Česká republika
Média

Nanoelektronika – Princip miniaturizace

V malých měřítkách se dějí velké věci. Výrobci elektroniky se učí vyrábět zařízení s prvky velikosti jen několika atomů. Tento vývoj nejenže umožní vyrábět výkonnější a energeticky úspornější počítače, ale vydláždí cestu i zcela novému typu elektronických zařízení. Dopad těchto inovací by mohl změnit život na celém světě.

Představte si kompletní klinické diagnostické testovací laboratoře v jednorázové krabičce velikosti vašeho palce, nebo dioptrické čočky, které vám nejenže na přání zobrazí předpověď počasí na zítra, ale dokonce nabijí baterii mobilního telefonu. Taková zařízení představují jen zlomek možností, které poskytuje nanoelektronika – obor využívající jedinečné vlastnosti, které se objevují tehdy, když se materiály tvarují a kombinují na těch nejmenších úrovních.

„Nanoelektronika zahrnuje zařízení, které mají prvky menší než 100 nanometrů a kde tato velikost prvků určuje funkčnost celého zařízení,“ vysvětluje profesor Jo De Boeck, PhD., Technologický ředitel a výkonný viceprezident belgického výzkumného centra IMEC pro nanoelektroniku. Sto nanometrů (nm) je opravdu velmi malá velikost: je to jedna desetitisícina milimetru, tedy přibližně velikost viru chřipky. „V těchto úrovních pozorujete diametrálně odlišné vlastnosti,“ pokračuje De Boeck. „Vidíte kvantové efekty. Můžete upravovat elektrické vlastnosti materiálů nebo měnit vlnovou délku laserového světla.“

Dnešní běžná elektronická zařízení mají pevné místo v prostoru nanoelektroniky. Nejvyspělejší integrované obvody (IC) nebo počítačové čipy se skládají z miliard tranzistorů s prvky o velikosti 25 nm nebo ještě menšími.

„Nanoelektronika už změnila náš život,“ říká De Boeck. „Právě díky ní si nespálíme ruce, když telefonujeme s moderním mobilním telefonem, a díky ní máme na svých mobilních zařízeních a přenosných počítačích displeje s velmi vysokým rozlišením.“

A opravdu, naše schopnost vytvářet předměty s prvky tisícinásobně tenčími než lidský vlas do značné míry vznikla jako důsledek více než půlstoletého vývoje integrovaného obvodu v oblasti jeho výkonu a efektivity. Gordon Moore, spoluzakladatel společnosti Intel, zformuloval v roce 1965 teorii známou dnes jako „Moorův zákon“. Podle tohoto zákona se počet tranzistorů, které se vejdou na jeden integrovaný obvod, zdvojnásobí přibližně každé dva roky.

Od té doby toto odvětví nepřetržitě nachází způsoby, jak Moorovu předpověď potvrzovat. Využívá přitom nové materiály a nové výrobní postupy, které umožňují nacpat na jeden křemíkový plátek stále více komponentů se stále menšími rozměry. Dnešní nejmodernější integrované obvody mají prvky s průměrem pouze 22 nm, a vědci již pracují na projektech s polovičními rozměry. Když však začnou do nich vkládat prvky s velikostí jen několika atomů, narážejí na některé tvrdé fyzikální limity.

Posouvání hranic

Tričko, které měří puls, a ponožky, které sledují tlak? To není science-fiction, ale možný dnešek díky nanotechnologiím od společnosti Heapsylon.

„Existují tři způsoby, jak mohou výrobci zvýšit výkon čipů,“ říká Claus Poppe, viceprezident společnosti BASF pro elektronické materiály. „Prvním je zmenšení velikosti tranzistorů. O tom je Moorův zákon. Nicméně průmysl připouští, že brána tranzistoru s délkou 5 nm je nejmenší možná, a předpokládá, že této hranice dosáhne do deseti let. Druhým způsobem je použití nových materiálů, jako jsou kobalt nebo germanium, které nahradí nebo rozšíří dnes používaný křemík. Třetí způsob spočívá v geometrii, kdy se dnešní dvourozměrná řešení v podstatě nahradí trojrozměrnými.“

Zda bude odvětví schopno dosáhnout svých nejbližších vývojové cílů, bude záviset částečně i na volbě správné chemie. Drtivá většina kroků v 600 až 1 000 procesních cyklech, které jsou nezbytné pro vytvoření nejmodernějšího počítačového čipu, vyžaduje chemické vstupy a každý další vývojový posun čipu klade na tyto chemické látky nové nároky. „Když sestoupí do úrovně nanorozměrů, klíčovým faktorem úspěchu se stávají naše znalosti chemie,“ říká Lothar Laupichler, hlavní viceprezident společnosti BASF pro elektronické materiály. Jedno z jeho oddělení – se sídlem v Jižní Koreji – zaměstnává dvě třetiny zaměstnanců odvětví elektroniky v rámci celé firmy, což svědčí o významu Asie v současném odvětví IC, ale i o významu úzké spolupráce při vývoji materiálů, které jsou pro toto odvětví stále více šité na míru. „Abyste v této úrovni nanorozměrů dosáhli inovací, musíte chápat interakce na molekulární úrovni, což zároveň vyžaduje i mimořádně vysoký stupeň čistoty,“ říká Boris Jenniches, viceprezident společnosti BASF pro podnikové hospodářství Divize elektronických materiálů pro Asii a Tichomoří, který zároveň odpovídá za tuto obchodní jednotku.

A na čistotě záleží, protože v úrovni nanorozměrů může i pár zbloudilých atomů nesprávného materiálu znamenat velký rozdíl mezi funkčním a nefunkčním obvodem. Kontrola toho, zda elektronické materiály od společnosti BASF splňují úroveň čistoty požadovanou jejími zákazníky, je nejdůležitějším úkolem Jana Willmanna, který pracuje jako manažer provozních činností v Kompetenčním centru pro analytiku Clean Room Lab ve společnosti BASF v Německu. „Snažíme se zjistit kontaminaci na úrovni 10 až 100 částic na trilion,“ říká Willmann. „To je úroveň, kde – pokud byste ten vzorek ukázali někomu z farmaceutického průmyslu – by řekli: ‚nevidíme vůbec nic, je to absolutně čisté‘.“

Rychlejší, levnější, úspornější

Schopnost tvarovat materiály a manipulovat s nimi s mimořádnou přesností na úrovni nanočástic vytváří možnosti v mnoha oblastech za hranicí výroby konvenčních čipů. Mnohé z hlavních omezení klasických baterií pramení v jejich fyzické konstrukci. K vytvoření lepších baterií chtějí inženýři zvýšit účinnou povrchovou plochu anody a katody, aby mohli elektrony mezi nimi snadněji proudit. „Formování povrchu elektrod do trojrozměrného tvaru na úrovni nanočástic umožňuje, aby k tomu došlo,“ vysvětluje Philip Pieters, ředitel rozvoje obchodu a energetických technologií výzkumného centra IMEC.

Vědci doufají, že v takových bateriích bude možné nejen uložit více energie než v běžných modelech, ale budou se také mnohem rychleji nabíjet, což vydláždí cestu k vytvoření elektronických zařízení či dokonce elektrických vozidel, která se budou dobíjet řádově spíše v minutách než v hodinách. Kromě nanobaterií pracuje Pietersův výzkumný tým i na velmi přesných technologiích tisku, které bude možné použít při aplikaci ultratenkých vrstev elektronických materiálů v celé řadě dalších oblastí. Například tištěná fotovoltaika v konečném důsledku umožní budovám vyrábět elektrickou energii ze slunečního světla, které dopadá na jejich fasády a okna, nebo z jinak nevyužitého světla uvnitř, které dopadá na vnitřní stěny a stropy.

„Diagnostický test, který trvá méně než 10 minut a stojí méně než 10 dolarů, by mohl vést k transformaci zdravotní péče v mnoha zemích.“

Dr. Robert Bollinger, Univerzita Johnse Hopkinse

Společnost Aneeve Nanotechnologies, vedlejší produkt činnosti Kalifornské univerzity v Los Angeles, vyvinula postup, který umožňuje tisk elektronických obvodů na širokou škálu podkladů. „Proces tisku není jen levný a energeticky úsporný ve srovnání s tradiční výrobou čipů, ale nabízí i další výhody a přínos pro životní prostředí,“ říká Kosmas Galatsi, generální ředitel společnosti Aneeve. Uhlíkové nanotrubice, které používá společnost Aneeve, jsou podle jeho slov „bezpečné, udržitelné a mají v zemi hojné zastoupení“ ve srovnání s některými prvky vzácných zemin, jako je tantal či indium, které jsou nezbytné ve většině dnešní konvenční elektroniky.

Postup společnosti Aneeve umožňuje aplikovat obvody na průhledné materiály tak, aby byly pouhým okem neviditelné. Společnost doufá, že tímto se výrazně sníží náklady na výrobu mohutných, flexibilních displejů nebo vybavení pro bezdrátovou komunikaci. To by mohlo umožnit vznik nových technologií nositelných na těle, jako jsou například brýle se zabudovaným displejem, které by nabízely zážitek rozšířené reality: pomocí směrových šipek vznášejících se v zorném poli nositele by mu například pomáhaly pohybovat se v neznámém městě, nebo by zobrazovaly hodnocení hostů a otevírací hodiny obchodů a restaurací v okolí.

Začínající firma Heapsylon se sídlem v americkém městě Seattle, kterou založila skupina bývalých zaměstnanců koncernu Microsoft, se mezitím vybrala intimnější cestou a nanoelektronické technologie využívá na zabudovávání senzorů přímo do oděvů. Její výrobky jsou údajně měkké na dotek a mohou se běžně prát v pračce. Patří k nim například ponožky pro běžce, které snímají tlak, nebo podprsenky či trička, které dokáží měřit srdeční frekvenci svého nositele.

Laboratoř na čipu

Grafika zobrazuje proces výroby elektronického čipu.

Kromě rozšiřování aplikací výrobních technologií integrovaných obvodů se nanoelektronika používá i pro vkládání zcela nových vlastností do samotných čipů. Tytéž technologie, které umožňují výrobcům čipů tvarové leptání a používání různých materiálů při výrobě tranzistorů, dokáží zároveň vytvářet i drobné potrubí, maličké senzory či miniaturní stroje. Výzkumné středisko IMEC začátkem tohoto roku vytvořilo partnerství s Univerzitou Johnse Hopkinse v americkém státě Maryland s cílem pracovat na vývoji nanoelektronických lékařských diagnostických systémů. „Naší vizí je zařízení velikosti USB klíče schopné provádět většinu diagnostických testů, které se dnes konají v laboratořích,“ vysvětluje Liesbet Lagaeová, manažerka programu biologických věd výzkumného centra IMEC.

Výzkumný tým střediska IMEC doufá, že pomocí senzorů vložených do čipů bude možné provádět celou řadu úkolů, od těhotenských testů až po identifikaci protilátek virů jako HIV, či dokonce analýzu DNA. „Všechny základní stavební bloky máme připravené,“ říká Lagaeová. „Chápeme mikrofluidiku, takže do našich obvodů umíme vkládat drobné kapilární pumpy, což znamená, že vzorek se fakticky nasaje přes čip. Dokážeme uskutečnit PCR (polymerázovou řetězovou reakci), která se používá pro amplifikaci DNA před testováním. A dokážeme do našich obvodů integrovat biomarkery, které generují elektrický nebo fotonický signál, když jsou vystaveny působení určitých enzymů nebo protilátek.“

Společný tým výzkumného centra IMEC a Univerzity Johnse Hopkinse má však před sebou ještě hodně práce, než se mu podaří dosáhnout jeho vizí, a podobně jako v případě běžných čipů, i zde velká část závisí na vývoji té správné chemie. Integrace jemných biologických molekul do čipů je stále mimořádně náročná. „Musíme překonat problém skladovatelnosti,“ vysvětluje Lagaeová. „Biomarkery musí být stabilizované, aby se před použitím nerozložily, a to se v křemíkovém prostředí zatím nedělalo.“ Problémy jsou i v oblasti výroby; některé kroky, které se aplikují při výrobě klasického čipu, vyžadují použití vysokých teplot, což by mohlo jemné biochemické látky zničit.

„Naší vizí je zařízení velikosti USB klíče schopné provádět většinu diagnostických testů, které se dnes konají v laboratořích.“

Liesbet Lagaeová manažerka programu biologických věd výzkumného centra IMEC

„Dlouhodobý dopad nanoelektroniky v biomedicíně by mohl být transformační,“ říká Dr. Robert Bollinger, který vede program biomedicínské nanoelektroniky na Univerzitě Johnse Hopkinse. „Schopnost provést testování v místě péče, ať je kdekoliv, zlepší dostupnost kvalitní léčby a sníží potřebu specializovaných lékařských zařízení.“

Nicméně to, co může skutečně změnit svět, je schopnost odvětví elektroniky levně vyrábět obrovské množství vlastních miniaturních produktů. „Jelikož nanoelektronika dokáže využít výrobní rozsah odvětví polovodičů, vytváří potenciál pro dodávání těchto vlastností ve velkých objemech a za velmi nízké ceny,“ říká Bollinger. „Diagnostický test, který trvá méně než 10 minut a stojí méně než 10 dolarů, by mohl vést k transformaci zdravotní péči v mnoha částech světa.“

Související obsah

Superčistota v praxi