«Нано…»

Ал Бухбиндер • 18 декабря 2015
Главным научным прорывом 2001 года, по мнению редакции журнала «Сайенс», стала … наноэлектроника! (Барабанный гром, бурные аплодисменты, на поле научных чудес выносят первый приз.)

    Главным научным прорывом 2001 года, по мнению редакции журнала «Сайенс», стала … наноэлектроника! (Барабанный гром, бурные аплодисменты, на поле научных чудес выносят первый приз.)

    Объясним, «как это носят».

    Слово «нано» мы уже произносили не раз. В чисто числовом смысле оно означает одну миллиардную долю — в нашем случае метра, в смысле физическом — любые элементы, механизмы или устройства наноразмера. (Напомним для наглядности, что размер атомов или простейших молекул — порядка 0,1 нанометра). Впервые о проникновении в наномир заговорил великий американский физик Фейнман. Это было десятилетия назад, и Фейнман тогда, в сущности, поставил перед коллегами то, что казалось фантастической по дерзости задачей. Нашлись, однако, энтузиасты, которые приняли вызов и переняли эстафету (одним из них был американец Дрекслер).

    Долгое время такой прорыв казался делом очень далекого будущего, но потом последовали сразу два открытия, резко приблизившие его. Одним из них было открытие сложно организованных чисто углеродных молекул — сначала уже упоминавшихся выше сферических «баккиболлз» (о них речь пойдет дальше), а затем крохотных трубчатовидных образований, получивших название «нанотрубок». Вторым было создание так называемого атомного микроскопа, который не столько «видит», сколько «осязает», зато способен осязать даже отдельные атомы! Его тончайшее острие скользит по поверхности вещества и вычерчивает кривую непрерывно меняющихся расстояний до этой поверхности; понятно, что над каждым атомом оно чертит «горбик», а между отдельными атомами — «впадину».

    Оказалось, что игла этого микроскопа способна не только осязать атомы, но и перемещать их по поверхности, и таким вот образом ученые фирмы IBM в свое время сдвинули пару десятков атомов с их места, чтобы создать первую в мире «атомную надпись» (разумеется, «IBM»).

    К тому времени уже стало известно, что нанотрубки обладают замечательными электрическими свойствами: в зависимости от того, располагаются в них атомы углерода спирально или кольцами, они ведут себя в отношении тока как проводники или полупроводники. Возникла надежда, что, манипулируя такими трубками с помощью атомного микроскопа, удастся «собрать» наноэлектрические схемы, вроде тех, о которых пророчески говорил Фейнман и твердил Дрекслер. Однако путь к этому оказался труден, и первый прорыв был сделан только в минувшем году.

    Но почему «главный»? Дело в том, что дальнейший рост быстродействия и мощности компьютеров требует непрерывного увеличения плотности рабочих элементов — диодов, транзисторов, выключателей и т.д. — на единицу площади электронных схем. Сегодня эта плотность составляет 40 миллионов элементов на участке размером в почтовую марку. Наименьшие элементы на такой схеме имеют размеры порядка 130 нанометров. Каждый следующий шаг в уменьшении этих размеров дается с огромным трудом. Теперь напомним снова, что размеры атомов и молекул — в тысячу раз меньше. Вот почему энтузиасты нанотехники утверждают, что будущее компьютеров (а с ними — и всей человеческой цивилизации) — в переходе на наноэлектронику. И вот почему создание первых наноэлектронных схем названо главным научным прорывом минувшего года.

    Этот успех был достигнут в несколько этапов. В 1997 году Метцеру и Чонг-Ву Чжо (США) удалось разработать молекулы, имевшие свойства диодов, то есть односторонне проводящих устройств, этих важнейших элементов всякой простейшей электронной схемы. В 1999 году Хит и Стоддард создали молекулу, которая не только проводила ток, но при подаче на нее определенного вольтажа этот ток прерывала, то есть работала как простейший выключатель. Еще через несколько месяцев Рид и Тур сообщили о создании молекулярных транзисторов, то есть устройств, способных управлять величиной проходящего тока. К концу 2000 года было накоплено множество электронных устройств молекулярного размера, но никому еще не удалось соединить их в работающую схему, даже самую простейшую.

    И вот в 2001 году это удалось сразу пяти исследовательским группам. Группа Либера в Гарварде сумела соединить несколько нанопроволочек и присоединить к их концам крошечные электродики, показав в итоге, что различные элементы этой схемы способны «общаться» друг с другом, как в «настоящей» электронной схеме. Затем группа Хита ухитрилась сделать своего рода «каркас» из полупроводящих молекул, который работал как «чип» с памятью в 16 битов. После этого наступила очередь углеродных нанотрубок. В августе группа Авуриса из IBM показала, что одна такая трубка, намотанная на два электрода, способна работать как «инвертор» — устройство, преобразующее сигнал низкого уровня на входе в сигнал высокого уровня на выходе и наоборот. Этот успех был развит голландской группой под руководством Деккера. Ей удалось создать логические схемы на основе транзисторов из нанотрубок.