Многие из перспективных направлений в нанотехнологии, и наноэлектронике в частности, связываются в последнее время с нанотрубками, которые наделали немало шума в университетских кругах и исследовательских лабораториях крупных корпораций. Продолжая тему нанотехнологий, поднятую в нашей прошлой статье, мы познакомимся с удивительными свойствами нанотрубок.

Нанотрубки - это большие (а иногда и гигантские!) молекулы, состоящие исключительно из атомов углерода. Главная особенность этих молекул - это их каркасная форма: они выглядят как замкнутые, пустые внутри "оболочки". Трубки состоят из концентрических графитовых оболочек, каждая из которых помещена в цилиндр. Таким образом, решетка атомов углерода сохраняет целостность. Нанотрубки оказываются прочнее металла, поскольку химические связи между их элементами более устойчивы.

Впервые Нанотрубки были открыты в лабораториях компании NEC Сумио Иияма (Simio Iijama). Он открыл, что нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру толщиной порядка 10 атомов, которая в зависимости от размера и формы может обладать проводящими либо полупроводниковыми свойствами. Например, если трубка прямая, она является проводником, а если скручена или изогнута - полупроводником. Необычные электрические свойства нанотрубок сделают их одним из основных материалов наноэлектроники.

Транзисторы, построенные из таких нанотрубок, в 500 раз меньше тех, что содержатся в современных микросхемах. Именно транзисторы на основе нанотрубок являются наиболее интересной разработкой. Уже сейчас созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков!

Разработаны также технологии способные изготавливать массивы транзисторов на основе углеродных нанотрубок. Их применение не влечет за собой необходимости изменения целой культуры современного производства микропроцессоров, тогда как квантовые компьютеры или ПК на основе ДНК влекут за собой использование массово-параллельных вычислительных механизмов, с потенциально ненадежными отдельными элементами - концептуально напоминающими совершенный продукт биологической эволюции - человеческий мозг.

Компания Infineon Technologies ведет разработки над классической схемой создания массивов нанотрубок. Группе специалистов из ее исследовательского центра в Мюнхене во главе с доктором Вольфгангом Хенлейном (Wolfgang Honlein) удалось разработать процесс, позволяющий выращивать нанотрубки с требуемой ориентацией в заданных местах на заготовках диаметром 6 дюймов. При этом за основу были взяты технологии, в настоящее время широко применяемые при изготовлении микросхем, благодаря чему, как утверждает Infineon, новый процесс по многим параметрам совместим со стандартными процессами, используемыми в полупроводниковом производстве. По словам исследователей, в дальнейшем они планируют не только совершенствовать полученные технологии, но и вести разработки в области трехмерных структур на основе нанотрубок.

Совсем недавно ученым подразделения IBM Research удалось получить углеродную мономолекулярную структуру в виде нанотрубки, которая полностью реализует один из трех основных логических элементов - элемент логического отрицания "NOT", преобразующий двоичную единицу в ноль, и наоборот. При этом отмечается еще одна особенность созданного элемента: выходной сигнал у него выше, чем входной, приблизительно в полтора раза.

Однако нанотрубки потенциально применимы не только в вычислительных системах. Так компания - их открыватель (NEC) совместно с Japan Science and Technology Corporation и Institute of Research and Innovation сообщили о разработке элементов питания для мобильных устройств, которые обеспечивают как минимум десятикратный прирост времени работы в сравнении с литиевыми батареями. Особенность этих элементов, работающих на смеси водорода и кислорода, заключается в том, что в качестве электродов они используют именно углеродные нанотрубки. Платиновый катализатор оседает на поверхности этих трубок в очень мелкодисперсном виде (данное явление, по словам ученых, пока еще полностью не объяснено), а размер частиц катализатора как раз и является одной из основных характеристик, определяющих эффективность батареи.

Разработано уже и несколько применений нанотрубок в компьютерной индустрии. Например, созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона!

Компания DisplaySearch издала доклад, составители которого пришли к выводу о том, что технология углеродных нанотрубок в будущем способна серьезно потеснить плазменную в настенных телеэкранах большой площади. Углеродные нанотрубки отличаются высокой прочностью и превосходными характеристиками электронной эмиссии. Благодаря этим преимуществам, согласно прогнозу аналитиков DisplaySearch, нанотрубки со временем получат широкое применение вместо молибденовых катодов в дисплеях с полевой эмиссией. Это позволит значительно увеличить срок службы настенных дисплеев и повысить их яркость.

Исследовательское подразделение корпорации IBM также сообщило о важном достижении в области нанотехнологий. Специалистам IBM Research удалось заставить светиться углеродные нанотрубки. Светоизлучающая нанотрубка имеет диаметр всего 1,4 нм, то есть в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Это самое миниатюрное в истории твердотельное светоизлучающее устройство. Его создание стало результатом программы изучения электрических свойств углеродных нанотрубок, проводимой в IBM в течение последних лет. По сути, новое излучающее устройство представляет собой полевой транзистор. Подавая на затвор транзистора низкое напряжение можно включать и выключать его, управляя свечением. Нанотрубка размещается на подложке из оксида кремния, под которым находится электрод, управляющий затвором. На одной из сторон нанотрубки расположен исток, а на другой - сток транзистора. Сам транзистор является амбиполярным, то есть на него можно одновременно подавать электронный ток с электрода, подключенного к истоку, и дырочный ток с электрода, подключенного к стоку транзистора. В середине нанотрубки электроны и дырки нейтрализуют друг друга, генерируя фотоны, то есть излучая свет. В опытном образце светоизлучающего устройства длина волны излучения составляет 1,5 мкм. Длину волны можно регулировать, варьируя диаметр нанотрубок.

Дисплеи на нанотрубках существуют не только в виде прототипов: японская корпорация ISE изготавливает стадионные табло, основанные на панелях с полевой эмиссией.