Nanoelektronika – část 1

Pojem nanoelektronika se začal používat v 80. letech v souvislosti s možností realizovat polovodičové struktury s rozměry v submikrometrové oblasti. Za diskutovatelnou hranici mezi mikroelektronikou a nanoelektronikou se považuje rozměr 100 nm. Fyzikálně opodstatněnou rozměrovou hranicí by však měla být až hodnota kolem 4 nm jako maximální síla tenké vrstvy (energetické bariéry), při které se uplatňuje přímé tunelování nosičů elektrického náboje (obr. 1). Hranice mezi makrosystémy a mikrosystémy je dána růzností technologických procesů, hranice mezi mikrosystémy a nanosystémy je kvantověmechanická. Protože inženýři a přírodovědci (fyzikové a chemici) pracují různými metodami, vytváří nové objekty, nebo naopak zkoumají objekty, které vytvořila příroda, vidí z praktických důvodů hranici nanosvěta posunutou.

Obr. 1 Definice makrosystému, mikrosystému a nanosystému z hlediska velikosti struktury, energiového spektra elektronů a charakteru fyzikálních jevů

Oblast nanoelektroniky se spojuje s využíváním nových kvantověmechanických funkčních principů. Jestliže mikroelektronika je založena na pohybu nosičů elektrického náboje v elektrickém poli v polovodičových strukturách s nehomogenním rozložením koncentrace aktivních příměsí, potom nanoelektronika je založena také na spínacích efektech na molekulární úrovni.

Prognózy uvádějí, že mikroelektronika postupně směřuje k nanoelektronice, která se momentálně nachází v počáteční fázi rozvoje. Mikroelektronické technologie umožnily od šedesátých let významnou miniaturizaci, snižování příkonů a zvyšování účinnosti a vše nasvědčuje tomu, že nastupující nanoelektronika bude pracovat v kvantovém světě s nanometrovými rozměry. Hledají se nové funkční principy a jejich možné aplikace. Hlavní oblast jejího využití se rýsuje v nových generacích počítačových systémů (procesory a paměti) a také v senzorech.

Oblasti nanoelektroniky věnuje časopis DPS velkou pozornost, v minulosti to byla například série článků [1] nebo články [2] a [3].

Předpona „nano", původem slovo z řečtiny, kde „nanos“ označovalo trpaslíka, ovládla velkou část moderní vědy a technologie (přitom po léta předpona nano- označovala jen násobek 10-9). Frekventovaná jsou především slova nanotechnologie (v jednotném i množném čísle) a nanovědy (většinou v množném čísle), případně v 5. pádě, kterým po nich voláme, aby tu již byly.

Nanotechnologie je poměrně nové slovo, ale není to úplně nová oblast života. V přírodě většina základních životních procesů probíhá v nanorozměrech. Lidský vlas má průměr 0,1 až 0,2 mm, tedy 100 až 200 μm, hrubší částice prachu 20 μm, buňky červených krvinek jsou velké přibližně 5 μm, tloušťka jednotlivých vláken azbestu nepřesahuje 3 μm, jemné částice sazí nebývají větší než 2 μm, velikost většiny bakterií je asi 1 μm, virů okolo 100 nm, barevná vrstva oleje na kaluži je silná přibližně 50 nm, takzvané kvantové tečky jsou velké 2 až 20 nm, rozměr molekuly DNA se pohybuje v rozmezí 3 až 12 nm, průměr molekuly fullerenu C60 činí právě 1 nm. Obrázek 2 ilustruje rozměry objektů kolem nás.

Obr. 2 Rozměry objektů kolem nás

Nanovědy a nanotechnologie představují koncepčně nový přístup k pochopení a využití těch vlastností hmoty, jež kriticky závisí na svých (submikronových) rozměrech. Nanověda zkoumá jevy a materiálové vlastnosti na nanometrové úrovni, tj. na atomové a molekulární úrovni, kde se vlastnosti výrazně liší od vlastností ve větších rozměrech. Jsou to vědní oblasti na pomezí fyziky pevné fáze, chemie, inženýrství a molekulární biologie, proto se termín často používá v množném čísle jako nanovědy. Zmíněná odlišnost vlastností je klíčovou záležitostí pro pochopení nanočástic a nanostruktur. Nanočástice jsou charakterizovány velikosti od cca 1 nm do cca 100 nm alespoň v jednom směru (rozměry jednotlivých atomů jsou řádově 0,1 nm) a určitým prostorovým uspořádáním, mohou vytvářet tenké nanovrstvy, nanodrátky, nanotrubice, nanokompozity. Další významnou charakteristikou (možná nejvýznamnější) je obrovský nárůst poměru plochy povrchu k objemu částic nanomateriálu (počet atomů vytvářejících povrch nanočástic je nepoměrně vyšší než počet atomů uvnitř částice). Tento poměr velmi silně ovlivňuje většinu chemických a fyzikálních vazeb na hranicích zrn v materiálu. Rozdílné jsou také vazby nanočástic se základní hmotou kompozitních materiálů. Chování nanočástic se již neřídí zákonitostmi běžné fyziky, chování atomů je komplikovanější a řídí se kvantovou fyzikou a kvantové jevy vedou k naprosto novým možnostem. Dnes již víme hodně o vlastnostech atomů, prozatím málo víme o tom, jak se chovají jejich malá seskupení (nanostruktury) a jak vznikají jejich někdy neočekávané vlastnosti.

Nanotechnologie je v podstatě nauka o materiálech o rozměrech nanometrů. Nanotechnologie využívají získané vědomosti a znalosti nanověd k vytváření nových materiálů a struktur s novými a leckdy neobvyklými vlastnostmi. Nanotechnologie zahrnují projektování, charakterizaci, výrobu a aplikace struktur, zařízení a systémů řízením tvarů a rozměrů v rozměrech nanometrů. Nanotechnologie disponují v současné době celou řadou metod, které se liší nejen principy, ale i parametry vytvářených vrstev nebo jiných tvarů.

Autoři často používají slova s předponou nano-, jako např. nanomateriály, nanomedicína, nanobiotechnologie, nanoanalytika, nanoelektronika a řadu dalších, ale i nanochemie a nanofyzika, což může být někdy zavádějící. A někdy naopak autoři nepoužívají pro označení své práce v oboru nanometrů předponu nano-, což může být také matoucí.

Nanotechnologie se historicky odvozují od přednášky Richarda P. Faymana (There‘s a plenty of room at the bottom) přednesené na kongresu American Physical Society v roce 1959 [4], následně jsme se s nimi setkávali hlavně ve vizionářských článcích a knihách, např. [5].

Postupně se však zabydlovaly v laboratořích a nyní postupně pronikají do výroby a do našich životů v celé řadě oblastí. Nanotechnologie v současnosti představují nejdynamičtěji se rozvíjející vědní oblast se širokým znalostním a aplikačním potenciálem napříč vědními a technickými obory. Za autory termínu nanotechnologie je obvykle označován Norio Taniguchi [6] a velký popularizátor vědy Eric Dresler [7].

V populárních článcích na webu i v tištěné podobě lze nalézt spoustu optimistických informací o tom, co by nanotechnologie mohly nabídnout, ale je třeba si uvědomit, že ve většině případů neznáme efektivní cestu, jak tyto vize realizovat. To znamená, že ne vše, co je napsáno černé na bílém, je také skutečně reálné, nebo dokonce již využitelné, a že současný stav nanotechnologií je za těmito fantaziemi hodně pozadu.

V České republice můžeme konstatovat, že každá veřejná vysoká škola má alespoň jedno pracoviště, které se nanotechnologiím věnuje. Především Technická univerzita v Liberci je bytostně spojována s nanomateriály a nanotechnologiemi. Je to také díky světově uznávaným úspěchům ve výzkumu v oblasti technologií nanovláken, především objevu z roku 2003 řešitelského týmu prof. Oldřicha Jirsáka –technologický postup pro průmyslovou výrobu nanovláken (vznikla technologie elektrospinningu –elektrozvlákňování roztoků polymerů ve stejnosměrném elektrostatickém poli o vysoké intenzitě). Univerzita v Olomouci docílila významných výsledků v aplikaci nanoprášků na bázi železa a oxidů železa, které se využívají hlavně v biomedicíně a pro čištění odpadních vod. V Brně je to především Středoevropský technologický institut (CEITEC) se svým mezioborovým zaměřením.

Nanotechnologie jsou však zajímavé také pro průmysl. I když postavení vědy v českém průmyslu není úplně takové, jaké by modelově mělo být, mnoho českých podniků dnes zkoumá, jak by mohly nanotechnologie využít ve svých výrobcích či službách. Některé podniky jsou zatím jenom ve fázi výzkumných grantů, financovaných z veřejných i soukromých peněz, některé už mají své nanotechnologické laboratoře a některé podniky už mají na trhu i výrobky obsahující nanotechnologie. Z reklamy všichni známe malířské barvy s oxidem titaničitým, protiplísňové ponožky, keramické pánve odolné proti poškrábání, opalovací krémy, které téměř nepropouští UV záření. Četli jsme řadu seriózních článků, které se zabývají dopady nanotechnologií a používání výrobků obsahujících nanomateriály na lidské zdraví i na všechny složky životního prostředí.

Hodně aktuálních informací lze najít na stránkách nanotechnologie.cz nebo nanopaprika.eu nebo nanoklastr.cz. Další přehled je možné získat například ze sborníku příspěvků a seznamu účastníků české mezinárodní konference Nanocon.

Za poslední roky jsme také svědky generické exploze literatury o nanovědách a nanotechnologiích. V české literatuře máme souhrnný pohled např. v dostupných vysokoškolských skriptech [8]. Dobré materiály najdeme na webových stránkách univerzity v Liberci a Olomouci. Ovšem většina materiálů pro vysokoškolské studenty je pro odbornou veřejnost špatně dostupná.

V anglicky psaných knihách a časopisech najdeme přehledná i detailní pojednání o všech možných oblastech nanotechnologií, nanověd, nanoelektroniky, molekulární elektroniky atd. Existuje řada popularizujících knih, např. [9–10], jiné popisují historii oboru nebo vykládají základní pojmy, např. [11–12], jiné knihy popisují fyzikální základy oboru, např. [13–16], další knihy popisují aplikace na elektronické součástky a systémy, např. [17–24], existují i silnější příručky, jednodílné i vícedílné, často ve formě sborníků prací mnoha autorů, např. [25–26], stranou nezůstává ani analýza společenských dopadů a právní rámec použití nanotechnologií, např. [27–28].

Cílem jednotlivých článků je seznámení čtenářů s uplatněním současných nanotechnologií v elektronice, fotonice a spinotronice. Základní význam má vytváření vrstev, zpracování objemového materiálu, jejich charakterizace, vlastnosti a aplikace v nanoelektronice, porozumění vztahu navrhovaných nanotechnologií k existujícím mikrotechnologiím. Pochopení synergického efektu nanomateriálů, nanotechnologií a „klasických“mikrotechnologií nám umožní vytvoření představ o technologiích a součástkách příštího desetiletí. Obrázek 3 dává představu o názvosloví jednotlivých (nano)věd, mikrostruktur a nanostruktur.

Obr. 3 Oblasti nanotechnologií a nanosystémů (mikrotechnologií a mikrosystémů) a jejich názvosloví

Obecně výraz mikrosystém zahrnuje integrované obvody (IC, Integrated Circuits), MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems), MOEMS (Micro-Opto- and Electro-Mechanical Systems), mikrosenzory, mikroaktuátory i mikropřístroje, inteligentní mikosystémy (Smart Microsystems), mikrooptiku, mikromechaniku a mikrofluidické systémy.

Výraz nanosystém je spojen s nanotechnologiemi a prozatím spektrum navrhovaných a vyrobených nanosystémů je chudší než u historicky starších a propracovanějších mikrosystémů. Je pro ně společné, že nanosystémy i mikrosystémy jsou charakterizovány komplexním řešením vytvořeným na čipu.

Ještě poznamenejme, že v americké angličtině je pojem technology širší než český pojem technologie. Asi jako ve dvojicích technology-technique a technika- technologie.