НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

Нанотехнология в Национальной лаборатории Сандия

С. Т. Пикро[77]

Национальная лаборатория Сандия является крупным (около 7500 сотрудни­ков) многоцелевым научно-исследовательским учреждением, относящимся к Министерству энергетики США. Основная задача лаборатории — разработка и обслуживание систем ядерного оружия. В ней проводятся также разнообраз­ные исследования по проблемам, связанным с национальной безопасностью, нераспространением ядерного оружия, энергетикой и охраной окружающей среды. При выполнении программ лаборатория активно сотрудничает с мно­гими правительственными учреждениями, частными фирмами и высшими учебными заведениями. Развитие нанотехнологий имеет большое значение для Министерства энергетики, поскольку наноструктурные материалы могут применяться в разнообразных системах (например, в микропредохранителях для оружия, высокоэффективных фотоэлементах, химических микросенсорах или микроэлектронных устройствах, стойких к воздействию радиации).

Интегральные микросистемы показывают важность использования нано­технологий. Такие микросистемы составлены из малых «интеллектуальных» устройств, способных не только думать (т. е. обрабатывать информацию), но также чувствовать, действовать и связываться друг с другом или с иными уст­ройствами. Объединение микроэлектронных, фотонных, микромеханических и микрохимических устройств позволяет создать следующее поколение деше­вых, миниатюрных и высоконадежных систем. Хотя такие устройства имеют размеры от микрометров до сантиметров, их характеристики обусловлены на- ноструктурными особенностями используемых материалов. Лаборатория Сан­дия является одним из лидеров в этом направлении, поскольку смогла развер­нуть исследования по разнообразным технологиям, и около 500 ее сотрудников сейчас связаны с фундаментальными и прикладными исследованиями микро­систем. Это направление исследований дает лаборатории Сандия прекрасную возможность применить к нанотехнологиям свой богатый опыт разработок микротехнологий.

Для решения поставленных задач необходимо применение специального оборудования и персонала, связанного с нанонаукой, микроэлектроникой (включая синтез материалов и их обработку), разработкой микро - и нанозон - дов, микросенсоров, микроэлектромеханических устройств, а также вычисли­тельной техникой, информатикой и теорией систем.

Лаборатория Сандия имеет ряд достижений в области оборонной техники и энергетики, связанных с внедрением нанотехнологических разработок. На­пример, использование самоориентирующихся монослоев позволило сущест­венно улучшить трибологические характеристики МЭМС за счет снижения трения, прилипания и износа. В лазерах с вертикальным резонатором и излу­чающей поверхностью, разработанных в лаборатории Сандия, применение слоистых структур с потенциальными ямами позволило значительно повысить эффективность световых источников при низком энергопотреблении. В настоящее время в лаборатории изучается способность нанокластеров из кристаллов M0S2 (размером ~ 3 нм) катализировать реакции фотоокисления органических загрязнителей при использовании только видимого света. Изу­чаются возможности введения органических функциональных мезопористых структур в микроустройства, расположенные на чипах сантиметрового разме­ра, что позволит в будущем создать на одном чипе массивы из многих тысяч так называемых преконцентраторов, используемых при анализе образцов химиче­ского оружия.

Перспективы использования таких интегрированных систем можно проил­люстрировать на примере изложенного выше (разд. 6.5.10) проекта ChemLab™, нацеленного на разработку портативной микросистемы для быстрого обнару­жения и анализа химических и биологических материалов (в частности, взрыв­чатых или боевых отравляющих веществ). Целью проекта является создание «системы на чипе», в которой последовательно осуществляется предваритель­ная концентрация исследуемых веществ (с использованием наноструктурных материалов), их разделение (для этого в чип размером около 1 см вделана раз­делительная колонка в виде спирали с общей длиной около 1 м) и детектирова­ние с использованием объединенных датчиков оптической флуоресценции и/или пьезоэлектрических датчиков акустических волн. В целом такой чип

I моделирование в нанотехнологии j

Рис. 11.10. Три основных направления работ, объединенные в исследованиях лабора­тории Сандия: микроэлектронное производство, гибкое производственное оборудо­вание и физическое и компьютерное моделирование наноматериалов.

Представляет собой интегральную микросистему, образованную химически­ми, электронными, микромеханическими и фотонными устройствами. Созда­нием такой высокоинтегрированной системы уже более 3 лет занимается объ­единенная группа из примерно 40 разработчиков, имеющая годовой бюджет 20 млн. долл.

Постепенно становится ясно, что в проектах такого типа успеха могут до­биться только междисциплинарные группы, проводящие фундаментальные и прикладные исследования в различных областях науки. Технологический прогресс в разработке микросистем зависит от удачного сочетания свойств новых наноструктурных материалов с развитием дешевых и эффективных методик интеграции (рис. 11.10); этого можно достичь только в многопро­фильных национальных лабораториях. В лаборатории Сандия были спроек­тированы и изготовлены следующие устройства: стойкая к воздействию ра­диации кремниевая интегральная схема (размером 0,5 мкм); 5-уровневые МЭМС; аппаратура для изготовления лазеров с вертикальным резонатором и излучающей поверхностью; микрохимические датчики принципиально но­вых типов, а также разработана система методик диагностики материалов (начиная со сканирующих наноразмерных зондов и кончая так называемым «моделированием из первых принципов» для описания характеристик нано­материалов).