Нано и Дзен
В 1977 году американcким студентом (в настоящее время - профессором) Дрекслером было придумано слово "нанотехнология" для гипотетической сборки полезных объектов из молекулярных цепочек. Их характерным размером должна была стать одна миллиардная доля метра - нанометр. А уже в 1990 году за рубежом вышел первый номер толстого журнала "Нанотехнология".
Такой переход от утопии к практике произошел, благодаря изобретению в восьмидесятых годах сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Его рабочий орган - металлическая игла, сканирующая поверхность с точностью нескольких ангстрем. К игле приложено напряжение, и когда она приближается на расстояние этих нескольких ангстрем, электроны начинают туннелировать через зазор. Таким образом, острота "зрения" такого микроскопа определяется не только остротой иглы, но и большой чувствительностью туннелирования к ширине зазора. Обратная связь удерживает иглу на высоте, обеспечивающей постоянство тока. Компьютер преобразует движение кончика иглы в цветную карту поверхности, на которой видны атомы, нарисованные на экране дисплея.
Увиденная в первый раз подобная картина может вдохновлять и удивлять, как изображение человека, похожего на Христа, полученное на экране дисплея при анализе сканирования поверхности туринской плащаницы. Но в дальнейшем эти картинки, как правило, лишь рабочее средство контроля.
В древнеиндийском учебнике любви "Кама-сутре" написано: "Настолько лишь простирается действие наук, насколько слабо чувство в людях. Когда же начинает вращаться колесо наслаждения, то нет уже ни науки, ни порядка". Перефразируя древний трактат, можно сказать: настолько простирается действие наук, насколько слаба чувствительность ее приборов, а где нет возможности опыта, недостаточно и науки и порядка.
Хотя теоретиками последние пятьдесят лет разрабатывались приборы, основанные на квантовых эффектах, перспективный для этого инструмент - СТМ - зарубежная наука получила только в 1982, а отечественная - в 1986 году.
В то время микроэлектроника оправдала свое название, споткнувшись на минимальной ширине структуры в один микрон (В 90-е годы Intel и Samsung перешли к субмикронной полупроводниковой технологии, но пока не удалось выраваться даже на рубеж 0,1 мкм). А в конце восьмидесятых был представлен резонансно-туннельный диод - прибор огромного быстродействия, созданный традиционными методами микроэлектроники, но уже квантовый, работающий за счет особой формы энергетических зон. Он представляет собой структуру с вертикальным переносом носителей тока и характеризуется значительными размерами в плоскости и очень малой толщиной слоев (сотни ангстрем). В принципе, являясь примером квантово-туннельного прибора, такие приборы не решают проблемы повышения интеграции интегральных схем.
Не знаю, кто придумал слово "наноэлектроника", но во второй половине восьмидесятых имелись, как этот термин, так и исполнимые теоретические модели приборов. И когда перспектива создания электронных устройств нового поколения (сверхбыстрых и сверхминиатюрных) стала реальной, очередная конференция по нанотехнологии, состоявшаяся в США летом 1990 года, приняла по этому поводу специальное обращение. Оно сразу было переведено на русский язык, но до сих пор не опубликовано, и существует лишь в самиздате, как в прежние годы какой-нибудь манифест диссидентов-правозащитников. Суть этого обращения в том, что на основе нанотехнологии появилась возможность создать "думающее" оружие. Поэтому ученые призывали снять существовавшую завесу секретности с любых работ в этой области.
Я не склонен предполагать, что действительно происходит свободный обмен информации в этой сфере. Но сам не намерен делать тайны из того, как должно, по-видимому, происходить развитие отечественной наноэлектроники, удовлетворяющей требованиям максимальной универсальности и доступности.
Основой структур станут сверхтонкие пленки толщиной десятки нанометров, полученные на серийном оборудовании. Основным инструментом локального воздействия с нанометровым разрешением станет СТМ, малопроизводительный и выполняющий небольшое число операций, ибо его игла движется немногим быстрее чем скользит по бумаге перо борзописца. А основная часть схемы выполняется методами микроэлектроники. Это удобно с точки зрения согласования в одном сложном устройстве приборов, работающих на квантоворазмерных принципах и на обычных p-n переходах. Как слишком сложная для производства, останется в стороне от этого магистрального пути эффектная поатомная сборка.
Главной целью должно стать создание элементной базы сверхбыстродействующих радиоэлектронных средств, а не деформационные нанометровые образования, перспективные лишь в области постоянных запоминающих устройств. То есть в первую очередь нужно создать плоский резонансно-туннельный диод. Королевский гамбургер из семи расположенных друг над другом слоев надо превратить в сэндвич из маленьких клеточек на изолирующей подложке.
Один из вариантов его технологии может быть таким: на подложке обычными методами из аморфного кремния формируются структуры в виде узкого "мостика". С помощью СТМ, выделяющего газ из иглы, гравируются две канавки шириной и расстоянием между ними в несколько нанометров, которые заполняются материалами, подходящими для создания барьеров. Основное "ноу-хау" такой технологии - программное обеспечение. Кроме обработки изображений, управляющий пакет предусматривает обеспечение следующих режимов в диапазоне от 1 мкм до атомного: просмотр профиля структур, проведение локальных химических реакций и опознание атома, находящегося под иглой.
Закончить мне хочется цитатой из Джина Хьюстона: "Миниатюризация оказывает важное воздействие на личность и культуру, ведь если машины малы и не портят окружающий пейзаж, то можно вновь прислушаться к словам ветра и читать великий замысел Единосущего, запечатленный в коре деревьев, ощутить ритмы, пробуждающиеся в кончиках собственных пальцев...". Остается слабая надежда, что миниатюризация даст возможность человеку перейти от потребительских ценностей к творческим.
Послесловие из XXI векаНа цитате Хьюстона как раз и кончался данный текст, написанный мной летом 1992 года для третьего номера питерской газеты "Технополис". К сожалению, второй номер названной газеты оказался последним, и в результате эта статья была опубликована на бумаге только в 1995 году в журнале "Софт-Маркет Review" (в электронном виде - публикуется впервые). За время, прошедшее со времени ее написания, она нисколько не устарела, но, скажем так, не обнаруживает достаточных публичных подтверждений. Если судить по новостям, которые просачиваются в научно-популярную прессу, то все достижения в этой области связаны либо с молекулярной наноэлектроникой, либо с созданием электронных устройств на базе углеродных нанотрубок. Последние - тоже полимерные системы, однако я выделяю эти своеобразные цилиндрические молекулы (диаметром от половины нанометра и длиной до нескольких микрометров) в отдельное направление, потому что уже в новом веке ученым из IBM удалось найти способ точного позиционирования транзисторов на нанотрубках. А это открывает дорогу промышленному производству интегральных схем наноэлектроники (причем планарная технология, описанная в моей заметке, превращается отчасти в объемную). Успешное использование нанотрубок означает достижение теоретической плотности записи информации порядка одного бита на молекулу. И это хорошо. Но нигде при этом не упоминается СТМ как один из инструментов создания транзисторов или их контроля. Что странно. Однако я думаю, что в IBM, где тот был изобретен, о нем не забыли, как в другой компании, двигающей технической прогресс - Xerox. Просто полагаю, что наши переводчики технических новостей, употребляющие, к примеру, неуместное для русской речи выражение "микрочипы" вместо "микросхем", тем более не знают, как переводить слово "STM", обходя его молчанием во избежание ляпов.
Туннельный микроскоп и дзенВ бумажном издании предлагаемый ниже текст мог быть опубликован в виде авторской врезки к статье. А здесь публикуется в качестве технически-буддистского приложения для заинтересованных лиц.
Как известно, программирование требует рационального плана: операторы и функции нельзя располагать в живописном беспорядке. А всякая симметрия для любимого мной дзен-буддизма неестественна и мертва. Но его термины позволяют дать краткие и точные определения программным модулям.
В режиме анализа химического состава технологический СТМ извлекает информацию о химическом составе системы игла-среда-подложка, сравнивая ее измеренную и рассчитанную по принятой на входе модели вольт-амперные характеристик, т.е. работая как СТМ-спектрометр.
Программа СТМ-спектроскопии имеет на входе квантовомеханическую модель электронных свойств системы игла-среда-подложка для данного материала. Содержащий ее файл данных можно назвать принятым в китайской философии термином "ли"- "то-что-делает-вещь-тем-что-она-есть". Эта модель свойств системы берется в виде совокупности следующих основных допущений: число, вид и положение атомов плюс зависимость потенциальной энергии электронов от положения в игле, среде и подложке. Однако помните хрестоматийный спор средневековых схоластов о том, сколько ангелов уместится на острие иглы? Так вот также схоластичен спор о том, сколько атомов уместится на острие иглы туннельного микроскопа. В литературе описан лишь один случай работы с иглой известной геометрии. Это вносит неопределенность в файл данных. И поскольку она не единственная, программу, пытающуюся уловить различия между кирпичиками мирозданья, можно назвать "майя", ибо буддизм акцентирует идею единого, а видимые различия считает иллюзорными - майей.
Впрочем, такая ирония не подразумевает несерьезность. Теоретическими моделями наноэлектронных приборов серьезно занимался даже Пелешенко - капитан веселой команды КВН Одесского университета. Ведь и столь желанный нейрокомпьютер, и невиданные средства радиоэлектронной разведки и радиоэлектронной борьбы станут возможны, когда наноэлектроника станет такой же мощной, как микроэлектроника.