Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

13.4. Нанопроволоки

Джонг Лин Ванг

Джоне Лин Ванг (Zhong Lin Wang) является руководителем Центра по производству и изучению наноструктур в фирме Georgia Tech. Он является автором и соавтором 4 книг и учебников в данной области и участвовал (в качестве автора, редактора и соавтора) в опубликовании более 400 научных материалов обзоров и книг по нанотехнологиям. Он имеет много патентов в данной области и (по данным Science Watch, ISI) входит в число 25 самых цитируемых авторов по нанотехнологии за период 1992–2002 годов. Индекс цитирования Дж. Ванг является исключительно высоким (его работы упоминаются более 9000раз).

Дж. Ванг в 2001 году сумел первым синтезировать наноленты (нанополоски), что стало важным открытием в наноматериаловедении, в результате чего его статья на эту тему заняла второе место по цитируемости среди работ по химии за 2001–2003 годы. Статья Ванга о пьезоэлектрических «нанопружинах» стала наиболее цитируемой публикацией по материаловедению в 2004 году. В 1999 году Вангу и его сотрудникам удалось создать самые микроскопические «весы», что было объявлено Американским физическим обществом «прорывом» в нанотехнологических исследованиях. Он был избран членом Европейской академии наук ( www.eurasc.org ) в 2002 году и принят в члены Мирового фонда инноваций (World innovation Foundation, www.thewif.org.uk ) в 2004 году, а также получил большое количество премий и наград. Дж. Ванг продолжает активно заниматься научными исследованиями в области нанопроволок и нанолент, измерения характеристик нанообъектов, сборки наноструктур и использования нанодатчиков и наноустройств в медико-биологических целях. Подробности читатель может найти на сайте http://www.nanoscience.gatech.edu/zlwang .

Проволоки толщиной несколько нанометров никогда не существовали в природе и могут считаться искусственными объектами в самом строгом смысле этого понятия. В настоящее время они представляют собой весьма обширный и коммерчески ценный класс наноматериалов, так как они могут быть синтезированы в виде заранее спланированных монокристаллических структур, обладающих заранее спланированными и строго заданными характеристиками, которые могут регулироваться в процессе синтеза или выращивания. В число этих характеристик входят такие важные параметры, как химический состав, диаметр, длина, степень и тип легирования и т. п. Производство полупроводниковых нанопроволок (НП) можно считать наиболее изученным и технологически разработанным направлением в изготовлении наноматериалов (в данном случае правильнее будет называть НП строительными блоками для создания других материалов или устройств), позволяющим осуществлять дальнейшую модификацию или интеграцию. В качестве примера возможностей методики выращивания нанопроволок на рис. 13.5 представлена микрофотография одной из структур рассматриваемого типа. Такие полупроводниковые НП или структуры на их основе уже с успехом применяются для создания распространенных и коммерчески важных полупроводниковых устройств, среди которых можно упомянуть нанометрические полевые транзисторы (FET), p-n-диоды, светоизлучающие диоды (LED), плоскостные биполярные транзисторы, инверторы, сложные логические схемы и даже целые вычислительные устройства. Отдельные устройства или блоки из НП могут быть объединены в схемы, которые вообще не имеют аналогов в обычной электронике, не говоря уже о том, что после химической модификации поверхности неорганических полупроводниковых НП можно создавать не просто новые устройства, но даже новые принципы или копцепции развития вычислительной техники.

Рис. 13.5. Упорядоченная структура нанопроволок из полупроводника ZnO. Однородность структуры (места роста, плотность) и весь процесс выращивания проволок регулируются предварительным нанесением на твердую подложку катализаторов, содержащих золото

В последние годы возник и стал широко использоваться еще один уникальный класс объектов, названных нанолентами (НЛ). Эти квазиодномерные наноматериалы обладают хорошо выраженной структурой и поверхностью и отличаются разнообразием, связанным с их химическим составом и кристаллографической структурой. НЛ действительно представляют собой ленты и полоски (иногда их называют нанополосками) из полупроводниковых оксидов цинка, олова, кадмия и галлия (на рис. 13.6 приведена микрофотография наноленты из ZnO). Такие ленты легко можно получить известными коммерческими методами испарения порошков оксидов при высоких температурах. Уже сейчас можно производить оксидные монокристаллические НЛ с заданными размерами и правильной прямоугольной формой сечения, обладающие высокой химической чистотой и структурной однородностью. На основе таких нанолент или полосок уже созданы разнообразные устройства: полевые транзисторы, высокочувствительные газовые датчики, нанорезонаторы, нанокронштейны для атомносиловых микроскопов и т. п. В настоящее время многие исследователи заняты изучением физических свойств НП (например, их теплопроводности и т. д.), а также успешно пытаются синтезировать новые объекты этого класса (в частности, нанопружины и нанокольца), которые могут найти широкое применение для изготовления датчиков, преобразователей, приводных устройств и т. д.

Рис. 13.6. Нанолента, полученная осаждением паров ZnO при высокой температуре. Продукт характеризуется высокой однородностью поверхности и размеров прямоугольного сечения

13.4.1. Применение нанопроволок

13.4.1.1. Биологические датчики на основе нанопроволок

Известно, что электрический заряд многих биомолекул (включая белки и ДНК) меняется в зависимости от их функционального состояния, что может быть использовано для их детектирования специально спроектированными датчиками. В частности, наличие таких молекул можно зарегистрировать при их химическом связывании с обработанной поверхностью нанопроволок. Например, создан датчик на основе кремниевой нанопроволоки (SiNW), поверхность которой после обработки биотином приобретает способность избирательно связывать стрептавидин, как показано на рис. 13.7.

Рис. 13.7. Регистрация связывания белка. Модифицированная биотином поверхность кремниевой нанопроволоки SiNW (слева) приобретает способность избирательно связывать стрептавидин, образуя комплекс биотин-стрептавидин (справа). Для наглядности процесс представлен лишь схематически, без указания точных размеров нанопроволоки SiNW и белковых молекул

13.4.1.2. Светоизлучающие диоды с пересечением р-п-переходов

Оптоэлектронные детекторы необычного типа могут быть созданы на основе светоизлучающих нанодиодов и нанолазеров из полупроводников с прямыми оптическими переходами типа InP. На рис. 13.8 показано устройство, позволяющее проверять согласованность режима работы перекрестных светодиодов на основе трехмерных «изображений» интенсивности электролюминесценции и фотолюминесценции. Контроль характеристик изделий осуществляется по специальной методике, основанной на цветовых оттенках излучения. Такие методы могут оказаться очень полезными в будущем, например, для контроля качества изделий при промышленном производстве фотонных устройств и т. п.

Рис. 13.8. Трехмерная картина интенсивности электролюминесценции скрещенных светодиодов на основе нанопроволок

13.4.1.3. Логические устройства на основе нанопроволок

Комбинируя пересекающиеся решетки из нанопроволочных светоизлучающих диодов и передатчиков, можно создавать новые устройства с высокими коэффициентами усиления и другими ценными характеристиками, а затем даже формировать из них более сложные схемы. Таким сложным устройствам можно будет придавать новые функциональные способности, включая осуществление логических операций, что может привести к созданию мощных компьютеров нового типа.

Для создания вычислительных устройств необходимо, в первую очередь иметь два основных структурных элемента (транзисторы и диоды), причем транзисторы обеспечивают усиление по напряжению, а диоды – ряд важных операций. Малые размеры наноустройств делают их очень удобными для монтажа, а комбинирование нанодиодов и полевых транзисторов позволяет создавать логические вентили разных типов (AND, OR, NOR), являющиеся основой аппаратного обеспечения современной вычислительной техники (рис. 13.9).

Рис. 13.9. Логическая схема, построенная на основе решетки (1 х 3) пересекающихся нанопроволок с переходами. Врезка на рисунке схематически соответствует изображению на сканирующем электронном микроскопе, а также подключению к символической электрической схеме

13.4.2. Наноструктуры с полярными поверхностями

В качестве материала для коммерческих приложений одним из самых перспективных выглядит упомянутый выше оксид цинка ZnO, обладающий тремя достоинствами. Во-первых, он относится к классу полупроводников с прямыми оптическими переходами и широкой запрещенной зоной, а также способен излучать в ближней (длинноволновой) ультрафиолетовой области и оставаться фотопрозрачным при температурах выше комнатной. Благодаря нецентральной симметрии этот кристалл относится к пьезоэлектрическим, что позволяет создавать на его основе разнообразные электромеханические датчики и устройства связи, тем более что пьезоэлектрический коэффициент поляризованной наноленты ZnO примерно втрое выше, чем у объемного образца. Кроме того, материалам из ZnO можно легко придать биологическую безопасность и совместимость с тканями живых организмов без нанесения специальных покрытий. Биологическая совместимость придает этим материалам исключительную ценность при изготовлении различных биомедицинских устройств или датчиков как для исследовательских, так и для коммерческих целей. Наконец, стоит отметить и то, что этот материал легко подается обработке и на его основе создано множество изделий, о которых кратко рассказывается ниже.