ОСТАННІЙ ПОДКАСТ
Підписуйся на найнауковішу розсилку!
І отримуй щотижневі новини науки і технологій

    Ми під'їдаємо крихти cookies за вами. Навіщо це нам?

    Читати

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Пардон за відволікалочку. Допоможи Куншт бути незалежним!

    Повідомлення успішно надіслано

    Для пошуку
    введіть назву запису
    Технології — 22.06.20
    ТЕКСТ: В’ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Ми любимо тексти без помилок. Якщо ви все ж таки щось знайшли, виділіть фрагмент і натисніть
    Ctrl+Enter.
    Малий і ще менший

    Сьогодні важко уявити світ без комп’ютерів, смартфонів та інших «розумних» пристроїв. Вони усюди: допомагають у роботі, навчанні, відпочинку. Вони навіть можуть вчитися на власних помилках. Що лежить в основі всіх сучасних технологічних девайсів? Розповідаємо, як працює наноелектроніка.

    Наноелектроніка прийшла на зміну мікроелектроніці – передовій для 1960–1970 років технології, яка використовує елементи розміром близько одного мікрона. Префікс мікро- означає множення на 10-6, а нано- – на 10-9

     

    Щоб краще зрозуміти рівень розвитку цих технологій, достатньо уявити, що товщина людської волосини сягає 40-120 мікронів. Тобто схеми й пристрої мікро- й наноелектроніки функціонують на базі елементів, значно менших за товщину волосся. Для неозброєного ока вони недосяжні.

     

    Мікроелектроніка – це продовження розвитку напівпровідникової електроніки, що бере свій початок аж з ХІХ сторіччя. Напівпровідники –  це клас матеріалів, що мають питому провідність меншу, ніж провідники та більшу, ніж діелектрики (речовини, які не проводять електричний струм). Вони відрізняються від провідників сильною залежністю питомої провідності від концентрації домішок, температури і впливу різних видів випромінювання. Основною властивістю напівпровідників є збільшення електричної провідності з ростом температури. 

     

    Сьомого травня 1895 року Олександр Попов вперше зареєстрував електромагнітні хвилі за допомогою напівпровідникових властивостей твердого тіла. Вже у 1948 році американці Вільям Шоклі, Джон Бардін та Волтер Браттейн створили перший транзистор. Наступні кілька років їхню розробку удосконалювали. 

     

    Транзистор – це повсюдний і важливий компонент в сучасній мікроелектроніці. Його призначення просте: він дозволяє за допомогою слабкого сигналу керувати набагато сильнішим. Зокрема його можна використовувати як керовану «заслінку»: відсутністю сигналу на «воротах» блокувати перебіг струму, подачею – дозволяти.

     

    Разом із транзисторами розробили і почали використовували інші види напівпровідникових пристроїв: діодиДіод – це напівпровідниковий елемент, який пропускає струм тільки в одному напрямку., варисториВаристор – напівпровідниковий елемент, електричний опір якого нелінійно залежить від прикладеної напруги., варикапиВарикап – напівпровідниковий діод, головним параметром якого є змінна під напругою ємність., тиристориТиристор – різновид напівпровідникових приладів, призначений для регулювання і комутації великих струмів. тощо. Звісно, спочатку це були пристрої розміром із сучасну мікрохвильовку, але за пів сторіччя габарити вдалось зменшити майже у мільйон разів. Поява транзистора стала потужним стимулом для розвитку досліджень у галузі фізики напівпровідників та технологій напівпровідникових пристроїв. Почали створюватися підсилювачі сигналу, електронна логіка та навіть перші електронні обчислювальні машини – прадіди сучасних комп’ютерів.

     

    Практична реалізація технологій потребувала надчистих матеріалів та спеціального технічного вимірювального обладнання. Саме на цій базі й сформувалася мікроелектроніка, а далі – і наноелектроніка.

     

    Нанорозмірні структури увійшли у напівпровідникову техніку ще в 1970–1980 роках. Для їх створення розробляли і впроваджували відповідні технологічні процеси, як-от молекулярно-променеву епітаксію (нарощування кристалів за низьких температур), іонно-плазмову обробку (формування структури за допомогою іонів, що витягуються з плазми), іонно-променеву імплантацію (введення атомів домішок у поверхневий шар матеріалу), фотонний відпал (зміна фізичних властивостей матеріалу через нагрів фотонами і наступне охолодження до кімнатної температури), напилювання.

     

    Розвиток наноструктур потребував нових технологічних процесів, що створювались на базі вже досліджених фізичних явищ. А поява наноелектроніки дозволяла швидше рухати вперед ті самі технологічні процеси. Виходить своєрідне замкнене коло, яке, крім власного руху, допомагає в дослідженнях інших галузей науки та техніки.

     

    Наномікроскопія

     

    Одним із перших великих етапів на шляху розвитку наноелектроніки стало створення сканувального тунельного мікроскопа та атомно-силового мікроскопа. Суть першого полягає в ефекті квантового тунелювання. Якщо прикласти напругу між зондом та зразком, то через проміжок між ними починає бігти струм. За певного збільшення напруги можна витягнути з поверхні зразка кілька атомів і пересувати їх вздовж поверхні, від’єднувати від молекули або навіть перемістити в інше місце. До речі, саме таким чином був створений напис IBM з 35 атомів ксенону.

     

    Атомно-силовий мікроскоп схожий за принципом дії. Але, на відміну від сканувального, він має можливість взаємодії з непровідними матеріалами, а також дозволяє дослідити адгезію, силу тертя та деякі інші фізичні властивості матеріалу.

     

    Нанотрубки та графен

     

    Наступним після наномікроскопії відкриттям, що визначило образ електронних схем майбутнього, стало винайдення нанотрубок – циліндричних структур товщиною в декілька атомів, які мають властивості провідника або напівпровідника. Крім того, надзвичайно важливою була поява графену – кристалічного вуглецевого матеріалу, який можна уявити у вигляді пластини, що складається з атомів карбону. Він має сильні струмопровідні властивості і високу міцність.

     

    Саме графен дозволяє створювати сучасні смартфони, сонячні батареї та комп’ютери, які мають гнучкі мікросхеми і можуть згинатися без ризику зламатися. На відміну від керамічних альтернатив на кшталт оксиду індію-олова, який часто використовують у виробництві OLED-дисплеївOLED-дисплеї – дисплеї, що базуються на багатошарових органічних сполуках, які ефективно випромінюють світло, коли через них проходить електричний струм., графен більш гнучкий та прозорий.

     

    Ще однією сферою, у якій старі методи поступаються нанотехнологіям, є створення накопичувачів інформації та акумуляторів. Літій-іонні батареї домінують на ринку вже майже 20 років і наразі досягли піку продуктивності. Проте розробники вірять, що акумулятори майбутнього будуть мати зовсім іншу форму, структуру та склад. Ще у кінці 2018 року індійська компанія Log 9 Materials заявила, що працює над батареями на основі графену. Зовсім нещодавно іспанська компанія Graphenano продемонструвала прототип графен-полімерного акумулятора з можливістю заряджатися втричі швидше, ніж звичайна літій-іонна батарея. Для прикладу, питома ємність літій-іонного акумулятора становить 200 ват-годин на 1 кг ваги. Графенова батарея таких самих розмірів та ваги має у п’ять разів більшу питому ємність. Якщо перевести це в кілометри для автомобілів, то графеновий акумулятор, встановлений у Tesla Model S, здатний збільшити пробіг електрокару з 334 км до 1013 км на одній підзарядці. Що й казати про те, що такі акумулятори значно швидше заряджатимуться від 0 до 100%.

     

    Як працює наноелектроніка

     

    Головною особливістю переходу на нанометри є те, що для елементів з такими розмірами починають діяти інші фізичні явища. Зокрема переважають квантові ефекти, тобто метрологічні парадокси квантової механіки: що частіше перевіряти, то довше йде розпад метастабільного квантового стану. У граничному випадку нестабільна частка в умовах постійного спостереження за нею ніколи не може розпастися. Використання квантових ефектів є дуже перспективним для створення надпотужних комп’ютерів. 

     

    При цьому перехід від мікро- до нано- вносить і небажані квантові ефекти. Наприклад, у роботі транзистора виникає тунелювання носіїв заряду: частинка переноситься через (або проникає в) ділянку, обмежену потенціальним бар’єром, висота якого більша за повну енергію цієї частинки.

     

    Тобто тепер електричний струм вже не можна уявити у вигляді «електричної рідини» або «електричного газу». У наносвіті на перший план виходять кванти електричного заряду, тобто взаємодія окремих частинок та пов’язаних із ними фізичних явищ.

     

    Транзистор – голова мікро- та наносхем

     

    Принцип дії наноелектронних схем можна пояснити на прикладі транзистора – приладу, що призначений для посилення та керування електричним струмом в електричному колі. Він використовується майже у будь-яких сучасних пристроях: побутовій електроніці, смартфонах, комп’ютерах, терміналах самообслуговування. 

     

    Проте варто зауважити, що наноелектроніка виконує лише керівну або обчислювальну роль. Це означає, що нанорозмірні елементи мають невелику потужність, тобто не здатні довго пропускати великий струм. Тому більшість приладів, особливо сучасної цифрової техніки, працюють в імпульсному режимі: струм подається не постійно, а з певним інтервалом та тривалістю.

     

    Напівпровідниковий транзистор прийшов на зміну лампам, які колись встановлювали у телевізори. Для виготовлення транзисторів використовували напівпровідник германій, а згодом – кремній. Кремній менш чутливий до температурних коливань, а тому має більшу сферу допустимих параметрів використання. 

     

    Важливою характеристикою будь-якого напівпровідника є тип провідності. Залежно від цього, розрізняють n-тип (носіями заряду виступають негативно заряджені електрони) та р-тип (носіями заряду виступають позитивно заряджені «дірки»). Потрібний тип провідності досягається додаванням різних частин монокристалу. Залежно від провідності транзистори бувають двох типів: n-p-n та p-n-p.

     

    Найпоширеніший вид напівпровідникового транзистора – біполярний. Як і інші види транзисторів, це радіодеталь, що має три виводи (вусики для підключення в схему): базу, колектор та емітер.

     

    Транзистор працює у двох режимах: «відкрито» та «закрито». На базу зазвичай подається вхідний сигнал, з колектора знімається посилений сигнал, а емітер є загальним проводом схеми. Навіть несуттєве зростання напруги на базі призводить до значного посилення струму на колекторі. Таким чином відбувається керування потужністю та підсилення слабкого сигналу. Саме цей принцип лежить в основі виготовлення елементів електронної логіки та підсилювачів. Зокрема тих, що використовують у сучасній аудіо- та відеотехніці, коли невелика за розміром коробочка здатна суттєво покращити звучання.

     

    Диво процесора

     

    Процесор – це серце та мозок будь-якого комп’ютера. У сучасних комп’ютерах він працює на базі нанорозмірних елементів. Це напівпровідниковий кристал, який має мільйони або навіть мільярди транзисторів. Така велика кількість елементів дозволяє процесору одночасно виконувати багато логічних та арифметичних операцій. Що й казати про можливості, які надає людству використання квантових комп’ютерів, що створюються у провідних лабораторіях світу. Квантовий комп’ютер використовує явища квантової механіки для передачі і обробки даних. На відміну від звичайного, він оперує не бітами (здатними приймати значення або 0, або 1), а кубітами, що мають значення одночасно і 0, і 1. Теоретично це дозволяє обробляти всі можливі стани одночасно, досягаючи істотної переваги над звичайними комп’ютерами в низці алгоритмів.

     

    Принцип роботи процесора базується на обробці сигналу транзисторами, які пропускають і переспрямовують його у потрібному напрямку задля роботи з пам’яттю. Можна уявити, що процесор – це велика кімната з комірками, в яких лежать сірники. А виділений для роботи з цими комірками блок (арифметично-логічний пристрій) за командою користувача виконує операції з перекладання сірників з однієї комірки в іншу. До того ж робить він це настільки швидко, що ми не помічаємо самого процесу, а бачимо лише результат.

     

    Першим загальнодоступним мікропроцесором був 4-розрядний Intel 4004, представлений 15 листопада 1971 року. Він складався з 2300 транзисторів і працював на частоті 92,6 кГц, а коштував 300 доларів. Відтоді багато що змінилось, але корпорація Intel і сьогодні – один із двох лідерів серед виробників процесорів. Конкурентом є компанія AMD, процесори якої також користуються попитом на всіх сегментах ринку. Цікаво, що Intel розвинув свої технології до створення процесорів на базі 14-нанометрової архітектури, тоді як АMD вже перейшов до 7-нанометрової і з 2021 року планує перехід на нову архітектуру у 5 нанометрів. Зменшення техпроцесу надає можливості використання більшої кількості елементів, а отже, розширює обчислювальні можливості процесорів нового покоління.

     

    Тож наноелектроніка – це не зовсім революційний та незалежний напрям розвитку електроніки та технологій. Це еволюційний етап, що прийшов на зміну мікроелектроніці. Хоча і варто зауважити, що використання таких елементів базується на нових фізичних явищах: тунелюванні заряду, квантових ефектах тощо. Все це дає можливість створювати нові технології та обладнання, що напряму впливає на розвиток світу і кожного з нас окремо.

     

    Можна не сумніватися, що людство не зупиниться на досягнутому і згодом перейде на нові стандарти компонування електронних пристроїв. І, можливо, незабаром на нас чекає новий етап розвитку технологій – пікоелектроніка (піко – префікс, що означає множення на число 10-12). Вже зараз створюються елементи на базі розмірів декількох нанометрів, тому цілком логічно припустити, що через 5-7 років ми отримаємо схеми на пікоелементах. Наразі таку термінологію можна знайти переважно у статтях та дослідженнях, що пов’язані з використанням електронної мікроскопії.

    ТЕКСТ: В’ячеслав Катречко
    Ілюстрації: Каталіна Маєвська
    Статті
    Промо
    Проєкт інтелект. Воєнний сезон. Епізод 5: NFT та Україна

    Чи можна написати «Проєкт інтелект» на гривні й продати за мільйони доларів як NFT?

    Людина
    Від батька до сина: що таке генеалогія і як досліджувати свій рід

    Що таке ДНК-генеалогія і як далеко кожний з нас може просунутися у вивченні свого роду?

    Наука
    Екологічно чиста отрута: уривок з книжки «Зоологічна екскурсія супермаркетом»

    Чому краще утриматися від «дикого» промислу морепродуктів, особливо у водоймах, де цвіте вода?

    Наука
    Передумови приходу диктаторів до влади: Італія, Німеччина, РФ

    Що стало передумовами приходу диктаторів до влади на прикладі фашистської Італії, нацистської Німеччини та путінської росії? Розповідає співавтор і ведучий каналу «Історія Без Міфів» Владлен Мараєв.

    Людина
    Як кожен з нас може подякувати військовим і допомогти їм з адаптацією

    Як змінюється світосприйняття військових і що ми можемо зробити, аби висловити їм вдячність і допомогти в адаптації до мирного життя?

    Біологія
    Не тільки в історії. Який слід залишить війна в наших генах

    Як війни, голод та важкі психологічні травми залишають слід у геномі людини й чи можемо ми на це якось повпливати?

    Повідомити про помилку

    Текст, який буде надіслано нашим редакторам: