяем принцип двойных стандартов? №19 1. Что такое зонд СТМ? Каким требованиям он должен отвечать? 2. Назовите возможные области военного применения наноконструкций №20 1. Какие двигатели используются в сканирующих зондовых микроскопах. Каково их быстродействие, разрешающая способность и недостатки. 2. Назовите и обоснуйте области гражданского применения наноситем №21 1. что такое углеродные нанотрубки. Можно ли использовать их в качестве зондов СТМ? А как еще используют нанотрубки? 2. Назовите перспективы и основные цели национальных нанотехнологических программ США, ЕС, и Японии № 22 1. Что используется в качестве нанотехнологических установок? 2. подложек в отечественной практике воздушных Назовите достижения нанотехнологии до 2010-2015года. № 23 1. Какие типы производственных и аналитических зондовых машин вам известны? 2. что подразумевает сценарий «устойчивого» и «рыночного» развития цивилизации до 2030. 4 БИЛЕТ № 1 1. Назовите 4 критических технологии В мировой литературе в 2006 г. в качестве базовых технологий информационного общества, определяющих уровень культурного, экономического и оборонного потенциала любого государства, приводится перечень из 4 критических технологий: 1. Bioengineering одно из самых современных направлений науки, возникшее на стыке физико-химической биологии, биофизики, генной инженерии и компьютерных технологий. Бурное развитие этих областей за последние годы позволило ученым перейти от простого исследования природных биообъектов к их изменению и усовершенствованию, улучшению их полезных свойств, к созданию совершенно новых биологических объектов, не существующих в природе. Среди задач биоинженерии – искусственные белки, выполняющие заданные функции, новые клеточные структуры, обладающие полезными свойствами, и даже целые живые организмы, сконструированные для нужд человека. 2. MEMS and NEMS systems Англоязычная аббревиатура MEMS (NEMS)=Micro(Nano)-Electro-Mechanical Systems, дословно — микро (нано) электромеханические системы, обозначает совокупность устройств с размерами в микронном и субмикронном диапазонах, которые способны за счет внешних воздействий менять свое состояние или форму. Часто под понятием MEMS понимают целое направление в современной нанотехнологии, которое имеет дело с дизайном, методиками синтеза, диагностики, моделирования и использования, в том числе коммерческого, микро- и наномеханических устройств. MEMS устройства способны выполнять различные функции, включая сенсорные и управляющие. Сегодня устройства на основе MEMS нашли свое практическое применение в ряде оптических систем, сенсорах автомобильных "подушек безопасности", CВЧ приборах, в струйных принтерах, проекционных дисплеях и многих других. NEMS устройства пока еще только исследуются в различных лабораториях. Их практическое использование и выход на рынок систем на их основе следует ожидать в ближайшие 5-10 лет. 3. Nanotechnology Нанотехнологию можно определить как набор технологий и методик, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами (т.е. ) методик регулирования структуры и состава вещества) в масштабах 1-100 нм. Использование характерных особенностей веществ на расстояниях порядка нанометров создает доп, совершенно новые возможности для создания технологических приемов, связанных с электроникой, материаловедением , химией и многими др областями науки. 4. E-learning Образовательная «критическая» технология Новые образовательные стандарты E-learning обслуживают первые три направления (био-, MEMS и нано-), примыкая к тематике Национальных программ. Технология E-learning отсутствует в перечне критических технологий РФ. E-learning: Дистанционное образование. Индивидуальное обучение. 5 Электронные учебники. Виртуальные консультации. Конкретизация учебных программ. Как можно стимулировать основные нанотехнологические операции (перемещение, осаждение, удаление атомов и молекул) 1994 г. Начало применения нанотехнологических методов в промышленности. Однако принято считать, что нанотехнология "началась" когда 70 лет назад Г. А. Гамов впервые получил решения уравнения Шредингера, описывающие возможность преодоления частицей энергетического барьера даже в случае, когда энергия частицы меньше высоты , позволбарьера. Новое явление, называемое туннелированиемило объяснить многие экспериментально наблюдавшиеся процессы. Найденное решение позволило понять большой круг явлений и было применено для описания процессов, происходящих при вылете частицы из ядра - основы атомной науки и техники. Многие считают, что за грандиозность результатов его работ, ставших основополагающими для многих наук, Г. А. Гамов должен был быть удостоен нескольких Нобелевских премий. Развитие электроники подошло к использованию процессов туннелирования лишь почти 30 лет спустя: появились туннельные диоды, открытые японским ученым Л. Есаки, удостоенным за это открытие Нобелевской премии. Еще через 5 лет Ю. С. Тиходеев, руководивший сектором физико-теоретических исследований в московском НИИ "Пульсар", предложил первые расчеты параметров и варианты использования приборов на основе многослойных туннельных структур, позволяющих достичь рекордных по были успешно реализованы. В настоящее время быстродействию результатов. Спустя 20 лет они я процессы туннелирования легли в основу технологий, позволяющих оперировать со сверхмалыми величинами порядка нанометров (1нанометр=10-9 м). До сих пор создание миниатюрных полупроводниковых приборов основывалось, в основном, на технике молекулярно-лучевой эпитаксии (выращивания слоев, параллельных плоскости подложки), позволяющей создавать планарные слои из различных материалов с толщиной вплоть до моноатомной. Однако эти процессы имеют значительные ограничения, не позволяющие создавать наноскопические структуры. К этим ограничениям относится высокая температура процессов эпитаксии - до нескольких сотен градусов, при которой хоть и обеспечивается рост высококачественных пленок, однако не обеспечивается локальность формируемых областей. Кроме того, высокие температуры поверхности подложки стимулируют диффузионные процессы, "размывающие" планарные структуры. Более "холодные" технологии осаждения, типа напыления, из-за одновременности осаждения материала на всю подложку, одновременного роста в разных местах зерен осаждаемого материала и последующего образования дефектов на их границах раздела также не позволяли создавать бездефектные наноструктуры. Формирование элементов нанометрового размера первоначально планировалось осуществлять методами электронно-лучевой литографии, дополняемой методами ионного травления. Однако высокоэнергетичный электронный луч, рассеиваясь в подложке, вызывает значительные разрушения в материале, расположенном как под, так и в районе области фокусировки, практически перечеркивая возможность создания многослойных схем с нанометровыми размерами элементов. Возникла тупиковая ситуация, 6 решение которой было найдено в 1981 году. 2 Туннельный микроскоп. В 1981 году кардинально новым шагом, открывающим возможность создания высоколокальных - с точностью до отдельных атомов низкоэнергетичных технологических процессов, явилось создание Г. Бинингом и Г. Рорером, сотрудниками швейцарского отделения компании IBM, сканирующего туннельного микроскопа, за которое они в 1985 году были удостоены Нобелевской премии. Основой изобретенного микроскопа является очень острая игла, скользящая над исследуемой поверхностью с зазором менее одного нанометра. При этом электроны с острия иглы туннелируют через этот зазор в подложку. Исключительно резкая зависимость тока туннелирующих электронов от расстояния (при изменении зазора на одну десятую нанометра ток изменяется в 10 раз) обеспечила высокую чувствительность и высокую разрешающую способность микроскопа. Стабильное удержание иглы на столь малом расстоянии от подложки обеспечивается применением электронной следящей системы, под воздействием результатов измерения туннельного тока управляющее пьезоманипулятором, перемещающим иглу, что позволяет удерживать зазор с точностью выше сотых долей нанометра. Измеряя величины управляющих сигналов, при известной чувствительности пьезоманипулятора к перемещению под действием напряжения, определяют высоту исследуемой области поверхности. Сканируя над исследуемой поверхностью, по результатам измерений высот различных областей определяют профиль поверхности с точностью до отдельных атомов. Однако кроме исследования поверхности, создание нового типа микроскопов открыло принципиально новый путь формирования элементов нанометровых размеров. Были получены уникальные результаты по перемещению атомов, их удалению и осаждению в заданную точку, а также локальной стимуляции химических процессов. Обычно, для того чтобы провести измерения с помощью туннельных микроскопов между зондом и проводящей подложкой, прикладывают низкие напряжения в несколько милливольт, что ограничивает максимальную энергию туннелирующих электронов величиной, меньшей энергии тепловых колебаний атомов. При проведении нанотехнологических процессов между зондом и подложкой прикладываются напряжения в несколько вольт и даже десятков вольт, что позволяет активизировать проведение атомно-молекулярных процессов, характеризующихся переносом атомов, вплоть до локального испарения, а также стимулировать локальные химические реакции. Нанотехнологические процессы могут проводиться в различных средах: вакууме, газах и жидкостях. В вакууме, в основном, проводятся процессы полевого испарения материала с иглы на подложку и наоборот. Значительно большие технологические возможности открываются в установках с напуском технологических газов. В газовых средах проводят локальные химические реакции, позволяющие, по сравнению с вакуумными установками, расширить диапазон используемых материалов, повысить производительность технологических установок. Напуск технологического газа или паров вещества, используемых в 7 технологической реакции, приводит к образованию на поверхности подложки адсорбированного слоя. Зонд сканирующего туннельного микроскопа приближается к поверхности подложки и практически погружается в адсорбированный слой. Приложение напряжения между зондом и подложкой стимулирует прохождение нескольких процессов: .. поверхностной миграции полярных молекул адсорбированного вещества к зонду; . поляризации вещества под зондом; . удаления вещества из-под зонда за счет нагрева; . возникновения и поглощения плазменных колебаний; . межатомного взаимодействия зонда, подложки и вещества; . локальных химических реакций. Данные процессы в ряде случаев являются конкурирующими, и окончательный результат сильно зависит от типа применяемого вещества. В жидких средах также осуществляют локальные химические реакции, хотя отвод продуктов реакции сложнее, чем в предыдущем случае. Синтезируя подложку с определенными свойствами в газовых средах специального состава, можно создавать наноструктуры различных типов. В последние годы для работы с диэлектрическими подложками применяются атомно-силовые микроскопы, однако они не позволяют производить локальную активацию атомов и молекул под зондом, то есть при их помощи невозможно осадить проводящий материал на диэлектрическую подложку. Что же касается современной техники на базе туннельных микроскопов, то с их помощью можно активировать лишь материал, расположенный между вершиной зонда и проводящей подложкой, а не диэлектрической, как это требуется для практических целей. Поэтому главное направление развития технологии создания проводящих элементов на изолирующих материалах, это создание принципиально новых типов активаторов нанотехнологических процессов. БИЛЕТ № 3 1.Какая технология лежит в основе современного общества. 1. Нанотехнология – это та область, в которой ученые многих стран сейчас упорно соревнуются друг с другом, постоянно получая новые важные и интересные результаты. Первой страной, оценившей возможности новой науки стали США. Что же касается России, то в 2007 г. Правительством РФ на развитие НИОКР по нанотехнологии выделено 30 млрд.руб. Нанотехнологию можно определить как набор технологий или методи, основанных на манипуляциях с отдельными атомами и молекулами в масштабах 1-100нм. Дальше пишите всё, что хотите. По-моему, чем больше, тем лучше)))) 2.Можно ли и как избавиться от вибровоздействий на нанотехнологические машины 2. От вибровоздействий избавиться можно. 2 способа: 8 Нанометролог.лаб. бетон песок 1. Под нанометролог. лабораторией вырывают яму, туда насыпают песок, на земле бетонная основа, ну и потом строят эту лабораторию. Ну и типа это всё спасает от вибровоздействий. Лаборатория Этаж вибростол стол 2. Лабораторию строят обычно, ничего под ней не вырывая. На втором рисунке вынесен этаж из лаборатории. Внутри стол, на этом столе вибростол. Датчики фиксируют колебания. И какимто образом датчик в противофазе убирает колебания. (пьезодвигатели). Генная инженерия - это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим. Ген - элементарная и структурная единица наследственности. Часть молекулы ДНК и содержит закодированную информацию об аминокислотной последовательности одного белка или рибонуклеиновой кислоты (РНК) Всего 30 тысяч Сегодня геном - это на 95% нечто, чего мы не понимаем В 5% генома мы знаем многое о структуре и немногое о функциях БИЛЕТ № 4 9 1. Назовите области ближайшего применения изделий, создаваемых по MEMS –технологии 1. Сферы применения МЭМС (микроэлектромеханические системы): лекция №8,9 - патрикеев) 1. Военное применение (перемещающиеся системы, летательные аппараты, адаптивные оптические приборы, интегрированные жидкостные системы, оптические переключатели и согласующие устройства и т.д.) 2. Робототехнические применения MEMS 3. Микроаналитические системы(биочипы) 4. Матричные биочипы 5. Капиллярные биочипы 6. Компоненты проб-платформ 7. Микроаналитический чип 2. Что такое «квантовая точка» Квантовая точка — это фрагмент проводника или полупроводника ограниченный по всем трём пространственным измерениям и содержащий электроны проводимости. Точка должна быть достаточно маленькой, настолько, чтобы существенны были квантовые эффекты. Полупроводниковые квантовые точки представляют собой размерами порядка нанометра, гигантские молекулы, состоящие из 10 3 - 10 5 атомов, созданные на основе обычных неорганических полупроводниковых материалов Si, InP, CdSe и т.д. они больше обычных для химии традиционных молекулярных скоплений (~ 1 нм при содержании не больше 100 атомов), но меньше структур порядка нанометра по размерам, которые производятся современными литографическими средствами электронной промышленностью. Квантовой точкой может служить любой достаточно маленький кусочек металла или полупроводника. Исторически первыми квантовыми точками, вероятно, были микрокристаллы селенида кадмия CdSe. Применение: - Дисплеи - Наномеркеры Билет 6 1) Опишите технологические и социальные достижения первой и второй научнотехнической революций Первая научно-технической революция была революция XVII века, ознаменовавшая собой становление классического естествознания, характеризующееся следующими моментами: а) идеалом было построение абсолютно истинной картины природы; б) поиск очевидных, наглядных, «вытекающих из опыта» принципов, на базе которых можно строить теории, объясняющие и предсказывающие опытные факты; 10 в) все процессы объяснялись механическими причинами. Эта эпоха была временем господства механики во всех отраслях знаний. В основе науки этого времени лежали разработанные И. Ньютоном методы классической механики и математического естествознания в целом, базировавшегося на достижениях математики Р. Декарта, Г. Лейбница и др. Вторая научно - техническая революция ознаменовалась радикальными переменами в относительно устойчивой системе оснований естествознания в конце XVIII - первой половине XIX века. Механическая картина мира утрачивает статус общенаучной. Произошёл переход к новому состоянию естествознания – дисциплинарно организованной науке, в которой можно выделить следующие моменты: а) в биологии, химии и других областях знания формируются специфические картины реальности, несводимые к механической; б) происходит дифференциация дисциплинарных идеалов и норм исследования. Первая и вторая глобальные революции в естествознании протекали как формирование и развитие классической науки и ее стиля мышления. 2) Какие ограничения и почему накладываются на размеры «квантовых» систем. Квантовое ограничение Необычным свойством электронного «облака» является его неподатливость. Если мы со всех сторон начнём сдавливать это облако, стремясь уменьшить его размеры, то оно станет оказывать всё большее и большее давление. Т. е попытка ограничить размеры вероятного положения электрона приводит в пределе к бесконечному сопротивлению. Можно представить себе этот процесс, словно электрон начинает метаться по облачку, и чем меньше его размеры, тем сильнее он мечется, т. е. тем больше его кинетическая энергия. Таким образом, квантовое ограничение сопровождается как увеличением минимальной энергии запертого электрона, так и дополнительным квантованием энергетических уровней, соответствующих его возбужденному состоянию. Это приводит к тому, что электронные свойства наноразмерных структур отличаются от известных объемных свойств материала, из которого они сделаны. БИЛЕТ № 8 1. В чем состоят основные базовые операции технологии изготовления интегральных схем. Интегра́льная( engl. Integrated circuit, IC, microcircuit, microchip, silicon chip, or chip), (микро)схе́ма (ИС, ИМС, м/сх), чип, микрочи́п (англ. chip — щепка, обломок, фишка) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности, изготовленная на полупроводниковом кристалле (или плёнке) и помещённая в неразборный корпус. Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение «чип компоненты» означает «компоненты для поверхностного монтажа» в отличие от компонентов для традиционной пайки в отверстия на плате. Поэтому правильнее говорить «чип микросхема», имея в виду микросхему для поверхностного монтажа. В настоящий момент (2006 год) большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа. Классификация Степень интеграции В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (в скобках количество элементов для цифровых схем): 11 МИС — малая интегральная схема (до 100 элементов в кристалле); СИС — средняя интегральная схема (до 1000 элементов в кристалле); БИС — большая интегральная схема (до 10000 элементов в кристалле); СБИС — сверхбольшая интегральная схема (до 1 миллиона элементов в кристалле); УБИС — ультрабольшая интегральная схема (до 1 миллиарда элементов в кристалле); ГБИС — гигабольшая интегральная схема (более 1 миллиарда элементов в кристалле). В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом. Технология изготовления Полупроводниковая микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном полупроводниковом кристалле (например, кремния, германия, арсенида галлия). Плёночная микросхема — все элементы и межэлементные соединения выполнены в виде плёнок: толстоплёночная интегральная схема; тонкоплёночная интегральная схема. Гибридная микросхема — кроме полупроводникового кристала содержит несколько бескорпусных диодов, транзисторов и(или) других электронных компонентов, помещённых в один корпус. Технологический процесс При изготовлении микросхем используется фотопроцесс, при этом схему формируют на подложке, обычно из диоксида кремния, полученной термических оксидированием кремния. Ввиду малости размера элементов микросхем, от использования видимого света и даже ближнего ультрафиолета при засветке давно отказались. В качестве характеристики технологического процесса производства микросхем указывают ширину полосы фотоповторителя и, как следствие, размеры транзисторов (и других элементов) на кристалле. Этот параметр, однако, находится во взаимозависимости c рядом других производственных возможностей: чистотой получаемого кремния, характеристиками инжекторов, методами вытравливания и напыления. В 70-х годах ширина процесса составляла 2-8 мкм, в 80-х была улучшена до 0,5-2 мкм. Некоторые экспериментальные образцы рентгеновского диапазона обеспечивали 0,18 мкм. В 90-х годах из-за нового витка "войны платформ" экспериментальные методы стали внедряться в производство и быстро совершенствоваться. В начале 90-х процессоры (например ранние Pentium и Pentium Pro) изготавливали по технологии 0,5-0,6 мкм. Потом их уровень поднялся до 0,25-0,35 мкм. Следующие процессоры (Pentium 2, K6-2+, Athlon) уже делали по технологии 0,18 мкм. В конце 90-х фирма Texas Instruments создала новую ультрафиолетовую технологию с шириной полосы около 0,08 мкм. Но достичь её в массовом производстве не удавалось вплоть до недавнего времени. Она постепенно продвигалась к нынешнему уровню совершенствуя второстепенные детали. По обычной технологии удалось обеспечить уровень производства вплоть до 0,09 мкм. Новые процессоры (сперва это был Core 2 Duo) делают по новой УФ-технологии 0,065 мкм. Есть и другие микросхемы давно достигшие и превысившие данный уровень (в частности видеопроцессоры и flash-память фирмы Samsung - 0,040 мкм). Тем не менее дальнейшее развитие технологии вызывает всё больше трудностей. Обещания фирмы Intel по переходу на уровень 0,030 мкм. уже к 2006 году так и не сбылись. Сейчас альянс ведущих разработчиков и производителей микросхем работает над тех. процессом 0,032 мкм. 12 Основные операции изготовления ИС Резка слитков кремния на пластины ( wafers) Защитное окисление кремния-SiO2 Покрытие оснований фоточувствительными плёнками Фотолитография по Si и SiO2 Травление Si и SiO2 в изотропных и анизотропных травителях Диффузия примесей (образование p-n переходов) Металлизация (изготовление разводки и контактных площадок) Метрика и резка пластин на чипы Сборка ИС в корпус, метрика и каталогизация ИС (Время цикла изготовления ИС – 50 суток) 2. Что определяет физические свойства нанотрубок, используемых в качестве проводников, полупроводников и диэлектриков. Физические свойства УНТ в значительной степени определяются их хиральностью (свойство молекулы быть несовместимым со своим зеркальным отражением любой комбинацией вращений и перемещений в трёхмерном пространстве). Многочисленные теоретические расчеты дают общее правило для определения типа проводимости УНТ: трубки с (n, n) всегда металлические и если n – m= 3j, где j – нуль или целое число; трубки с n – m= 3j, где j не нулевое целое число, являются полупроводниками с малой шириной запрещенной зоны; а все остальные являются полупроводниками с большой шириной запрещенной зоны. БИЛЕТ № 9 1. Существуют ли пределы и какова сейчас степень интеграции микросхем. Степень интеграции микросхемы зависит от размера кристалла и количества помещенных на нем транзисторов. Основным фактором, определяющим возможность увеличения числа транзисторов сверхбольшой интегральной схемы, являются минимальные топологические размеры элементов, называемые также проектными нормами. Обычно эта величина измеряется в микронах (мкм). По мере уменьшения проектных норм могут быть увеличены и тактовые частоты работы микропроцессора. Сетевой график развития индустрии исключает проектные нормы 0,15 мкм для производства полупроводниковых микросхем. Стандартными проектными нормами в 2002 г. должны стать 0,13 мкм, 2005 г. - 0,1, 2008 г. - 0,07 и в 2014 г. - 0,035 мкм. Последние цифры, в частности, означают, что при производстве терабитных микросхем на 1 кв. см будет расположено до 390 млн. транзисторов. Заметим, однако, что потребляемая мощность - один из основных факторов, ограничивающих сложность кристалла. Степень интеграции В СССР были предложены следующие названия микросхем в зависимости от степени интеграции (в скобках количество элементов для цифровых схем): МИС — малая интегральная схема (до 100 элементов в кристалле); СИС — средняя интегральная схема (до 1 000); 13 БИС — большая интегральная схема (до 10 000); СБИС — сверхбольшая интегральная схема (до 1 миллиона); УБИС — ультрабольшая интегральная схема (до 1 миллиарда); ГБИС — гигабольшие (более 1 миллиарда). В настоящее время название ГБИС практически не используется (например, последние версии процессоров Pentium 4 содержат пока несколько сотен миллионов транзисторов), и все схемы с числом элементов, превышающим 10 000, относят к классу СБИС, считая УБИС его подклассом. Технологии изготовления Основным элементом аналоговых микросхем являются транзисторы (биполярные или полевые). Разница в технологии изготовления транзисторов существенно влияет на характеристики микросхем. Поэтому нередко в описании микросхемы указывают технологию изготовления, чтобы подчеркнуть тем самым общую характеристику свойств и возможностей микросхемы. В современных технологиях объединяют технологии биполярных и полевых транзисторов, чтобы добиться улучшения характеристик микросхем. Микросхемы на униполярных (полевых) транзисторах — самые экономичные (по потреблению тока): o МОП-логика (металл-окисел-полупроводник логика) — микросхемы формируются из полевых транзисторов n-МОП или p-МОП типа; o КМОП-логика (комплементарная МОП-логика) — каждый логический элемент микросхемы состоит из пары взаимодополняющих (комплементарных) полевых транзисторов (n-МОП и p-МОП). Микросхемы на биполярных транзисторах: o РТЛ — резисторно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); o ДТЛ — диодно-транзисторная логика (устаревшая, заменена на ТТЛ); o ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика — микросхемы сделаны из биполярных транзисторов с многоэмиттерными транзисторами на входе; o ТТЛШ — транзисторно-транзисторная логика с диодами Шотки — усовершенствованная ТТЛ, в которой используются биполярные транзисторы с эффектом Шотки. o ЭСЛ — эмиттерно-связанная логика — на биполярных транзисторах, режим работы которых подобран так, чтобы они не входили в режим насыщения, — что существенно повышает быстродействие. КМОП и ТТЛ (ТТЛШ) технологии являются наиболее распротранёнными логиками микросхем. Где небходимо экономить потребление тока, применяют КМОП-технологию, где важнее скорость и не требуется экономия потребляемой мощности применяют ТТЛ-технологию. Слабым местом КМОП-микросхем является уязвимость от статического электричества — достаточно коснуться рукой вывода микросхемы и ее целостность уже не гарантируется. С развитием технологий ТТЛ и КМОП микросхемы по параметрам сближаются и как следствие, например, серия микросхем 1564 — сделана по технологии КМОП, а функциональность и размещение в корпусе как у ТТЛ технологии. Мискросхемы, изготовленные по ЭСЛ-технологии являются самыми быстрыми, но наиболее энергопотребляющими и применялась при производстве вычислительной техники, когда важнейшим параметром была скорость вычисления. В СССР самые производительные ЭВМ типа ЕС106х изготавливались на ЭСЛ-микросхемах. Сейчас эта технология используется редко. 14 2. Какие конструкции наноэлектронных приборов (диодов, транзисторов) вам известны. ТРАНЗИСТОРЫ НА УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБКАХ • Первое сообщение об изготовлении транзистора на углеродных нанотрубках (CNT) опубликовано в 1998 году • S.J.Tans, A.R.M.Verschueren, C.Dekker из Дельфтского университета (Нидерланды) • к единичной однослойной нанотрубке • 2-3 платиновых электрода • обратный затвор - полупроводниковая кремниевая подложка, покрытая термически выращенным слоем двуокиси кремния Вертикальный полевой транзистор • выращивание нанотрубки именно в нужном месте • исходным является слой окиси алюминия, в котором вытравлены углубления (а) • угреродные нанотрубки (CNT) вырастают из глубины (b) • Диаметр нанотрубки - 20 нм, а длина - 40 нм • пристраиваются контакты истока и стока транзистора (с) • боковой электрод затвора (d) Транзистор из углеродных нанотрубок, разветвлённых в форме буквы "Y" • Сначала синтезированы обычные — прямые углеродные нанотрубки путём химического осаждения пара • катализатор — покрытые титаном частицы железа — чтобы стимулировать рост дополнительной ветви • к концам разветвлённой нанотрубки присоединены электрические контакты • электроны, запущенные в один "рукав", благополучно перелетали через частицу катализатора и выпрыгивали в другой "рукав", направленный наружу • движением электронов через Y-соединение можно точно управлять, подавая напряжение на стебель Транзистор из германиево/кремниевого ядра и кремниевых нанострун • состоит из германиево/кремниевого ядра и кремниевых нанострун • нанотранзистор технологически совместим с логическими схемами на прозрачных и гибких основах — пластике, органических пленках и т.п Графеновые полевые транзисторы • графен был синтезирован профессором Эндрю Геймом и его коллегами из университета Манчестера (США) совместно с командой доктора Новоселова из Черноголовки (Россия) • «двухмерный» - так как его толщина составляет один атом углерода • удалось отделить атомарный слой от кристалла графита • отделённые атомы сохранили связь друг с другом, образовав «заплатку» из ткани толщиной в один атом • стабилен, очень гибок, прочен и проводит электричество ДИОДЫ 15 Диоды являются фундаментальными полупроводниковыми элементами, на основе которых формируются такие устройства как транзисторы, компьютерные чипы, датчики и светодиоды. В отличие от обычных диодов, разработанные диоды на углеродных нанотрубках многофункциональны: они способны работать в режиме обычного диода и в двух различных режимах транзистора, что позволяет им как испускать, так и поглощать свет. Полупроводниковые диоды Обозначение на схемах Основная статья: Полупроводниковый диод Полупроводниковые диоды используют свойство односторонней проводимости p-n перехода — контакта между полупроводниками с разным типом примесной проводимости. Специальные типы диодов Стабилитроны. Используют обратную ветвь характеристики диода с обратимым пробоем для стабилизации напряжения. Туннельные диоды. Диоды, существенно использующие квантовомеханические эффекты. Имеют область т. н. «отрицательного сопротивления» на вольт-амперной характеристике. Применяются как усилители, генераторы и пр. Варикапы. Используется то, что запертый p—n-переход обладает большой ёмкостью, причём ёмкость зависит от обратного напряжения. Светодиоды. В отличие от обычных диодов, при рекомбинации электронов и дырок в переходе излучают свет в видимом диапазоне, а не в инфракрасном. Полупроводниковые лазеры. По устройству близки к светодиодам, однако имеют лазерный резонатор, излучают когерентный свет. Фотодиоды. Запертый фотодиод открывается под действием света. Диоды Ганна. Используются для генерации и преобразования частоты в СВЧ диапазоне. БИЛЕТ № 10 1. Что такое литография. Какими средствами и какие разрешения достигаются сегодня. Процесс локального маскирования поверхности кремния, окиси кремния или металлических пленок осуществляется с помощью литографии. Литография основана на использовании фотошаблонов и особых высокомолекулярных соединений – резистов, обладающих способностью изменять свои свойства под действием различного рода излучений: - ультрафиолетового (УФ) – фотолиторгафия; 16 - рентгеновского – рентгенолитография; - электронного – электронография; - потока ионов – ионография. Разрешающая способность фотошаблона и фоторезиста определяется числом задубленных и свободных от резиста полосок на 1 мм шаблона. Используются фоторезисты с разрешением 2000 и 3000 линий/мм при толщине покрытия ~ 100 нм. Сканирующая электронография наиболее распространена. Разрешение не хуже 100 нм. 2. Сравните предельные частотные микроэлектронных элементов. и радиационные свойства нано- и Электронная система – до 10 ГГц Наносистемы – более 10 ТГц. БИЛЕТ № 11 1. Имеет ли какое-либо значение степень очистки воздуха от пыли в производстве микросхем. Для тех систем, где воздух – часть технологического процесса, его качество служит определяющим показателем (в ряде случаев воздух должен быть просто стерильным, например, в пищевой промышленности, медицине, при гальванике, окраске, сушке и др., в противном случае брака не избежать). Так, в цехах для производства микросхем и устанавливается шесть степеней очистки и доочистки воздуха. компьютерных комплектующих Основной производственный процесс осуществляется в относительно небольшом помещении (на Fab 10 это зал в несколько сот квадратных метров), называемом "чистой комнатой класса 1" (не более 30 частиц диаметром до 0,2 мкм на один кубический метр воздуха). Полное обновление воздуха в помещении происходит каждые 10 секунд. Кстати, производственный корпус фабрики состоит из двух зданий, одно внутри другого. Во внешнем здании установлено оборудование для очистки воздуха, воды и некоторых химикатов. Здесь же находится сам цех по выпечке пластин, который занимает не более четверти пространства и установлен на отдельном, антисейсмичном фундаменте. Воздух внутри помещения постоянно меняется, здесь поддерживается уровень чистоты Класса 10. Воздух здесь даже чище, чем внутри стекеров, которые транспортируют кремниевые подложки от станка к станку. Если воздух сохраняется на уровне Класса 1, это означает, что в кубическом футе воздуха может быть только три пылинки размером не более 0,3 микрона. Для сравнения, воздух в холле, из которого можно наблюдать за чистым залом, «где-то Класса 100 000». Когда температура наружного воздуха опускается ниже температуры воздуха в помещении, например, зимой, холодный влажный воздух при попадании в теплое здание становится прогретым и сухим. Аналогично тому, как влага из воздуха поглощается материалами, находящимися в здании, теплый сухой воздух вытягивает влагу из всего, с чем он соприкасается, пытаясь достичь "влажностного равновесия" (точка при которой материалы прекращают терять или поглощать влагу). 17 Производство микросхем: Современные микросхемы с каждым днем становятся все меньше, производители говорят уже о размерах не в микронах, а в ангстремах! Даже незначительное изменение размеров кремниевой пластины при фотомаскировании приводит к относительному смещению маски на 2 мм. А обычное шелушение человеческой кожи в таком помещении может привести к катастрофическим последствиям. Если микросхему сравнить с Нью-Йорком, то одна единственная чешуйка уничтожит вместе взятые Манхеттен, Бронкс, Гарлем и Куинс. 3. Почему необходимо жестко стабилизировать температуру микроэлектронных процессов. Начиная от 900оС, повышение температуры на 100оС приводит к увеличению коэффициента диффузии примерно в пять раз. При высокой температуре процесса (порядка 1000оС) атомы как исходной, так и вводимой примеси ионизированы и образуют электрическое поле, всегда ускоряющее процесс диффузии. Точность поддержания температуры в зоне печи должна быть не ниже ± 0,5оС, тогда изменение по глубине залегания примесей, например бора и фосфора в кремнии, будет в пределах 1%, что чрезвычайно важно при получении тонких (~0,1 мкм) слоев. 4. Каковы мировые объемы производства ультрадисперсных материалов. В каких областях материального производства они используются. По данным научно-инновационной фирмы Business Communications Co. (BBC) производство нанопорошков как товарной продукции в США с 1996г. по 2004г. возросло с 41,3 до 748,6 млн. долл. (без учета России) При этом лидерами на рынке являются США (43%), Япония (29%) и Германия (16%). Кроме организаций Росатома, исследовательские работы по синтезу, изучению свойств, поиску и разработке применений ультрадисперсных (нано-) порошков широко ведутся в институтах РАН, в лабораториях многих вузов и других государственных и негосударственных организаций (как показали 3 Всероссийские конференции "Физика и химия ульрадисперсных (нано-) систем"). Они могут стать заделом и основой развития нанотехнологий в России. УДП – та "ниша" наноматериалов, в которой российские специалисты находятся пока на высоком уровне. Возможные области применения УПД: производство керамик, адсорбентов, катализаторов различного состава, использования в качестве наполнителей или матриц в композиционных материалах. Это совершенствование способа получения топливных таблеток диоксидурана. Добавки ультрадисперсных порошков позволили снизить температуру спекания, увеличить размер зерна, причем не на проценты, а в разы. Этот эффект может быть получен на любых порошках. Нанофильтр для очистки жидких радиовеществ, который может быть применен для очистки и других, биологически вредных и других наноразмерных примесей. Разработка нанокраски для защиты ценных бумаг и документов. Ультрадисперсный высокопористый бериллий, который разработан в отрасли атомной энергетика в качестве материала для рентгеновских аппаратов физического и медицинского назначения. Разработали защиту от военной и специальной техники на основе наноструктурных материалов тонкослойных пленок, которые в 70 раз тоньше применяемых сегодня для защиты от обнаружения наших самолетов и кораблей, и которая прошла испытания, имеет патент и сейчас на стадии разработки для промышленного производства. Малые частицы и наноразмерные элементы используются для производства различных авиационных материалов. Например, в авиации применяются радиопоглощающие керамические материалы, в матрице которых беспорядочно распределены ультрадисперсные металлические частицы. Суспензии металлических наночастиц (обычно железа или меди) размером от 30 нм используют как присадки к моторным маслам для восстановления изношенных деталей автомобильных и других двигателей непосредственно в процессе работы. Ультрадисперсные материалы обычно не встречаются в природе в свободном состоянии, а представляют собой искусственный продукт. 2. Известны ли вам примеры молекулярных и биодвигателей. Нарисуйте их схемы и поясните принцип действия. МОЛЕКУЛЯРНЫЕ ДВИГАТЕЛИ 18 1- КИНЕЗИН 2- МИКРОТРУБОЧКА 3- СТЕКЛО 4- ПУЗЫРЕК С ПЕРЕНОСИМЫМИ МОЛЕКУЛАМИ 5КИНЕЗИН "ШАГАЕТ" ПО МИКРОТРУБОЧКЕ В кружке показан процесс транспортировки белков и липидов по микротрубочке, осуществляемый кинезином в живой клетке. Когда молекулы кинезина закрепили "вверх ногами" на стеклянной пластинке, они, как цирковые эквилибристы, стали перемещать микротрубочки. В качестве горючего эти двигатели используют химическое топливо всего живого - аденозинт рифосфорную кислоту (АТФ). Их действием обеспечивается перенос в клетку разных веществ, работа мышц, они используются даже при копировании ДНК. Для создания моторчика в молекулярных двигателях используется фермент АТФазы. Это комплекс из нескольких белков, которые, действуя совместно, производят АТФ. АТФаза превращает движение протонов внутри энергетической станции клетки - митохондрии - в механическое вращение оси. Это движение помогает образовать АТФ. Причем действие АТФазы обратимо: если на этот цилиндрический моторчик подавать АТФ, он будет "сжигать" ее и ось придет во вращение. Основываясь на числе оборотов, которое можно получить от определенного количества АТФ, исследователи заключили, что кпд этого двигателя близок к ста процентам, это существенно выше, чем у всех двигателей, изобретенных человеком. Биодвигатель Примеры и устройство: 1. Токийские биологи создали биодвигатель, приводимый в действие бактериями. Пока бактерия Mycoplasma mobile может крутить только микроскопическое колесо-ротор, диаметр которого в пять раз тоньше человеческого волоса. Для создания биодвигателя использован принцип «белки в колесе». С помощью нанотехнологий биологи сконструировали замкнутый круглый желобок диаметром 20 микрон и покрыли его глюкозой. Бактерия Mycoplasma mobile ползет по окружности со скоростью 1,7 см в час и крутит металлическое колесико, вырабатывая энергию. Едва ли труд микроорганизмов когда-либо будет применяться в промышленных масштабах. Синхронизировать движение бактерий практически невозможно. Зато микромоторчик можно будет использовать для доставки лекарств к нужной точке организма. 2. Volvo, является лидером в области разработок биодвигателей для автомобилей. Автомобили Volvo в качестве топлива теперь могут использовать этанол (85% этанола и 15% бензина). Этанол производят из биомассы, свеклы или злаковых культур, целлюлозы. Двигатели, работающие на биоэтаноле, устанавливаются как на небольшие модели: Volvo S40, V50 и C30 с объемом двигателя всего 1.8 литра при мощности 125 лошадиных сил и максимальном крутящем моменте 185 Нм, так и на стандартные модели V70 и S80, причём на выбор сразу 2 двигателя: объемом 2.0 л и мощностью в 145 л.сил и объемом 2.5 л и мощностью в 200 лошадей. БИЛЕТ № 13 19 1. Что такое анизотропное травление. Анизотропное травление (также известное как "мокрое" травление или объемная микрообработка) кристаллического кремния является одним из наиболее распространенной технологией изготовление MEMS устройств. На данном этапе выполняется погружение заготовок с нанесенной фоторезистивной маской в ванну с раствором травителя (обычно KOH, TMAH или EDP) на определенное время. Благодаря особенностям внутренней структуры кристаллов кремния (известного также как монокристаллического кремния) скорость травления сильно зависит от ориентации экспонируемой поверхности подложки. Кроме того, окончательная трехмерная геометрия формируемых на подложке объектов в значительной степени определяется концентрацией и температурой травящего раствора, а также временем травления. При этом виде травления определяющим фактором взаимодействия травителя и монокристалла является анизотропия монокристалла. Анизотропия здесь проявляется в разных скоростях травления разных кристаллографических плоскостей. Она обусловлена не только разной плотностью атомов на разных кристаллографических плоскостях, но и разной сорбционной способностью этих плоскостей по отношению к реагентам травителя. Анизотропию процесса травления кремния используют для микроструктурирования, в частности для получения углублений требуемой геометрии. Простейшими, однако часто применяемыми, анизотропными травителями являются водные растворы гидроокисей натрия и калия, например, нагретый до температуры +70 0С 50% водный раствор NaOH или кипящий 50% водный раствор KOH. Широкое применение находят травители на основе органических оснований. Для примера можно привести травитель на основе этилендиамина и пирокатехина. БИЛЕТ № 14 Вопрос 1 « Жертвенные» слои играют вспомогательную роль и впоследствии удаляются для освобождения элементов МЭМС. Для каждой структуры свои необходимый «жертвенный» слой, наносимый отдельной технологической операцией. Используют алюминий в качестве жертвенных слоев. 2. Как связаны био- и нанотехнология Могут ли эти области развиваться независимо? Каковы перспективы их синтеза. На данный момент времени, наша цивилизация по технологиям отстает примерно на 5000 лет от цивилизаций предыдущего витка. Цифра эта весьма условная и говорит больше о том, насколько велика та пропасть, которая отделяет нас от того чего мы незнаем, из того, что можем знать, и чем можем пользоваться. Общепризнано что самой продвинутой и самой далеко идущей технологией нашей цивилизации являются нанотехнологии. Технологии используюшие микро частицы оперирующие нано размерами. 20 Нанотехнологии работают на теоретическом пределе метриоризации и в принципе логично было бы использовать микромодели для управления макромоделями. Можно например создавать компьютеры атомарного размера, управлять материей через управление атомами и так далее. Все дело в том, что частицы размером в один нано метр, дают возможность работать с любыми макрообъектами. Таким образом нанотехнология становится абсолютно прикладной технологией для работы с любыми макрообъектами, трансформациями объектов, воссозданиями объектов, программированием объектов , как био так и техно, а также для создания биотехнологий, в основе которых лежит программирование клетки. Все технологии делятся по прикладному значению на биотехнологии и техногенные технологии. Биотехнологии Программирование клетки, дает возможность выращивать биологический объект с заданными свойствами, то есть создавать конечный макрообъект, по чертежу заложенному в микрообъект. Это явилось достижением и достоянием атлантической цивилизации, что поставило эту цивилизацию на один уровень с другими цивилизациями Лимурии. Выделение для разработки полосы биотехнологий и дальнейшие исследования, привели к смене антуража цивилизации ассуров с техногенной на биогенную, изменив сами условия существования и развития этой цивилизации. Это открыло новые возможности в таких отраслях как биомедицина, биотехнологии и биоинжиниринг Сокращении и увеличение размеров нужного объекта, трансформации биологических объектов, запланированная мутация объектов, когда объект перестраивает свою структуру атом за атомом, создание биокомпьютера, возможность встраивания биокомпьютера в сознание, запуск скрытых программ резерва, активация программ дающих возможность работы в многомерности, самообучающиеся или разумные биологические системы, существующие в биоценезе с человеческой цивилизацией, создание биотехнологии на базе комплиментарности с органикой. Характерная особенность биогенных цивилизаций - сращивание технологий и ресурсов самого человека Нанотехнологии Возможность создания, генерирования и копирования разумных и самообучающихся программ и объектов малых размеров, одинаково похоже и на технологии внешних цивилизаций и на собственно цивилизацию. 21 Условно назовем это технологией биороботов. Принцип работы - создание единичных объектов, а также сложных машин, выполняющих заданные функции. Если есть роботы, то их кто-то должен программировать, и возможно, что от прежних цивилизаций остались техногенные объекты, на которые завязано система управления тем, что мы называем нанотехнология. Таким образом, биогенные цивилизации имеют в основе своей технологии прототипом техногенную технологию. Техногенные цивилизации имеют в основе своих технологий - нанотехнологии. Вероятнее всего нано технологии достались им или от прежних, более древних цивилизаций или от более высокоразвитых цивилизаций большого космоса. Нанотехнология все в большей мере становится синонимом технологии будущего. Девиз «все выше, все дальше» уступает здесь место девизу «все меньше, все быстрее». Нанотехнология открывает нам самый миниатюрный микромир. Нанометр – это миллионная часть миллиметра. Диаметр человеческого волоса больше в пятьдесят тысяч раз. Возможности применения этой технологии огромны. Будущий прогресс нанотехнологии относится к числу факторов, имеющих решающее значение для дальнейшего развития перспективных отраслей. Нанотехнология занимается исследованием и конструированием очень малых структур: нанометр соответствует одной миллионной доле миллиметра. Нано (греч.: карлик) охватывает области исследования из живой и неживой природы. Она находит применение в энергетической технике (тепловыделяющие элементы и солнечные батареи), в экологической технике (замкнутый цикл и утилизация отходов) или в информационной технике (новые виды памяти и процессоры), а также в области здравоохранения. Нанотехнология разрабатывает основы все более миниатюрных видов памяти со все большим объемом для высокоэффективных фильтров очистки сточных вод, для фотовольтаических окон, для материалов, из которых можно изготавливать ультралегкие моторы и детали кузова для автомобилестроения или искусственные суставы, лучше адаптированные к человеческому организму благодаря органической наноповерхности. В 2003 г. государства всех стран мира потратили на нанонауку 2 млрд. долл., в результате чего данная научная область стала самой финансируемой. По данным английского Министерства торговли, в 2005 г. спрос на услуги рынка нанотехнологий достигнет 100 млрд. долл., а к 2015-му вырастет в 10 раз, после чего темпы роста значительно снизятся. В этой сфере к тому времени будет задействовано 2 млн. работников. Уже с 2006 г. должна резко возрасти практическая отдача от сегодняшних наработок. Через 3–5 лет начнется активный дележ рынка, а передел его закончится к 2010–2015 гг. Билет 15 Вопрос 1 Англоязычная аббревиатура MEMS (NEMS)=Micro(Nano)-Electro-Mechanical Systems, дословно — микро (нано) электромеханические системы, обозначает совокупность устройств с 22 размерами в микронном и субмикронном диапазонах, которые способны за счет внешних воздействий менять свое состояние или форму. Часто под понятием MEMS понимают целое направление в современной нанотехнологии, которое имеет дело с дизайном, методиками синтеза, диагностики, моделирования и использования, в том числе коммерческого, микро- и наномеханических устройств. MEMS устройства способны выполнять различные функции, включая сенсорные и управляющие. Сегодня устройства на основе MEMS нашли свое практическое применение в ряде оптических систем, сенсорах автомобильных "подушек безопасности", CВЧ приборах, в струйных принтерах, проекционных дисплеях и многих других. 1. Сферы применения МЭМС (микроэлектромеханические системы): лекция №8,9 патрикеев) 8. Военное применение (перемещающиеся системы, летательные аппараты, адаптивные оптические приборы, интегрированные жидкостные системы, оптические переключатели и согласующие устройства и т.д.) 9. Робототехнические применения MEMS 10. Микроаналитические системы(биочипы) 11. Матричные биочипы 12. Капиллярные биочипы 13. Компоненты проб-платформ 14. Микроаналитический чип Это могут быть: миниатюрные детали: гидравлические и пневмо клапаны, струйные сопла принтера, пружины для подвески головки винчестера, микроинструменты: скальпели и пинцеты для работы с объектами микронных размеров, микромашины: моторы, насосы, турбины величиной с горошину, микророботы, микродатчики и исполнительные устройства, аналитические микролаборатории на чипе. Некоторые из них производятся в мире многомиллионными тиражами, другие только разрабатываются и проходят испытания. По мнению специалистов одной из ведущих фирм в области МСТ (Микро Системная Техника) "Integrated Sensing Systems" (http://www.memsissys.com/new_htm/mems.htm): "С точки зрения инженеров - это новая волна полупроводниковой революции. МЭМС обеспечивают полупроводникам сверх возможности "думать", возможность "ощущать", сообщаться и взаимодействовать с внешним миром. С точки зрения инвесторов и промышленных аналитиков - МЭМС в новом веке такой же ускоряющий развитие фактор, как микропроцессоры в 80-х и Интернет в 90-х. С точки зрения фантазера - изобретателя потенциальные возможности МЭМС ограничены только нашим воображением" . Микросистемы 23 развиваются на стыке множества отраслей науки и техники, что требует участия в работах специалистов самых разных областей знания. При этом одной из наиболее важных и трудных для решения является обусловленная междисциплинарностью нового направления проблема научнотехнических связей между специалистами различных областей знаний. Проблема эта может быть решена только в рамках сетевой инфраструктуры, имеющей межотраслевой характер, и только в том случае, если основу этой инфраструктуры составляют специалисты, которые помимо знаний в своих предметных областях владеют современной методикой реализации инновационной деятельности. Наиболее значимые компоненты этой инфраструктуры: o информационное обеспечение разработчиков и потенциальных потребителей микросистем; o техническое и технологическое обеспечение проектирования и изготовления новых образцов микросистем; o фундаментальные и прикладные исследования в области комплексных САПР, технической кибернетики, материаловедения, методов технологической обработки, универсальных групповой сборки, микромеханики, микрогазодинамики, химии и др. o кадровое обеспечение. В XXI веке микротехнология совершит примерно такую же научно-техническую революцию, какую в XX веке совершила микроэлектроника. Это обстоятельство связано с развитием направления распределенных информационных систем (интеллектуальных сред), каждая из ячеек (триад) которых будет содержать в себе элементы всех трех подсистем информационно-регулирующей системы. НЭМС Дочерние категории: Наноактюаторы Наножидкостные системы Наноманипуляторы Наномеханизмы Нанороботы Наносенсоры Осцилляторы NEMS устройства пока еще только исследуются в различных лабораториях. Их практическое использование и выход на рынок систем на их основе следует ожидать в ближайшие 5-10 лет. НЭМС-системы, с помощью которых исследователи надеются создать механоэлектрическую память. Сфера применения НЭМС - суперминиатюрные сенсоры, электромоторы, преобразователи, датчики, вентили, клапаны, конденсаторы, резонаторы, генераторы и др ... Сообщается, что измерение перемещений на уровне тысячных долей нанометра возможно с помощью НЭМС на основе датчика из GaAs (3000х250х200 нм) Вопрос 2 Генная инженерия - это метод биотехнологии, который занимается исследованиями по перестройке генотипов. Генотип является не просто механическая сумма генов, а сложная, сложившаяся в процессе эволюции организмов система. Генная инженерия позволяет путем операций в пробирке переносить генетическую информацию из одного организма в другой. Перенос генов дает возможность преодолевать 24 межвидовые барьеры и передавать отдельные наследственные признаки одних организмов другим. Ген - элементарная и структурная единица наследственности. Часть молекулы ДНК и содержит закодированную информацию об аминокислотной последовательности одного белка или рибонуклеиновой кислоты (РНК) Всего 30 тысяч Сегодня геном - это на 95% нечто, чего мы не понимаем В 5% генома мы знаем многое о структуре и немногое о функциях Генная инженерия это новая, революционная технология, при помощи которой ученые могут извлекать гены из одного организма и внедрять их в любой другой. Гены это программа жизни - это биологические конструкции, из которых состоит ДНK и которые обуславливают специфические характеристики, присущие тому или другому живому организму. Пересадка генов изменяет программу организма-получателя и его клетки начинают производить различные вещества, которые, в свою очередь, создают новые характеристики внутри этого организма. При помощи этого метода исследователи могут менять особые свойства и характеристики в нужном им направлении, например: они могут вывести сорт томатов с более длительным сроком хранения или сорт соевых бобов, устойчивых к воздействию гербицидов. БИЛЕТ № 17 1. Туннельный эффект. В чем физическая суть этого процесса. Кто первым предложил его физико-математическую интерпретацию. Туннельный эффект - квантовое явление проникновения микрочастицы из одной классически доступной области движения в другую, отделенную от первой потенциальным барьером. Физико-математическую интерпретацию предложил Г.А. Гамов. B 1928 году Г. А. Гамов с помощью туннельного эффекта объяснил явление - радиоактивности тяжёлых ядер. Если рассматривать электрон в потенциальной яме, то существует конечная вероятность обнаружить (в отличие от классической механике) этот объект в области, где полная энергия меньше, чем потенциальная энергия. 2. Что такое биочипы: Как устроена система диагностики на основе биочипов. Биологические микрочипы представляют собой массив трехмерных ячеек геля, расположенных на гидрофобной поверхности стекла. Каждая ячейка содержит индивидуальное химическое вещество, находящееся в условиях, близких к их состоянию в растворах, и служащее специфическим зондом. При взаимодействии зонда с анализируемым веществом происходит химическая или ферментативная реакция идентификации. В результате такого взаимодействия возникает свечение различных ячеек чипа, причем яркость свечения тем выше, чем специфичнее взаимодействие. ДИАГНОСТИКА. 25 1. Забор анализируемого образца. 2. Обработка образца. 3. Взаимодействие образца с иммобилизованными зондами биологического микрочипа. 4. Анализ биочипа после взаимодействия, те ДНК-матрица сканируется лазером или другим источником оптического возбуждения. Там где реакция гибридизации осуществилась, будут светиться флюорисцентные метки. Это свечение регистрирует фотодетектор. Следует отметить, что картина распределения свечения ячеек микрочипа является индивидуальной характеристикой анализируемого образца. ПРИМЕНЕНИЕ. Биочипы обрабатывают информацию в 7-8 раз быстрее, чем производятся обычные лабораторные анализы. Этот метод эффективен для проведения быстрой и точной идентификации болезнетворных вирусов и микроорганизмов (возбудителей туберкулеза, натуральной оспы, ВИЧ, гепатита и др.). Причем анализировать можно параллельно несколько образцов биологического материала. С помощью биочипов можно изучать также кинетические и термодинамические параметры молекулярных комплексов, образующихся в результате взаимодействия зонда и анализируемого вещества. Биочипы помогают за считанные часы обнаруживать у больных лекарственно устойчивые формы туберкулеза. Еще одно очень важное медицинское применение биочипов — это диагностика лейкозов и других раковых заболеваний. Биочипы позволяют быстро, за считанные дни или даже часы различать внешне неразличимые виды лейкозов. БИЛЕТ № 18 1. Сканирующий зондовый микроскоп. Нарисуйте и поясните принцип его работы. Экспоненциальная зависимость туннельного тока от расстояния (2) позволяет осуществлять регулирование расстояния между зондом и образцом в туннельном микроскопе с высокой точностью. СТМ представляет собой электромеханическую систему с отрицательной обратной связью. Система обратной связи поддерживает величину туннельного тока между зондом и образцом на заданном уровне (I0), выбираемом оператором. Контроль величины туннельного тока, а следовательно, и расстояния зонд-поверхность осуществляется посредством перемещения зонда вдоль оси Z с помощью пьезоэлектрического элемента (рис. 42). 26 Рис. 42 Упрощенная схема организации обратной связи по туннельному току. Изображение рельефа поверхности в СТМ формируется двумя способами. В режиме постоянного туннельного тока (рис. 43 (а)) зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя растровое сканирование; при этом изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f (x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики. Рис. 43. Формирование СТМ изображений поверхности в режиме постоянного туннельного тока (а) и постоянного среднего расстояния (б). При исследовании атомарно гладких поверхностей часто более эффективным оказывается получение СТМ изображения поверхности в режиме постоянной высоты Z = const. В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности (рис. 43 (б)). Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС, так что ОС отрабатывает только плавные изменения рельефа поверхности. В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями, происходящими на поверхности, практически в реальном времени. Высокое пространственное разрешение СТМ определяется экспоненциальной зависимостью туннельного тока от расстояния до поверхности. Разрешение в направлении по нормали к поверхности достигает долей ангстрема. Латеральное же разрешение зависит от качества зонда и определяется, в основном, не макроскопическим радиусом кривизны кончика острия, а его атомарной структурой. При правильной подготовке зонда на его кончике с большой вероятностью находится либо одиночный выступающий атом, либо небольшой кластер атомов, который локализует его на размерах, много меньших, чем характерный радиус кривизны острия. Действительно, туннельный ток протекает между поверхностными атомами образца и атомами зонда. Атом, выступающий над поверхностью зонда, находится ближе к поверхности на расстояние, равное величине периода кристаллической решетки. Поскольку зависимость 27 туннельного тока от расстояния экспоненциальная, то ток в этом случае течет, в основном, между поверхностью образца и выступающим атомом на кончике зонда. Рис. 44. Реализация атомарного разрешения в сканирующем туннельном микроскопе С помощью таких зондов удается получать пространственное разрешение вплоть до атомарного, что продемонстрировано многими исследовательскими группами на образцах из различных материалов. Система управления СТМ Упрощенная схема системы управления СТМ представлена на рис. 50. Система управления СТМ состоит из цифровой части, реализованной на базе персонального компьютера, и аналоговой части, выполняемой обычно в виде отдельного блока. Цифровая часть состоит из набора ЦАП и АЦП и выделена на схеме красной пунктирной границей. Аналоговая часть показана на схеме синей пунктирной линией. Напряжение на туннельном промежутке задается оператором с помощью ЦАП - U, а поддерживаемый системой обратной связи ток - с помощью ЦАП - I . Двухканальные цифро-аналоговые преобразователи ЦАП - X и ЦАП - У служат для формирования строчных и кадровых разверток. Петля обратной связи состоит из предварительного усилителя ПУ, конструктивно расположенного в измерительной головке СТМ, разностного усилителя РУ, фильтра низких частот ФНЧ, усилителей У4 и У5, пьезопреобразователя, регулирующего величину туннельного промежутка. 28 Рис. 50. Схема системы управления сканирующего туннельного микроскопа. Перед началом работы оператор устанавливает рабочие параметры туннельного тока и напряжения и включает систему сближения зонда и образца. При этом управляющее напряжение подается на двигатель с ЦАП – Д. В начальном состоянии ток в петле обратной связи отсутствует, и сканер максимально вытянут в направлении к образцу. При появлении туннельного тока обратная связь отодвигает сканер, и система переходит в режим точной установки образца. В этом режиме происходит совместное движение образца и отодвигание (системой ОС) зонда до тех пор, пока сканер не встанет в середину своего динамического диапазона. При этом в петле обратной связи поддерживается постоянным выбранное оператором значение туннельного тока. Сканирование образца осуществляется при подаче напряжений пилообразной формы на внешние электроды трубчатого сканера с помощью двухканальных ЦАП – Х и ЦАП – У и двухканальных высоковольтных усилителей У1 и У2. При сканировании система обратной связи поддерживает постоянным туннельный ток. Это происходит следующим образом. Реальное мгновенное значение туннельного тока It сравнивается на разностном усилителе со значением I0, заданным оператором. Разностный сигнал (It – I0) усиливается (усилителями У4 и У5) и подается на внутренний Z-электрод сканера. Таким образом, при сканировании напряжение на Z-электроде сканера оказывается пропорциональным рельефу поверхности. Сигнал с выхода усилителя У4 записывается с помощью АЦП как информация о рельефе поверхности. Для получения информации о распределении локальной работы выхода сигнал с генератора Г подмешивается на усилителе У5 к напряжению на Z-электроде. Соответствующая компонента туннельного тока на частоте ω выделяется полосовым фильтром ПФ и детектируется с помощью синхронного детектора СД, на который также подается опорное напряжение с задающего генератора. Фаза сигналов синхронизируется с помощью фазовращателя ФВ. Амплитуда тока на частоте ω записывается в память компьютера с помощью АЦП как сигнал, пропорциональный локальной работе выхода. 29 Регистрация ВАХ туннельного контакта в заданной точке образца осуществляется следующим образом. Обратная связь разрывается на короткое время электронным ключом К. Напряжение на внутреннем электроде пьезотрубки поддерживается постоянным с помощью конденсатора С, так что зонд на короткое время зависает над поверхностью. После этого с ЦАП - U на туннельный промежуток подается напряжение U(t) пилообразной формы, и синхронно с ним в АЦП записывается информация о туннельном токе с выхода предварительного усилителя ПУ. После этого ключ К замыкается, и система обратной связи восстанавливает состояние туннельного контакта, соответствующее условию It = const. При необходимости процедура снятия ВАХ повторяется N раз для формирования усредненных зависимостей туннельного тока от напряжения. Конструкции сканирующих туннельных микроскопов В настоящее время в литературе описаны сотни различных конструкций сканирующих зондовых микроскопов. С одной стороны, такое количество разработанных СЗМ обусловлено практической необходимостью, поскольку для решения конкретных задач часто требуется определенная конфигурация СЗМ. С другой стороны, относительная простота механической части СЗМ стимулирует изготовление измерительных головок, максимально адаптированных к условиям конкретного эксперимента непосредственно в научных лабораториях. Для эффективной работы конструкция измерительной головки СТМ должна удовлетворять целому ряду требований. Наиболее важными из них является требование высокой помехозащищенности. Это обусловлено большой чувствительностью туннельного промежутка к внешним вибрациям, перепадам температуры, электрическим и акустическим помехам. В настоящее время в этом направлении накоплен большой опыт, разработаны достаточно эффективные способы защиты СТМ от воздействия различных внешних факторов. В конечном итоге, выбор той или иной системы виброизоляции и термокомпенсации диктуется, в основном, целесообразностью и удобством использования. Другая, не менее важная группа требований к дизайну СТМ, связана с условиями применения разрабатываемого микроскопа и определяется задачами конкретного эксперимента. БИЛЕТ № 20 1. Какие двигатели используются в сканирующих зондовых микроскопах. Каково их быстродействие, разрешающая способность и недостатки. Двигатель Пьезоэлектрики - изменяют свой размеры во внешнем электрическом поле Пьезокерамика – поляризованный поликристаллический материал, получаемы методом спекания порошков из кристаллических сегнетоэлектриков Трубчатые пьезоэлементы – полые тонкостенные цилиндры Виды сканеров - Трипод – три трубки в одном узле, Трубчатый пьезосканер В процессе сканирования величина локального взаимодействия поддерживается постоянной с помощью системы автоматического слежения, которая, регистрируя сигнал взаимодействия (силу или ток), поддерживает его среднее значение на постоянном уровне. При работе прибора образец движется в плоскости X-Y построчно, таким образом, что кончик иглы постепенно проходит над всей заданной площадью образца с шагом . Способы формирования изображения рельефа поверхности в СТМ В режиме постоянного туннельного тока 30 Зонд перемещается вдоль поверхности, осуществляя сканирование; при этом изменение напряжения на Z - электроде пьезоэлемента в цепи обратной связи (с большой точностью повторяющее рельеф поверхности образца) записывается в память компьютера в виде функции Z = f (x,y), а затем воспроизводится средствами компьютерной графики. Режим постоянной высоты Z = const При исследовании атомарно гладких поверхностей В этом случае зонд перемещается над поверхностью на расстоянии нескольких ангстрем, при этом изменения туннельного тока регистрируются в качестве СТМ изображения поверхности Сканирование производится либо при отключенной ОС, либо со скоростями, превышающими скорость реакции ОС В данном способе реализуются очень высокие скорости сканирования и высокая частота получения СТМ изображений, что позволяет вести наблюдение за изменениями практически в реальном времени 2. Назовите и обоснуйте области гражданского применения наноситем. Конструкционные материалы: Наноструктурные объемные материалы отличаются большими прочностью при статическом и усталостном нагружении, а также твердостью по сравнению с материалами с обычной величиной зерна. Поэтому основное направление их использование в настоящее время – это использование в качестве высокопрочных и износостойких материалов. Так предел текучести увеличивается по сравнению с обычным состоянием в 2,5-3 раза, а пластичность – либо уменьшается очень незначительно, либо для Ni3Al возрастает в 4 раза. Композиты, армированные углеродными нановолокнами и фуллеренами, рассматриваются как перспективные материалы для работы в условиях ударных динамических воздействий, в частности для брони и бронежилетов. Инструментальные материалы: Инструментальные сплавы с нанозерном являются как правило более стойкими по сравнению с обычным структурным состоянием. Нанопорошки металлов с включениями карбидов используют в качестве шлифующего и полирующего материала на конечных стадиях обработки полупроводников и диэлектриков. Производственные технологии: Важным и перспективным в настоящее время является использование наноматериалов в качестве компонентов композитов самого разного назначения. Добавление нанопорошков (подшихтовка) к обычным порошкам при производстве сталей и сплавов методами порошковой металлургии позволяет снижать пористость изделий, улучшать комплекс механических свойств. Проявление эффекта сверхпластичности в наноструктурных сплавах алюминия и титана делает перспективным их применение для изготовления деталей и изделий сложной формы и для использования в качестве соединительных слоев для сварки различных материалов в твердом состоянии. Очень большая удельная поверхность нанопорошков (порядка 5х107 м-1) способствует их применению в ряде химических производств в качестве катализаторов. Триботехника: Здесь перспективы применения связаны с тем, что металлические материалы с наноструктурой обладая повышенной по сравнению с обычным структурным состоянием твердостью и износостойкостью. Другим направлением в этой области является использование полинанокристаллических алмазов и алмазоподобных покрытий, а также сверхтвердых веществ на базе фуллеренов (например сфероподобными молекулами С60) и фуллеритов (легированных фуллеренов, например FexC60). Наноструктурные многослойные пленки сложного состава на основе кубического BN, C3N4, TiC, TiN, Ti(Al,N), обладающие очень высокой или ультравысокой (до 70 ГПа) твердостью хорошо зарекомендовали себя при трении скольжения, в том числе ряд пленок – в условиях ударного износа. В качестве самосмазывающихся покрытий для космической техники предлагаются многофазные наноструктурные покрытия на основе TiB2-MoS2 c твердостью 20Гпа и коэффициентом трения скольжения по стали 0,05. Металлические нанопорошки добавляют к моторным маслам для восстановления трущихся поверхностей. 31 Ядерная энергетика: В США и возможно в других странах к настоящему времени наноматериалы используются в системах поглощения ВЧ- и рентеговского излучений. Таблетки ТВЭЛов изготавливаются из ультрадисперсных порошков UO2, а в термоядерной технике используются мишени для лазерно-термоядерного синтеза из ультрадисперсного бериллия. Перчатки, фартуки и другая защитная одежда из резины или искусственных материалов с добавками ультрадисперсного свинцового наполнителя при одинаковой степени защиты в четыре раза легче обычной защитной одежды. Электро-магнитная и электронная техника: Хороший комплекс магнитных характеристик некоторых наноматериалов (железо в сочетании со слоями халькогенидов делает перспективным их использование для записывающих устройств. Пленочные наноматериалы с плоской поверхностью и поверхностью сложной формы из магнито-мягких сплавов используют для видеоголовок магнитофонов, где они существенно превосходят по служебным свойствам традиционные материалы. Разработаны наноструктурная никелевая фольга и магнитомягкий наносплав «Файнмет». Углеродные нанотрубки, напылённые железом, а также интерметаллидами самария с кобальтом типа SmxCoy применяются в магнитных чернилах и тонерах. Углеродные нанотрубки, заполненные карбидами тугоплавких металлов (TaC, NbC, MoC) могут использоваться в качестве сверхпроводников. Добавление нанопорошков в состав ряда сверхпроводников может улучшать такие показатели, как температуру перехода в сверхпроводящее состояние и критическую плотность тока за счет образования дополнительных центрами пиннинга. Пленки Ti-C-B с размером зерна около 2 нм обладали оптимальными электрофизическими свойствами в качестве резисторов при высокой термической стабильности по сравнению с объемными обычными образцами. Упорядоченные структуры в виде «ковров» из нанопроволок могут использоваться как сенсоры или элементы экранов высокого разрешения. Соединение углеродных нанотрубок с различной хиральностью (т.е. скрученностью кристаллической решетки относительно оси трубки) образует нанодиод, а трубка, лежащая на поверхности окисленной кремниевой пластины – канал полевого транзистора. Для устройств записи данных сверхвысокой плотности, в том числе для так называемых квантовых магнитных дисков, разработаны получаемые электролитическим осаждением на пористую подложку из оксида алюминия нанопроволоки из сплава Fe0,3Co0,7 диаметром 50 нм. Фуллерены и наноматериалы на их основе являются перспективными материалами для создания изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники изделий области полупроводниковой, оптической и фотоэлектрической техники. Композитные фуллереноосновные пленки С60-CdTe при содержание 15-20 мас.% CdTe являются основой для получения регулярных наноструктур с заданными оптическими свойствами. Нанотехнологии на основе метода ионноатомного осаждения позволяют получать для электронных и оптических изделий нанокомпозиции «покрытие - переходный слой - подложка» из термодинамически несмешиваемых элементов, отличающихся высокой адгезией и стойкостью к внешним термическим и механическим воздействиям, например пленки золота на кремниевых подложках со структурой поверхности в виде набора атомно-гладких сфероидальных сегментов. В качестве перспективных полупроводниковых материалов рассматриваются эпитаксиальные слои GaN, в т.ч. на сапфировой подложке, самоорганизация топографической наноструктуры поверхности которых связана с величиной подвижность электронов, особенностями мозаичной структуры и химическим составом. Защита материалов: В ряде случаев для надежного функционирования изделий необходимо обеспечить высокие водо- и маслоотталкивающие свойства их поверхности. Примерами таких изделий могут служить автомобильные стекла, остекление самолетов и кораблей, защитные костюмы, стенки резервуаров для хранения жидкостей, строительные конструкции и т.п. В этих целях разработано покрытие на основе наночастиц оксида титана с размерами 20-50 нм и полимерного связующего. Данное покрытие резко снижает смачиваемость поверхности водой, растительным маслом и спиртовыми растворами. Медицина и биотехнологии: Важной областью применения чистых наноструктурных материалов, в частности Ti, является использование их в медицинских целях – как имплантантов, протезов и в травматологических аппаратах. Причиной является сочетание высоких механических свойств (на уровне сложнолегированных сплавов) с высокой биологической совместимостью чистого металла. Наноструктурные пленки углерода и композиционные нанопленки на основе углерода и Si, SiOx, SiNx обладают хорошей биосовместимостью, химической, термической и механической стойкостью и поэтому их перспективно использовать для узлов биосенсоров, протезов и 32 имплантантов. Нанопорошки лекарственных препаратов используются в медикаментах быстрого усвоения и действия для экстремальных условий (ранения при катастрофах и боевых действиях). В парфюмерно-косметической промышленности наночастицы используются как составная часть солнцезащитных кремов; в сельском хозяйстве - для более эффективной доставки средств защиты растений и удобрений, для нанокапсулирования вакцин; предполагается использование наночастиц для доставки ДНК в растения в целях генной инженерии. В пищевой промышленности наноматериалы находят применение в фильтрах для очистки воды, при получении более легких, прочных, более термически устойчивых и обладающих антимикробным действием упаковочных материалов, при обогащении пищевых продуктов микронутриентами. Использование наночипов предполагается для идентификации условий и сроков хранения пищевой продукции и обнаружения патогенных микроорганизмов. БИЛЕТ № 21 1. Что такое углеродные нанотрубки. Можно ли использовать их в качестве зондов СТМ? А как еще используют нанотрубки? УНТ - цилиндрические частицы из свернутых графенов.(Графены - листки из атома углерода, расположенных по углам сочлененных шестиугольников) Углеродные нанотрубки представляют собой крошечные цилинтры или цилиндрические образования с диаметром от 0,5 до 10нм и длиной примерно в 1мкм. Они являются новой кристаллической формой углерода. Углеродные нанотрубки являются новым веществом или материалом, чрезвычайно перспективным для различных технических применений. Высокая механическая прочность углеродных нанотрубок в сочетании с электропроводностью дают возможность использовать их в качестве зонда в СТМ, что несколько порядков повышает разрешающую способность приборов подобного рода. их на Возможные применения нанотрубок: Механические нановесы нити, композитные материалы, Применения в микроэлектронике: транзисторы, проводящие поверхности, топливные элементы нанопровода, прозрачные Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки Оптические применения: дисплеи, светодиоды Химическое применение: нанотрубки можно использовать как микроскопические контейнеры для перевозки химически или биологически активных веществ: белков, ядовитых газов, компонентов топлива и даже расплавленных металлов. Медицина Энергетика (двигатели на водородном топливе) Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью - при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул ее электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях. применения: сверхпрочные 33 2. Назовите перспективы и основные цели национальных нанотехнологических программ США, ЕС, и Японии США National Nanotechnology Initiative -2000 г. – основа национальной стратегии для расширения исследований в области нанотехнологий. Главные цели: 1. Проведение исследований и разработок на мировом уровне 2. Ускорение трансфера технологий 3. развитие образовательных ресурсов, подготовка квалифицированных кадров 4. поддержка исследовательской инфраструктуры и инструментов. Особое значение: стоимость инфраструктуры и оборудования для исследований по нанотехнологиям и их коммерциализации очень высоки и превышают финансовые возможности малого бизнеса, академических институтов и государственных организаций. 7основных направлений (программные компоненты): 1. Фундаментальный феномен наноразмера и процессы 2. Наноматериалы 3. Наноразмерные устройства и системы 4. Исследования в области инструментов, метрологии и стандартов для нанотехнологий. 5. Нанопроизводство 6. Приобретение основных исследовательских устройств и инструментов. 7. Социальные измерения (влияние на окружающую среду, здоровье, безопасность населения) ЕС Нанотехнологии финансируются как из средств ЕК, так и на уровне отдельных государств. Рамочные программы 5,6,7 включают нанотехнологии и нанонауку. В 6 РП в рамках проекта Nanoroadmap было выделено 4 приоритетные области: Наноматериалы, наноэлектроника, наноэнергетика и нанотехнологии для медицины и фармацевтики. Еврокомиссия инициировала разработку «Европейской стратегии развития нанотехнологий, 12 мая 2004 г. Еврокомиссией был одобрен документ « Towards a European Strategy for Nanotechnology», след ключевые проблемы: Увеличение инвестиций и ИиР и улучшение координации ИиР, проводимых странами ЕС, с целью обеспечения превосходства, конкурентоспособности нанонауки и нанотехнологий; Создание научной инфраструктуры мирового уровня( полюсов превосходства), которые учитывали бы потребности и научных организаций, и промышленности; Поддержка междисциплинарности в образовательном процессе и в подготовке научного персонала; Создание преференций для промышленных инноваций; 34 Создание условий для обеспечения безопасности потребителей нанопродукции и наноуслуг и экологической безопасности. Япония – мировой лидер во многих областях нанотехнологий. В третьем пятилетнем плане развития науки и технологий на период 2006-2010гг нанотехнологии рассматриваются как один их ключевых приоритетов. Министерство экономики, торговли и промышленности Японии отвечает за коммерциализацию нанотехнологий. Были учреждены 3 структуры для разработки «Стратегии развития нанотехнологий в Японии»: Комитет научной политики в области нанотехнологий Рабочая группа по разработке политики Рабочая группа для анализа социального влияния 2005 – выделение 7 стратегических для Японии направлений: Транспарентный подход к управлению ресурсами Решение проблем станлартизации и обеспечения безопасности для потребителей нанотехнологий Разработка дорожных карт для создания рынков Координация проектов в области использования нанотехнологий для решения социальных проблем Стратегия для нано-spin-offs Создание моста между университетскими исследованиями, промышленностью и социальными потребностями. Билет 25 1.Как Вы понимаете термин «кластерное оборудование» замкнутое, вакуумное, для производства Примеры практической реализации Линия «Основа» (80-е года) 1Х1 Аналог 1х1 - Центр микроэлектроники МО США (DMEA) DMEA планировка 35 Универсальный комплекс средств технологического оснащения для производства электронной компонентной базы двойного назначения УНИТЕК Основные тактико-технические характеристики комплекса 1. Технологический уровень 0,05 мкм 2. Диаметр пластин 50-300 мм 3. Производительность 5 пластин/час 4. Занимаемая площадь 50 кв. м. 5. Численность персонала: -эксплуатационный 4-5 чел/смена -оперативный 1 чел/смена 6. Энергопотребление 0,6 МВт 7. Водопотребление 0,1 куб. м/час (полностью замкнутый контур) 8. Класс чистоты производственного 1000 помещения 9. Базовая стоимость 15 млн. долларов Концепция комплекса 1. Гибкая настройка для перехода к изготовлению различных типов ЭКБ за счет интеграции производства исходных структур в общий технологический цикл изготовления продукции и применения межоперационной очистки камер (для реализации большого числа процессов в минимальном количестве камер) 2. Стабильность производственных условий для выпуска продукции Полностью исключается прямой контакт оператора с продукцией на всех стадиях производства На всех стадиях производства изделие находится либо в вакууме, либо в атмосфере нейтрального газа, не связанной с окружающей средой Очистка камер после каждой операции 3. Дистанционные e-диагностика и обслуживание 2.Что представляет собой отечественная фирма NT-MDT? Российские производители в большинстве своем пока не могут похвастаться заметными коммерческими успехами на мировом рынке СЗМ. Единственная организация, претендующая на статус лидера, причем не только в России, — частная компания NTMDT, которая базируется в подмосковном Зеленограде (ее название расшифровывается как Molecular Devices And Tools for NanoTechnology). Рассмотрим на примере данной организации возможность интеграции российских производителей СЗМ в мировой рынок. НТ-МДТ специализируется на разработке и производстве оборудования для молекулярных технологий – Сканирующих Зондовых Микроскопов (СЗМ), изделий кремниевой механики для нанотехнологии (атомно-силовых кантилеверов, решеток для калибровки СЗМ, датчиков перемещения), установок для исследования Лэнгмюровских пленок и формирования пленок Лэнгмюра-Блоджетт. Этой компании удалось не только удержаться в бизнесе СЗМ, но и стать одним из известных мировых лидеров по 36 производству сложной контрольно-измерительной аппаратуры – зондовых микроскопов и микрозондовых систем. Причиной успеха и быстрого роста компании в 1997-99 гг. явилась выбранная «НТ-МДТ» наступательная стратегия, ориентированная на инновационную дифференциацию и фокусировку. Реализация этой стратегии обеспечила создание компанией конкурентоспособной высокотехнологической продукции, имеющей существенные технические и ценовые преимущества перед зарубежными аналогами – ряд моделей СЗМ для различных приложений, совершенные микрозонды – необходимые для работы СЗМ. Используя эффективный для продвижения высокотехнологического продукта промышленный маркетинг (создание дистрибьюторской сети, работа с информированными потребителями, участие в международных выставках, семинарах, развитие общественных связей), компания НТ-МДТ вышла на мировой рынок и в настоящее время контролируемая ею доля мирового рынка кантилеверов составляет 15%, а рынка СЗМ – 5%. 1 Перспектива развития компании, являющейся лидером по издержкам в отрасли СЗМ и имеющей в своем арсенале приборы с уникальными потребительскими качествами (разработанный НТ-МДТ портативный СЗМ «Смена» не имеет мировых аналогов) – быстрый рост, увеличение объемов производства, возможная организация совместного производства СЗМ НТ-МДТ в Германии, США с участием иностранного капитала, выход на новый сегмент рынка – сверхточных микрогироскопов и микродатчиков, объем рынка которых существенно выше объема рынка СЗМ и составляет 10млрд. долларов История развития, настоящее положение дел, стратегии и перспективы бизнеса Фирма НТ-МДТ была первой российской компанией, которая смогла разработать, запатентовать и поставить на серийное производство отечественные конкурентоспособные сканирующие зондовые микроскопы. Первая фирма по производству СЗМ возникла в 1987 в Калифорнии – компания Digital Instruments, ставшая вскоре мировым лидером и удерживающая лидирующие позиции и поныне. С момента своего образования компания продала 3000 приборов, и сейчас не только ученым стало ясно, что дальнейшее развитие цивилизации без этих приборов невозможно. Вплоть до последних лет фирменных приборов этого типа в России практически не было. В нескольких институтах работали самодельные туннельные микроскопы. Встречались поделки кустарей-одиночек. Были и попытки организовать свой бизнес. Одна из них оказалась успешной, и с середины 90-х годов в России начали появляться приборы собственного производства – фирмы НТ-МДТ, а с 1998 г. они из просто приличных для отечественного рынка перебрались в число лучших в мире. Развивающаяся в Зеленограде на площадях ГНЦ Гос НИИФП фирма НТ-МДТ в настоящее время объединяет более сотни сотрудников, костяк фирмы – выпускники Физтеха, МГУ, МИЭТа. Корпорация МДТ была основана в 1991 г. группой выпускников МФТИ. Основные направления бизнеса – молекулярные технологии. НТ-МДТ является дочерней компанией Корпорации МДТ и специализируется в производстве оборудования для молекулярных технологий. С момента образования ЗАО «НТ-МДТ» занималось разработкой и производством сканирующих зондовых микроскопов, микрозондов к ним – кантилеверов, установок молекулярного наслаивания. В момент образования (1995 год) в номенклатуре продукции предприятия была одна модель сканирующего зондового микроскопа СОЛВЕР-Р4. 37 Основное стратегическое намерение НТ-МДТ – лидировать в области открытий и разработки новых приборов, удовлетворяющих запросы клиентов. Большую часть полученной от продажи приборов прибыли предприятие реинвестирует в новые разработки. НТ-МДТ активно сотрудничает с научными группами российских вузов, университетов, НИИ – покупателей СЗМ, обеспечивает годичное гарантийное обслуживание, обучение работе на приборах. В результате выясняются недостатки (конструкционные, технические), слабые места разработанных СЗМ, формулируется перечень требований пользователей, касающихся технических характеристик приборов, программного обеспечения, возможностей адаптации базовой модели к приложениям в области биологии, кристаллографии, материаловедения, электрохимии, катализа и т.д., мультимодового режима. В настоящее время на долю «НТ-МДТ» приходится 5% мирового рыночного сегмента нанотехнологического измерительного оборудования, что, по мнению ее руководства, далеко не является пределом. Это подтверждается хотя бы тем, что объем продаж в 2002 г. по сравнению с предыдущим вырос в два раза, а объем заказов, как на сами СЗМ, так и на их комплектующие, все увеличивается и увеличивается. Президент «НТ-МДТ», доктор технических наук Виктор Быков, считает, что расширить сферу влияния фирмы на глобальном рынке СЗМ с нынешних 15 до 20 процентов совершенно реально в течение ближайших 5–6 лет. Билет 26 Почему нанотехнологии считают надотраслевыми? Нанотехнологии по своей сути являются надотраслевыми. Нанотехнологии – это как бы атомарная база, объединяющая все остальные технологии. Нанотехнологии есть всюду - в медицине, авиации, строительстве, промышленности. Фактически они стали неким над-отраслевым приоритетом, объединившим всю отраслевую экономику и области знаний. Нанотехнологии - это надотраслевые технологии. Можно было ознакомиться только с экспонатами, которые представлены на данной выставке, чтобы понять, что использование наноматериалов, технологий, основанных на наноматериалах, оказывает влияние на огромное количество отраслей промышленности, отраслей экономики. На наших глазах фантастика становится реальностью – люди научились перемещать отдельные атомы и складывать из них, как из кубиков, устройства и механизмы необычайно малых размеров и поэтому невидимые обычным глазом. Появилась целая отрасль науки - НАНОТЕХНОЛОГИЯ, впитавшая в себя самые новые достижения физики, химии и биологии. Ученые-нанотехнологи работают с ничтожно малыми объектами, размеры которых измеряются в нанометрах. Нанотехнология не просто количественный, а качественный скачок от работы с веществом к манипуляции отдельными атомами. О том, что может нанотехнология рассказано в этом научнопопулярном обзоре. Билет 26. Вопрос 2. Кто является в РФ головной НИР в области нанотехнологий? Курчатовский институт Курч.институт синхротронного излучения и нанотехнологий В 1999 году в Курчатовском институте начал функционировать первый в России и СНГ специализированный источник синхротронного излучения (СИ). Этот источник, являющийся сложным инженерно-техническим комплексом, состоит из линейного ускорителя электронов на энергию 80 МэВ (форинжектора), промежуточного электронного накопителя "Сибирь-1" на энергию 450 МэВ (источника СИ в области вакуумного ультрафиолета) и большого накопителя "Сибирь-2" на энергию 2,5 ГэВ (источника СИ в рентгеновской области). По своим техническим 38 параметрам Курчатовский источник СИ является источником второго поколения и не уступает зарубежным аналогам Особую актуальность в последнее время получили задачи, связанные с нано - и биотехнологиями, структурной диагностикой сверхвысокого разрешения, материаловедением, новыми методами медицинской диагностики, микромеханикой, высокочувствительным химическим анализом и др. Курчатовский источник синхротронного излучения - это стратегически важный этап развития как самого Курчатовского института, так и всей отечественной науки, получившей мощный инструмент для проведения фундаментальных исследований строения вещества и решения технологических проблем индустрии на высоком современном уровне. Курчатовский источник СИ оборудован комплексом экспериментальных станций, включающих в себя блоки монохроматизации и управления интенсивными пучками излучения, элементы вакуумной техники, прецизионную гониометрическую аппаратуру, рентгенооптические элементы, детекторы, системы автоматизации и управления экспериментом и др. 39 В создании экспериментальных станций и формировании научной программы исследований вместе с Курчатовским институтом активно сотрудничают многие другие научноисследовательские институты и научные центры: Институт кристаллографии имени А.В. Шубникова РАН, который участвует в изготовлении более половины запланированных станций, Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН, Институт физики твердого тела РАН, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Санкт-Петербургский государственный университет, Объединенный институт ядерных исследований (г. Дубна), Институт физических проблем им. П.Л.Капицы РАН, Институт молекулярной биологии РАН, Институт теоретической и экспериментальной биофизики РАН, Институт белка РАН, Центр РАН "Биоинженерия", Институт биофизики клетки РАН, ГНЦ НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина, Институт ядерных исследований РАН.
