НАНОТЕХНОЛОГИЯ В БЛИЖАЙШЕМ ДЕСЯТИЛЕТИИ

СУЩЕСТВУЮЩАЯ ИНФРАСТРУКТУРА

Основным осложнением на пути развития нанонауки и нанотехнологии в США выступает присущий им междисциплинарный характер. Многие специ­алисты уверены, что в ближайшие десятилетия акцент в научных исследовани­ях сместится от физики к биологии и медицине. Эта тенденция обусловливает необходимость развития инфраструктуры для организации взаимодействия между вновь возникающими направлениями исследований, которым раньше уделялось недостаточно внимания. В данной главе приводятся конкретные примеры такого развития, а также детально описываются некоторые аспекты программ, призванные поощрять соревнование между исследователями для общего развития данной области. Инфраструктура нанонауки и нанотехноло­гии находится в стадии формирования и сейчас явно не соответствует их по­требностям и возможностям.

Хотя многие университеты активно изменяют учебные и научные про­граммы, однако развитию междисциплинарных исследований мешает ряд об­стоятельств. В качестве таких обстоятельств можно отметить административ­ную автономию факультетов в университетах и колледжах, «конкуренцию» между факультетами за контракты и субсидии от внешних организаций, труд­ность оценки значимости вкладов отдельных факультетов и авторов при вы­полнении междисциплинарных исследований большими коллективами (та­кая оценка важна для карьерного роста преподавателей и их материального поощрения), а также разрыв между учебными курсами и содержанием научных разработок.

Как уже отмечалось, существуют два основных подхода к созданию нано­структур: 1) метод «сверху-вниз» (от большего к меньшему), при котором нано­структуры «вырезаются» из более крупных блоков того же вещества; 2) метод «снизу-вверх», когда наноструктуры создаются из атомов и молекул с исполь­зованием химических методов. В этом случае нанотехнологический процесс начинается с самых мелких частиц (в пределе с атомов или молекул) и сводит­ся к их сборке в наноструктуры.

Нанотехнологию «снизу-вверх» часто называют молекулярной техноло­гией. Поскольку в природе уже миллионы лет эффективно осуществляется такая сборка наноструктур, ясно, что молекулярная самосборка атомов в структуры должна просто согласовываться с законами физики на атомном уровне. Такие процессы иногда называют «пост-литографическими», так как литография не играет в них основной роли [1]. Нанотехногии «снизу-вверх» могут найти много важных применений в производстве пищевых продуктов, медицине, защите окружающей среды и даже энергетике [2—9]. Однако эти технологии не сводятся только к улучшению и развитию существующих в природе методов сборки молекул атом за атомом. Исследователи рассматри­вают задачу гораздо шире и даже пытаются создать способы искусственного самовоспроизведения и объединения молекул [6], хотя пока нет эксперимен­тальных доказательств искусственного самовоспроизведения. Было показа­но, что самособирающиеся машины (по крайней мере в принципе) могут ре - ализовываться в окружающей среде особого типа, но долго существовать они не могут [10, 11].

В ближайшее десятилетие ожидается бурное развитие нанотехнологий. Многие национальные лаборатории США уже приступают к междисципли­нарным исследованиям в этой области, а промышленные организации оказы­вают им поддержку. С каждым годом повышается качество используемой для таких целей аппаратуры.

Большое число исследовательских групп в настоящее время занимается из­готовлением разнообразных наноэлектронных структур (на основе полупро­водниковых, структурированных и композитных материалов и химических методов) и изучением физических явлений в них. В «наноэлектронике» (свя­занной с применением наноструктур в электронике) финансирование иссле­дований постепенно смещается от изучения физических эффектов к созданию электронных устройств и схем, хотя пока в этом направлении работает немно­го исследователей. В этой связи особенно важна разработка улучшенных сете­вых архитектур, которые могут в корне отличаться от используемых в обычной электронике. Например, очень перспективным представляется создание архи­тектуры с использованием квантовых клеточных автоматов [12—14]. Высоко­квалифицированные исследователи США, Японии и Европы создали для про­ведения таких разработок совместную организацию. Ее фундаментальные и прикладные проекты получают в основном государственную финансовую под­держку.

Ведущие компании США, производящие полупроводниковые устройства, сформировали небольшие группы (по 5—10 человек), которые занимаются сбором информации об основных разработках в области наноэлектроники. Подобные группы проводят также фундаментальные исследования (напри­мер, в лабораториях фирмы «Хьюлетт-Паккард») и технологические разработ­ки (например, на фирме «Техас Инструменте» ведутся работы по интегриро­ванию устройств с резонансным туннелированием и обычных микроэлект­ронных устройств). Организация DARPA при МО США в настоящее время завершает свою программу «Ультраэлектроника» по созданию следующего поколения высокоскоростных и миниатюрных вычислительных устройств. По объему государственного финансирования (примерно 23 млн. долл./год в течение шести лет) это была крупнейшая целевая нанотехнологическая про­грамма США. Кроме того, Министерство обороны финансирует еще несколь­ко программ в области наноэлектроники (например, MURI, URI, DURIP). ННФ также финансирует ряд работ, способствующих развитию нанонауки и технологии, включая проект «Партнерство в нанотехнологии» и создание научно-технологических и инженерно-исследовательских центров. Большин­ство правительственных программ относится к финансированию работ в уни­верситетах, а некоторые (например, программы DARPA) — промышленных разработок. Различные исследовательские программы высших учебных за­ведений перечислены в разд. 11.5 (некоторые из них подробнее описаны там же).

В Японии разработки в области квантовых устройств и наноструктур фи­нансируются главным образом Министерством внешней торговли и промыш­ленности. Значительная часть исследований осуществляется лабораториями промышленных компаний (включая «Сони», «Тошиба», «Мицубиси», «НТТ», «Хитати» и «Моторола-Джапан»). Из немногочисленных университетских ла­бораторий, связанных с нанотехнологиями, выделяются лаборатории в уни­верситетах Токио, Осака и Кюсю. Ведущей японской координирующей орга­низацией в этой области является Ассоциация исследователей и разработчиков перспективных электронных устройств [15], которая осуществляет централи­зованное руководство исследованиями. Конкретные программы по созданию перспективных электронных устройств осуществляются в университетах на основе субконтрактов, заключаемых университетами и промышленными ком­паниями, а инженерно-конструкторские работы проводятся национальными исследовательскими институтами Японии.

В Европе в рамках «Программы перспективных исследований по микро­электронике» (MEL-ARI [16], Http://www. cordis. lu/esprit/src /ше1агі. Мш)бьіл разработан план развития наноэлектроники ESPRIT, в соответствии с кото­рым финансируются два основных проекта; один из них связан с разработкой оптоэлектронных соединений для интегральных схем, а второй — с изготов­лением наноразмерных интегральных схем. Эти проекты (в особенности вто­рой) в основных положениях копируют упомянутую выше американскую программу «Ультраэлектроника» DARPA. Аналогичный план, разработан­ный Американской ассоциацией производителей полупроводниковых уст­ройств, посвящен развитию обычных полупроводниковых технологий, тогда как план ESPRIT — наноэлектронике. Известно, что в следующих проектах ESPRIT особое внимание будет уделено проблемам интегрирования и архи­тектуре сетей наноустройств.