ext_5251
.pdf
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Рис 114. Принцип действия механотранзистора
по плотности данных, чем современные электромагнитные системы. Вероятно, что механопамять обгонит по емкости даже те магнитные устройства, которые по нынешним технологиям изготовления приближаются к физическому пределу плотности информации для магнитных устройств.
Механопамять может работать, выполняя миллионы и миллиарды циклов в секунду. Моханти сказал, что механичес кие ключи новой памяти потребляют в миллион раз меньше энергии, чем их электронные аналоги.
Расскажем о создании одного из прототипов логических ячеек механопамяти. С помощью электронно лучевой литогра фии исследователи сделали «шаблон» для матрицы механичес ких ключей и вытравили их из монокристаллического слоя кремния, покрытого слоем оксида кремния.
Электронно лучевая литография уже давно используется МЭМС и нанотехнологами в качестве основного производ ственного инструмента. Она также является основным инструментом для производства микроэлектронных схем и ею пользуются при массовом производстве микросхем и процес соров. Так что для массового производства механопамяти не нужно будет использовать дополнительные устройства, вы
www.nanonewsnet.ru |
193 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
пуск готового продукта можно производить на уже имеющем ся оборудовании.
Одиночная ячейка памяти состоит из струны нанометро вых размеров, которая при воздействии на ее концы высоко частотного напряжения (с частотой в несколько мегагерц) из гибается. При определенной амплитуде напряжения струна принимает одно из конечных состояний (“1” или “0” соотв.), что как раз нужно для хранения информации.
Маленькие размеры устройства позволяют ему достичь вы сокочастотных вибраций (в опытах — до 23,57 МГц). Эта часто та отражает скорость чтения записанной информации. Для сравнения, винчестеры в современных ноутбуках характеризу ются скоростью считывания информации в несколько сот ки логерц.
Исследователи заверяют, что наномеханические ключи могут достичь скорости до миллиарда циклов в секунду. При этом их раз меры могут быть меньше тех, кото рые изготовлены экспериментально.
Другое преимущество наномеханики перед наноэлектро никой заключается в том, что диапазон вибрации наноструны составляет несколько ангстрем. Для вибрации в таком диапазо не устройство потребляет всего несколько фемтоватт электроэ нергии, в то время как современные ключи потребляют милли ватты. Механическая память также свободна от ограничений суперпарамагнитного эффекта, который определяет граничые размеры магнитной памяти.
Объединение принципов механических и электронных вы числений позволит создать гибридные механоэлектрические НЭМС транзисторы, которые работают по принципу переноса носителей заряда механическим путем.
Приведем один пример. В 2001 году профессор Роберт Блайк из Висконсина, США, представил рабочий электромеха нический маятник, который вибрировал в диапазоне радиочас тот и мог переносить отдельные электроны от одного электро да к другому при активации “механической руки” устройства
* Перепечатано с www.cmp.caltech.edu
194
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
(т.е. работать как транзистор). Установка Блайка изображена на рисунке 116.
В центре устройства – вибрирующий маятник, ко торый был назван Блайком “механической рукой”. Если между точками G1 и G2 при ложить переменное напря жение, то маятник будет ко лебаться с частотой, пропор циональной частоте пере менного напряжения. В ра бочем устройстве маятник ко
лебался с частотой в 100 МГц. Маятник C электрически изоли рован от электродов G1, G2, S и D и заземлен.
Электроды S и D представляют собой исток и сток транзис тора соответственно. Как только маятник касается электрода S, на его поверхность благодаря туннельному эффекту переносит ся один электрон, который затем передается с помощью коле баний маятника на электрод D. На схеме показан источник напряжения транзистора VSD и прибор, с помощью которого исследователи могли наблюдать за переносом электронов ISD.
Осциллятор исследователи изготовили из кремния по тех нологии SOI (silicon on insulator: слой кремния на слое изоля тора) в несколько этапов. Сначала с помощью электронно лу чевой литографии нанесли на кремниевую поверхность золо тую маску, которая повторяла геометрию устройства, а также алюминиевую маску травления (для тех участков, которые надо удалить). Далее был вытравлен механический маятник и его туннельные контакты (с точностью до 10 нм).
В обычных микроэлектронных транзисторах переносится около 100.000 электронов, чтобы обеспечить состояние 1 или 0. В новом электромеханическом транзисторе эту роль выполняет один электрон. Преимущества нового устройства – в отсутствии тепловых шумов, так как сток и исток физически разделены. Также уменьшится энергопотребление устройства, собранного на этих транзисторах.
* Перепечатано с www.cmp.caltech.edu
www.nanonewsnet.ru |
195 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Применение маятника в качестве переносчика электронов позволит транзистору работать в условиях повышенной радио активности, говорит Блайк. Поэтому одним из применений механотранзистора станет спутниковая электроника.
С помощью НЭМС также можно бу дет создать наноманипуляторы – устрой ства, способные выполнять управляемый механосинтез или просто перемещать от дельные молекулы. Над созданием по добного устройства сейчас работает ряд крупнейших компаний и лабораторий. Уже созданы проекты манипуляторов, нопока еще ни один из них не воплотил ся в реальность.
Многообразие вариантов и областей применения МЭМС и НЭМС ограничено только нашим вооб
ражением. Одним из эффективных приложений МЭМС техно логии сегодня являются датчики, или сенсоры.
Сенсоры
Развиваясь, человечество все больше стремится понять и освоить природные механизмы, тысячелетиями функциониру ющие в биологических организмах, в том числе и человечес ком. Иногда результатом таких попыток становится создание электронной техники, имитирующей работу органов чувств че ловека или животных.
В основе работы таких устройств лежат сенсоры, или датчи ки технические элементы, чувствительные к внешним воздей ствиям (от англ. “sense”– “чувствовать”).
Собственно говоря, сегодня подобные устройства вряд ли могут кого нибудь поразить: уже давно сенсоры встраиваются в автомобили, музыкальные центры, холодильники и другие бы товые приборы. Датчики широко используются в охранных системах, системах контроля над глобальными катаклизмами (например, сейсмодатчики, способные заблаговременно пре дупредить людей о надвигающемся землетрясении по малей шим колебаниям), системах противопожарной безопасности, медицине.
Большой популярностью сегодня пользуются ультразвуко* вые сенсоры. По принципу работы они напоминают маленький
196
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
локатор. Волны, исходящие от них, проникают в любой затаен ный уголок помещения, и малейшее изменение геометрии ком наты (например, появление нежданных гостей с мешком для денег) приводит к срабатыванию сигнализации.
Похожий принцип действия и у инфракрасных датчиков, срабатывающих в момент попадания движущегося объекта, из лучающего тепло (например, человека или собаки), в зону чувствительности датчика.
Пьезоэлектрический сенсор предназначен для обнаружения механических воздействий на отдельные предметы и использу ется при охране сейфов, музейных экспонатов и т.д. Такой сен сор представляет собой МЭМС устройство, способное обнару жить смещение вплоть до 1 микрона. В основе работы сенсора лежит пьезоэлектрический эффект, суть которого подробно из лагалась в первой главе при описании пьезомеханического ма нипулятора, обеспечивающего перемещение зонда сканирую щего микроскопа.
Весьма популярны также газовые сенсоры, суть работы кото рых заключается в анализе воздуха, попадающего в сенсор че рез полупроницаемую мембрану. Молекулы газа вступают в ре акцию с электролитом у измерительного электрода. В результа те реакции генерируется электрический ток, по измерению ко торого можно судить о наличии тех или иных веществ в атмос фере. Такие устройства позволяют определять утечку газов и проверять состояние атмосферы на предмет наличия токсич ных веществ, взрывоопасного водорода и т.п.
Наносенсоры – это чувствительные элементы, действие ко торых основано на наномасштабных эффектах. Сегодня нано сенсоры находят широкое применение в контроле над состоя нием сложных систем, бытовой технике и в биомедицине.
Рассмотрим, как с помощью НЭМС систем построить на норецептор, который смог бы отделять молекулы только одно го типа. И как сделать перепрограммируемый рецептор, кото рый отбирал бы только те молекулы, описание которых в дан ный момент передает центральный компьютер.
Можно ли гарантировать чистоту отбора? На все эти вопро сы можно ответить с помощью математического моделирова ния нанорецепторов и наноструктур. Классический наноре цептор, названный Молекулярным Сортирующим Ротором (далее МСР), предложен Эриком Дрекслером.
www.nanonewsnet.ru |
197 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Каждый ротор имеет “гнезда” по окружности, конфигури рованные под определенные молекулы. Находясь в окружении молекул, “гнезда” селективно захватывают только заданные молекулы и удерживают их до тех пор, пока молекула не ока жется внутри устройства. От “гнезда” ее отсоединяет стержень, расположенный внутри ротора. Такие роторы могут быть спро ектированы из 105 атомов и иметь размеры порядка (7х14х14 нм) при массе 2х10 21 кг. Они смогут сортировать молекулы, сос тоящие из 20 и менее атомов, со скоростью 106 молекул/сек при энергозатратах в 10 22 Дж на 1 молекулу. МСР позволяет созда вать давление в 30 000 атмосфер, потребляя 10 19 Дж.
Рис 118 Молекулярный сортирующий ротор
Роторы полностью обратимы и поэтому могут быть исполь зованы как для нагнетания, так и для выгрузки молекул газов, воды и глюкозы. Каждый ротор имеет 12 “гнезд” для присоеди нения молекул, расположенных по длине окружности ротора. МСР позволят нагнетать в резервуары химически чистые веще ства, в которых не будет ни одной чужеродной молекулы.
Присоединительные “гнезда” роторов имеют специфичес кую структуру и будут производиться путем конструирования их атом за атомом по примеру строения активных центров не которых ферментов. Так, фермент гексокиназа имеет присое динительные “гнезда” для глюкозы.
198
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
Ральф Меркле, исследователь из компании Xerox и коллега Эрика Дрекслера, предполагает, что для большинства “присоединительных гнезд” для молекул, вытянутых в длину и имею щих линейную структуру, можно использовать нанотрубки. Ральф рассчитал, какого диаметра должны быть нанотрубки для различных моле кул. Выглядеть такой рецептор может так, как показано на рисунке 119.
А Роберт Фрайтас предлагает ряд “механических” рецепто ров для сортировки молекул. Они имеют разное исполнение, но смысл один и тот же: рецептор, по сигналу с компьютера, автоматически принимает форму искомой молекулы.
Рис 120 Сортирующие рецепторы Фрайтаса
Интеграция в одном устройстве МЭМС, электроники и чувствительных наноэлементов породило огромное многооб разие интереснейших научных проектов, многие из которых уже воплощаются в жизнь, а часть пока что находится в стадии разработки. Рассмотрим некоторые из них.
Проект “Умная пыль”
В романе известного фантаста Станислава Лема «Непобе димый» грозным оружием будущего были не громоздкие кос мические крейсеры или танки, а микроскопические частички кремния. По отдельности эти песчинки представляли собой бе зобидный кварцевый песок, но, объединяясь в пылевые тучи, превращались в мощное оружие.
Благодаря развитию МЭМС предсказания фантаста стано вятся реальностью. В 1998 году американские ученые из воен ного агентства DARPA выдвинули концепцию “умной пыли” (smart dust). Суть ее заключается в том, чтобы разбрасывать с самолетов над зоной боевых действий тысячи крошечных сен соров радиопередатчиков, которые незаметно для противника
www.nanonewsnet.ru |
199 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
станут отслеживать все его перемещения и действия. Предпола галось также, что простые по отдельности сенсоры будут само организовываться в сложную, наделенную искусственным ин теллектом сеть, которая сможет производить фильтрацию и первичную обработку собранных данных, дабы переправлять командованию лишь существенную информацию.
Одной из самых плодотворных разработок в этом направле нии стал совместный проект Калифорнийского университета в Беркли и корпорации Intel, в рамках которого созданы умные сенсоры Motes (в переводе с англ. – “пылинки”). Что же предс тавляют собой эти “пылинки”? Это миниатюрные чувствитель ные приборы размером с таблетку аспирина, способные авто номно работать в любых условиях и с помощью радиоволн объ единяться в локальные сети для передачи собранной информа ции центральному компьютеру.
Исследователи изготовили несколько сотен эксперимен тальных “умных пылинок”. Все “пылинки” снабжены сенсора ми и радиопередатчиками, передающими сигнал по цепочке от одного робота к другому. Поскольку объем памяти “пылинки” составляет лишь несколько килобайт, то для их совместной ра боты разработали специфическую “крошечную” операцион ную систему TinyOS, оперирующую файлами размером поряд ка 200 байт, и соответствующую систему баз данных TinyDB, проводящую внутрисетевую обработку данных. Стоит отме тить, что при этом они отличаются достаточно долгим сроком службы – их батареек хватает на несколько лет! Секрет такой долговременной работы “пылинок” заключается в том, что они включаются лишь на короткое время: делают замеры, передают сигнал – и снова “засыпают”.
Что же касается принципов самоорганизации сети, то в ее основу положена логическая система простых “локальных пра вил”. Когда на местности развернуты тысячи сенсоров и шлю зов маршрутизаторов, то простое правило для каждого сенсора гласит: “Установить связь с ближайшим шлюзом”. Следова тельно, все сенсоры автоматически группируются вокруг бли жайших шлюзов.
Первые испытания “умной пыли” проводились в марте 2001 года на военной базе в Калифорнии. Тогда с самолета бы ло сброшено шесть “умных пылинок”. Попадав на землю, они
200
ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС
тут же объединились в беспроводную сеть и приступили к изме рению напряженности магнитного поля вокруг себя. А после того как мимо проехала машина, принялись рассчитывать ее скорость и определять направление движения, сообщая эти данные переносному компьютеру, находящемуся в ближайшем лагере.
Области применения “умной пыли”:
Благодаря таким качествам, как беспроводность, автоном ность, миниатюрность, множественность, надежность и отно сительно низкая стоимость, “умная пыль” уже стремительно находит применение в повседневной человеческой жизни. По мимо военных и полицейских приложений, самоорганизующи еся сенсорные сети могут использоваться и в мирных целях — от наблюдения за окружающей средой до присмотра за пожи лыми людьми. Приведем лишь несколько примеров использо вания “умной пыли”, давшего высокие положительные резуль таты.
Каждое лето остров Дикой Утки в двенадцати милях от бе регов штата Мэн подвергается массовому нашествию морских птиц, собирающихся здесь для выведения потомства. Чтобы выяснить, сколько птенцов они высиживают и какие условия для этого требуются, орнитологу Джону Андерсону приходи лось каждый сезон обследовать тысячи норок, выбиваясь из сил и нарушая покой птиц. После того как два года назад Ан дерсон и его группа разбросали по острову сеть “умных пыли нок” и подключили питающуюся от солнечной батареи базо вую станцию к Интернету, их жизнь и работа коренным обра зом изменились. “Вы можете находиться в любой точке мира, – восхищается Андерсон, – и знать, что в данный момент проис ходит в любой из норок, куда мы подбросили наши маленькие
инезаметные сенсоры”.
Впрошлом году биолог университета Калифорнии в Берк ли Тодд Доусон развернул в местном ботаническом саду сеть из 80 миниатюрных приборов производства корпорации Intel и получил первую в мире трехмерную картину изменений мик роклимата в вечнозеленом лесу. Аналогичный, но более масш табный проект по исследованию экосистем осуществляет сей час с помощью тех же малышек лос анджелесский университет Калифорнии в лесном заповеднике около города Palm Springs.
www.nanonewsnet.ru |
201 |
НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ
Другие исследователи испытывают «motes» в качестве сред ства для моделирования последствий землетрясений, монито ринга движения транспорта в военных зонах, использования во ды в сельскохозяйственных угодьях, получения информации о состоянии зданий, дорог, загрязнении водоемов – этот перечень можно продолжать до бесконечности. В частности, это будет очень важно для тех «motes», которые будут использоваться в го родах для обнаружения признаков нападения биотеррористов.
Одним из обоснованных опасений являются сомнения по поводу правомочности данной технологии. Помимо позитив ных применений, “умная пыль” может играть роль и незамет ного подслушивающего устройства (особенно если учесть сов ременные темпы минитюаризации электроники), что дает ее обладателям большие возможности для вторжения в личную жизнь граждан. А по мере ее распространения вероятность зло употреблений полученной информацией может только расти. Но поскольку остановить научно технический прогресс еще не удавалось, это, по видимому, должно привести к совершен ствованию законов с учетом появившихся новых технических возможностей покушения на неприкосновенность личности.
Проект “Электронный нос”
Представьте, что вы после продолжительной вечерней про гулки заходите в дом, где печется яблочный пирог. С первой же секунды ваш нос, почуяв и распознав аппетитный аромат, сооб щит об этом вашему мозгу.
Как это происходит? Дело в том, что практически любое химическое вещество издает специфический запах. Попадая в нос, молекулы этого вещества, присутствующие в воздухе в не больших концентрациях, раздражают соответствующие рецеп торы, передающие в мозг информацию о наличии в воздухе оп ределенных веществ посредством нейронной сети.
Известно, что чувствительность носа у людей сильно раз личается. Профессиональные дегустаторы парфюмерии обла дают уникальным “нюхательным” даром и превосходят в этом обладателей обычных носов. Специально натренированные со баки ищейки способны “вынюхивать” определенные виды наркотических или взрывоопасных веществ. Но ни одна собака не в состоянии уловить запах человека в помещении, где силь
202