Главная страница

Нанотехнология. нанотехнология


Скачать 18.19 Kb.
Названиенанотехнология
Дата26.03.2020
Размер18.19 Kb.
Формат файлаdocx
Имя файлаНанотехнология.docx
ТипДокументы
#113532


Что такое Нанотехнология?

Нанотехнология или «нанотех» - это манипулирование веществом в атомном, молекулярном и супрамолекулярном масштабе. Самое раннее, широко распространенное описание нанотехнологий относится к конкретной технологической цели точного манипулирования атомами и молекулами для изготовления макромасштабных продуктов, также называемой сейчас молекулярной нанотехнологией. Более обобщенное описание нанотехнологий было впоследствии установлено Национальной инициативой по нанотехнологиям, которая определяет нанотехнологию как манипулирование веществом, имеющим по меньшей мере один размер размером от 1 до 100 нанометров. Это определение отражает тот факт, что квантово механические эффекты важны в этом масштабе квантовой области, и поэтому определение перешло от конкретной технологической цели к категории исследований, включающей все виды исследований и технологий, которые имеют дело с особыми свойствами материи, которые происходят ниже заданного порога размера. Поэтому часто можно увидеть, что множественное число представляет собой «нанотехнологии», а также «наноразмерные технологии» для обозначения широкого спектра исследований и применений, общей чертой которых является размер.

Нанотехнология, определяемая по размеру, естественно, очень широка, включая такие области науки, как наука о поверхности, органическая химия, молекулярная биология, физика полупроводников, накопление энергии, микрообработка, молекулярная инженерия и так далее. Соответствующие исследования и приложения одинаково разнообразны: от расширений физики обычных устройств до совершенно новых подходов, основанных на молекулярной самосборке, от разработки новых материалов с размерами на наномасштабе до прямого контроля над веществом в атомном масштабе.

В настоящее время ученые обсуждают будущие последствия нанотехнологий. Нанотехнологии могут создавать множество новых материалов и устройств с широким спектром применения, таких как наномедицина, наноэлектроника, производство энергии из биоматериалов и потребительские товары. С другой стороны, нанотехнология поднимает многие из тех же проблем, что и любая новая технология, включая озабоченность по поводу токсичности и воздействия наноматериалов на окружающую среду и их потенциальное влияние на мировую экономику, а также спекуляции по поводу различных сценариев конца света. Эти опасения привели к дебатам среди правозащитных групп и правительств относительно необходимости специального регулирования нанотехнологий.

Основная статья: История нанотехнологий.

Концепции, которые привели к появлению нанотехнологий, были впервые обсуждены в 1959 году известным физиком Ричардом Фейнманом в его лекции «Внизу есть много места», в которой он описал возможность синтеза посредством прямого манипулирования атомами.

В 1960 году египетский инженер Мохамед Аталла и корейский инженер Давон Канг из Bell Labs изготовили первый MOSFET (полевой транзистор металл-оксид-полупроводник) с толщиной оксида затвора 100 нм и длиной затвора 20 мкм. В 1962 году Аталла и Канг изготовили транзистор с нанослоями на основе металл – полупроводник (переход M – S), в котором использовались тонкие пленки золота (Au) толщиной 10 нм.

Термин «нанотехнология» был впервые использован Норио Танигучи в 1974 году, хотя он не был широко известен. Вдохновленный концепциями Фейнмана, К. Эрик Дрекслер использовал термин «нанотехнологии» в своей книге «Двигатели творчества: грядущая эра нанотехнологий» 1986 года, в которой была предложена идея наноразмерного «ассемблера», способного создать собственную копию и других предметов произвольной сложности с атомным управлением. Также в 1986 году Дрекслер стал соучредителем Института предвидения (с которым он больше не связан), чтобы помочь повысить осведомленность общественности и понимание концепций и последствий нанотехнологий.

Появление нанотехнологий как области в 1980-х годах произошло благодаря слиянию теоретической и общественной работы Дрекслера, которая разработала и популяризировала концептуальную основу для нанотехнологий, и экспериментальных достижений высокой видимости, которые привлекли дополнительное широкое внимание к перспективам атомного контроля иметь значение. После всплеска популярности в 1980-х годах большая часть нанотехнологий включала исследование нескольких подходов к изготовлению механических устройств из небольшого числа атомов.

В 1980-х годах два крупных прорыва вызвали рост нанотехнологий в современную эпоху. Во-первых, изобретение сканирующего туннельного микроскопа в 1981 году, которое обеспечило беспрецедентную визуализацию отдельных атомов и связей, и было успешно использовано для управления отдельными атомами в 1989 году. Разработчики микроскопа Герд Бинниг и Генрих Рорер в исследовательской лаборатории IBM в Цюрихе получили Нобелевскую премию в Физика в 1986 году. Binnig, Quate и Gerber также изобрели аналогичный атомно-силовой микроскоп в этом году.

Во-вторых, фуллерены были открыты в 1985 году Гарри Крото, Ричардом Смолли и Робертом Керлом, которые вместе получили Нобелевскую премию по химии 1996 года. C60 изначально не был описан как нанотехнология; этот термин использовался в отношении последующей работы со связанными графеновыми трубками (называемыми углеродными нанотрубками и иногда называемыми трубками Баки), которые предлагали потенциальное применение для наноразмерной электроники и устройств. Открытие углеродных нанотрубок в значительной степени приписывается Сумио Иидзиме из NEC в 1991 году, за который Иидзима получил первую премию Кавли 2008 года в области нанонауки.

В 1987 году Биджан Давари возглавил исследовательскую группу IBM, которая продемонстрировала первый MOSFET с толщиной оксида затвора 10 нм, используя технологию вольфрамовых затворов. MOSFET с несколькими затворами позволили масштабировать до длины затвора менее 20 нм, начиная с FinFET (полевой транзистор с плавными ребрами), трехмерного непланарного MOSFET с двумя затворами. FinFET происходит от исследования Digh Hisamoto в Центральной исследовательской лаборатории Hitachi в 1989 году. В Калифорнийском университете в Беркли устройства FinFET были изготовлены группой, состоящей из Хисамото вместе с Ченминг Ху из TSMC и другими международными исследователями, включая Цу-Чже Кинга Лю, Джеффри Бокора, Хидеки Такеучи, К. Асано, Якуба Кедзирска, Сюэюэ Хуана, Лиланда Чанга и Ника. Линдерт, Шибли Ахмед и Сайрус Табери. Команда изготовила устройства FinFET вплоть до 17 нм процесса в 1998 году, а затем 15 нм в 2001 году. В 2002 году команда, включающая Ю, Чанга, Ахмеда, Ху, Лю, Бокора и Табери, изготовила устройство 10 нм FinFET.

В начале 2000-х годов эта область привлекла повышенное научное, политическое и коммерческое внимание, что привело к противоречиям и прогрессу. Возникли споры относительно определений и потенциальных последствий нанотехнологий, примером чего является доклад Королевского общества по нанотехнологиям. [23] Были подняты проблемы, связанные с осуществимостью приложений, предусмотренных защитниками молекулярных нанотехнологий, которые завершились публичными дебатами между Дрекслером и Смолли в 2001 и 2003 годах.

Между тем, коммерциализация продуктов на основе достижений в наноразмерных технологиях начала появляться. Эти продукты ограничены массовым применением наноматериалов и не включают атомного контроля вещества. Некоторые примеры включают платформу Silver Nano для использования наночастиц серебра в качестве антибактериального агента, прозрачные солнцезащитные кремы на основе наночастиц, усиление углеродного волокна с помощью наночастиц кремнезема и углеродные нанотрубки для текстильно-стойких тканей.

Правительства начали продвигать и финансировать исследования в области нанотехнологий, например, в США.с Национальной инициативой по нанотехнологиям, которая формализовала основанное на размерах определение нанотехнологии и учредила финансирование для исследований в области наноразмеров, а также в Европе через Европейские рамочные программы исследований и технологического развития.

К середине 2000-х годов новое серьезное научное внимание стало процветать. Появились проекты по созданию нанотехнологических дорожных карт, которые сосредоточены на атомарно точных манипуляциях с веществом и обсуждают существующие и прогнозируемые возможности, цели и приложения.

В 2006 году команда корейских исследователей из Корейского передового института науки и технологии (KAIST) и Национального центра нано-фаб разработала 3-нм MOSFET, самое маленькое в мире наноэлектронное устройство. Он был основан на технологии универсального доступа (GAA) FinFET.

В период с 2001 по 2004 год более шестидесяти стран создали правительственные программы по исследованиям и разработкам в области нанотехнологий. Государственное финансирование было превышено за счет корпоративных расходов на исследования и разработки в области нанотехнологий, причем большая часть средств поступила от корпораций, расположенных в Соединенных Штатах, Японии и Германии. В число пяти ведущих организаций, которые подали наиболее интеллектуальные патенты на исследования и разработки в области нанотехнологий в период с 1970 по 2011 годы, были Samsung Electronics (2578 первых патентов), Nippon Steel (1490 первых патентов), IBM (1360 первых патентов), Toshiba (1298 первых патентов) и Canon ( 1162 первых патента). В первую пятерку организаций, опубликовавших наибольшее количество научных работ по нанотехнологическим исследованиям в период с 1970 по 2012 годы, входили Китайская академия наук, Российская академия наук, Национальный научный центр, Токийский университет и Университет Осаки.

Основные понятия.

Нанотехнология - это разработка функциональных систем на молекулярном уровне. Это касается как текущей работы, так и более продвинутых концепций. В своем первоначальном смысле под нанотехнологией подразумевается спроектированная способность конструировать элементы снизу вверх, используя методы и инструменты, которые разрабатываются сегодня, для создания законченных, высокопроизводительных продуктов.

Один нанометр (нм) составляет одну миллиардную или 10-9 метра. Для сравнения, типичные длины углерод-углеродных связей или расстояние между этими атомами в молекуле находятся в диапазоне 0,12-0,15 нм, а двойная спираль ДНК имеет диаметр около 2 нм. С другой стороны, самые маленькие клеточные формы жизни, бактерии рода Mycoplasma, имеют длину около 200 нм. По соглашению, нанотехнология принимается за диапазон от 1 до 100 нм в соответствии с определением, используемым Национальной инициативой по нанотехнологиям в США. Нижний предел определяется размером атомов (водород имеет наименьшие атомы, которые составляют примерно четверть кинетического диаметра нм), поскольку нанотехнологии должны создавать свои устройства из атомов и молекул. Верхний предел является более или менее произвольным, но он примерно равен размеру, ниже которого явления, не наблюдаемые в более крупных структурах, начинают проявляться и могут использоваться в нано-устройстве. Эти новые явления отличают нанотехнологию от устройств, которые являются просто миниатюрными версиями эквивалентного макроскопического устройства; такие устройства в большем масштабе и подпадают под описание микротехнологий.

Чтобы поместить эту шкалу в другой контекст, сравнительный размер нанометра к метру такой же, как размер мрамора и размера земли. Или другой способ выразить это: нанометр - это величина, которую борода среднего человека растет за время, необходимое ему, чтобы поднять бритву на лицо.

Два основных подхода используются в нанотехнологиях. В подходе «снизу вверх» материалы и устройства состоят из молекулярных компонентов, которые химически собираются на основе принципов молекулярного распознавания. В подходе «сверху вниз» нанообъекты создаются из более крупных объектов без контроля на атомном уровне.

Области физики, такие как наноэлектроника, наномеханика, нанофотоника и наноионика, развивались в течение последних нескольких десятилетий, чтобы обеспечить фундаментальную научную основу нанотехнологий.


написать администратору сайта