Применения УНТ и фуллеренов в информатике

Основные положения лекции 7

УНТ и фуллерены стали основой для многих новых перспективных направлений в материаловедении, в нанотехнологиях, в прикладной химии, в медицине, а также в информатике.

С использованием полупроводниковых УНТ реализовано много разных вариантов полевого транзистора как с металлическим или поликремниевым затвором, так и с затвором в виде другой УНТ с металлической проводимостью. Как регулируемый канал проводимости полупроводниковая УНТ имеет то преимущество перед каналами проводимости в полупроводниках, что подвижность носителей электрического заряда в нанотрубках значительно выше, а длину канала можно уменьшать вплоть до молекулярных масштабов. Ширина запрещенной зоны энергий в полупроводниковых УНТ зависит от их диаметра: чем меньше диаметр УНТ, тем больше ширина запрещенной зоны.

На полевых транзисторах с УНТ по известным принципам можно строить и усилители слабых сигналов, и логические элементы, и триггеры, и генераторы импульсов, и тактовые генераторы с диапазоном рабочих частот в сотни гигагерц. Поскольку УНТ достаточно длинны, то над одной нанотрубкой можно сформировать несколько затворов, что позволяет просто реализовать логические вентили "И" (конъюнкция) и "ИЛИ" (дизъюнкция). Используя для изготовления затворов одного транзистора палладий, а другого – алюминий, удается на одной нанотрубке построить инвертор, являющийся аналогом КМДП инвертора, и соответственно реализовать комплементарную логику.

Показано, что можно выращивать УНТ, разветвленные в форме буквы "Y". Они являются аналогом полупроводниковых гетероструктур и представляют собой почти готовый "молекулярный транзистор". Роль затвора выполняет "ствол" трубки, роли истока и стока – концы разветвлений УНТ.

УНТ большого диаметра с металлической проводимостью в сильном магнитном поле, направленном вдоль оси УНТ, по законам квантовой механики могут становиться полупроводниковыми. На этом принципе могут работать наноразмерные датчики сильных магнитных полей.

На УНТ с металлической проводимостью можно построить наноразмерные аналоги электромеханических реле. А на них можно строить логические схемы по правилам призабытой "релейной" логики, теперь уже в наноразмерах и с задержками порядка нескольких пикосекунд на переключение.

С применением УНТ можно построить много разных вариантов памяти. Во-первых, это – аналоги флеш-памяти на полевых транзисторах с плавающим затвором, на полевых транзисторах с зарядовыми ловушками, на элементах с изменением фазового состояния. Такие варианты, обеспечивают на порядки большее число переключений, чем в ныне выпускаемой памяти, меньшую потребляемую мощность, более высокое быстродействие, а, главное, допускают масштабирование вплоть до молекулярных размеров.

Во-вторых, это варианты, в которых используются механические свойства УНТ. В частности, УНТ с металлической проводимостью, лежащая на двух механических опорах из диэлектрика, может находиться в одном из двух устойчивых состояний, которые различаются за электропроводностью. Если расстояние между опорами уменьшить до 5 нм, то плотность памяти может быть свыше 1000 Гбит/см², а частота считывания – свыше 200 ГГц. Другой вариант основан на использовании УНТ, внутри которой размещается металлофуллерен. Последний может находиться внутри УНТ в двух устойчивых положениях. Переход в другое положение происходит приблизительно за 4 пс. Частота перезаписи информации может быть порядка 50 ГГц. Затраты энергии на переключение составляют 5-10 эВ.

Молекулярно тонкие, упругие, прочные на сжатие и на излом УНТ как можно лучше подходят на роль зонда для сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Они значительно "острее" даже самых острых зондов, сформированных с помощью микроэлектронных и наноэлектронных технологий. Радиус закругления острия УНТ может быть меньше 0,5 нм. Применение УНТ на конце зонда позволило заметно повысить разрешающую способность указанных сканирующих микроскопов. Будучи относительно длинными, УНТ позволяют зондировать даже глубокие узкие трещины. Присоединив к концу УНТ нанозонда химически избирательную молекулу, реализуют "химическую" растровую микроскопию. Зонд на исследуемой поверхности обнаруживает, в первую очередь, химически родственные атомы или молекулы, и на мониторе возникает многократно увеличенное изображение объекта с "химическим контрастом". Такой зонд позволяет сравнивать и количественно измерять силу взаимодействия молекулы, присоединенной к его острию, с другими молекулами или атомами на исследуемой поверхности. С его помощью можно автоматически "отыскать", например, на молекуле ДНК звено, комплементарное к олигомеру, присоединенному к УНТ.

УНТ с металлической проводимостью с успехом используют также в качестве наноэлектродов и нанопинцетов. Прикладывая к УНТ небольшое электрическое напряжение, ею можно притягивать, "подхватывать" и переносить в заданное место отдельные молекулы и даже атомы.

Если на полупроводниковую УНТ, являющуюся каналом полевого транзистора, иммобилизовать молекулу (лиганд), избирательно чувствительную к заданному аналиту, то получим химически чувствительный полевой транзистор с нанорамерами. Если в среде над чувствительным участком такого сенсора появляются частицы аналита, то некоторые из них присоединяются к иммобилизованным молекулам лиганда. Их зарядовое состояние изменяется, что заметно изменяет электрический ток сквозь УНТ.

Упругие свойства УНТ уже использовали для создания суперчувствительных весов. Такие весы, построенные на УНТ диаметром около 2 нм и длиной 254 нм, работая в высоком вакууме, показали чувствительность 1,3*10^-25 кг/Гц. Нановесы позволяют надежно "взвешивать" отдельные биологические молекулы.

Повышенная способность УНТ к холодной эмиссии электронов позволила создать миниатюрный аппарат для рентгеновских исследований. Малые размеры (порядка 10 мм) и потребляемая мощность (порядка 1 Вт) обеспечивают значительное уменьшение дозы рентгеновского облучения и возможность широкого использования аппарата при исследованиях, например, кисти руки, стопы ноги или челюстей человека.

На основе холодных катодов с УНТ можно построить цветной плоский монитор с разрешающей способностью до 100 линий/мм, на котором можно воссоздавать даже очень динамичные эпизоды, которые не способен воспринимать человеческий глаз.

УНТ с металлической проводимостью в смеси с электропроводящими полимерами успешно сочетают в себе достаточно высокую электропроводность, прозрачность во всем видимом диапазоне, износоустойчивость и долговечность с относительно небольшой ценой, что позволило существенно удешевить сенсорные экраны.

Набор для практики

Вопросы для самоконтроля

1. Из чего состоит полевой транзистор на УНТ? Изобразите его структуру и объясните принцип действия.
2. Почему для построения полевых транзисторов на УНТ нужны именно полупроводниковые УНТ? Как зависит электрический ток закрытого УНТ транзистора от ширины запрещенной зоны? Объясните это с помощью энергетической диаграммы.
3. Какие преимущества имеет полевой транзистор на УНТ перед полевыми транзисторами на полупроводниках?
4. Как удается построить на УНТ транзисторах аналог КМДП логики? Изобразите схему инвертора на комплементарных УНТ транзисторах и опишите его работу.
5. Что такое "УНТ с Y-разветвлением"? Как она функционирует?
6. Как ведут себя УНТ с металлической проводимостью в сильных магнитных полях? Зависит ли это поведение от диаметра УНТ?
7. Как устроены наноэлектромеханические реле на УНТ? Изобразите их структуру и опишите, как они функционируют. Как их можно использовать?
8. Из каких элементов состоит ячейка УНТ флеш-памяти с плавающим затвором? Изобразите ее структуру и опишите работу.
9. Как устроена ячейка УНТ флеш-памяти на полевых транзисторах с зарядовыми ловушками? Изобразите ее структуру и опишите работу.
10. Как устроена ячейка УНТ флеш-памяти на элементах с изменением фазового состояния? Изобразите ее структуру и опишите работу.
11. Как устроена ячейка электромеханической памяти на УНТ? Объясните принцип ее действия.
12. Как устроена ячейка памяти на фуллерене, капсулированном внутри УНТ? Объясните принцип ее действия.
13. Что Вы знаете об использовании УНТ в сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопах? Приведите примеры применений.
14. Каким образом функционализация УНТ позволяет превратить построенный на ней полевой транзистор в чувствительный наносенсор? Объясните принцип действия такого наносенсора.
15. Как устроены чувствительные весы на УНТ? Изобразите их структуру и опишите работу.
16. Каким образом УНТ помогли создать миниатюрный аппарат для рентгеновских исследований?
17. Как с помощью УНТ можно построить цветной плоский монитор с разрешающей способностью до 100 линий/мм?