Slovensko
Médiá

Nanoelektronika – Princíp miniaturizácie

V malých mierkach sa dejú veľké veci. Výrobcovia elektroniky sa učia vyrábať zariadenia s prvkami veľkosti len niekoľkých atómov. Tento vývoj nielenže umožní vyrábať výkonnejšie a energeticky úspornejšie počítače, ale vydláždi cestu aj úplne novému typu elektronických zariadení. Dopad týchto inovácií by mohol zmeniť život na celom svete.

Predstavte si kompletné klinické diagnostické testovacie laboratórium v jednorazovej škatuľke veľkosti vášho palca, alebo dioptrické šošovky, ktoré vám nielenže na želanie zobrazia predpoveď počasia na zajtra, ale dokonca nabijú batériu mobilného telefónu. Takéto zariadenia predstavujú len zlomok možností, ktoré poskytuje nanoelektronika – odbor využívajúci jedinečné vlastnosti, ktoré sa objavujú vtedy, keď sa materiály tvarujú a kombinujú v tých najmenších úrovniach.

„Nanoelektronika zahŕňa zariadenia, ktoré majú prvky menšie než 100 nanometrov a kde táto veľkosť prvkov určuje funkčnosť celého zariadenia,“ vysvetľuje profesor Jo De Boeck, PhD., technologický riaditeľ a výkonný viceprezident belgického výskumného centra Imec pre nanoelektroniku. Sto nanometrov (nm) je naozaj veľmi malá veľkosť: je to jedna desaťtisícina milimetra, teda približne veľkosť vírusu chrípky. „V týchto úrovniach pozorujete diametrálne odlišné vlastnosti,“ pokračuje De Boeck. „Vidíte kvantové efekty. Môžete upravovať elektrické vlastnosti materiálov alebo meniť vlnovú dĺžku laserového svetla.“

Dnešné bežné elektronické zariadenia majú pevné miesto v priestore nanoelektroniky. Najvyspelejšie integrované obvody (IC) alebo počítačové čipy sa skladajú z miliárd tranzistorov s prvkami veľkosti 25 nm alebo ešte menšími.

„Nanoelektronika už zmenila náš život,“ hovorí De Boeck. „Práve vďaka nej si nespálime ruky, keď telefonujeme s moderným mobilným telefónom, a vďaka nej máme na svojich mobilných zariadeniach a prenosných počítačoch displeje s veľmi vysokým rozlíšením.“

A naozaj, naša schopnosť vytvárať predmety s prvkami tisícnásobne tenšími než ľudský vlas do značnej miery vznikla ako dôsledok viac než polstoročného vývoja integrovaného obvodu v oblasti jeho výkonu a efektívnosti. Gordon Moore, spoluzakladateľ spoločnosti Intel, sformuloval v roku 1965 teóriu známu dnes ako „Moorov zákon“. Podľa tohto zákona počet tranzistorov, ktoré sa zmestia na jeden integrovaný obvod, sa zdvojnásobí približne každé dva roky.

Odvtedy toto odvetvie nepretržite nachádza spôsoby, ako Moorove predpovede potvrdzovať. Využíva pritom nové materiály a nové výrobné postupy, ktoré umožňujú napchať na jeden kremíkový plátok čoraz viac komponentov s čoraz menšími rozmermi. Dnešné najmodernejšie integrované obvody majú prvky s priemerom len 22 nm, a vedci už pracujú na projektoch s polovičnými rozmermi. Keď však začnú do nich vkladať prvky s veľkosťou len niekoľkých atómov, narážajú na niektoré tvrdé fyzikálne limity.

Posúvanie hraníc

Tričko, ktoré meria pulz, a ponožky, ktoré sledujú tlak? To nie je science-fiction, ale možný dnešok vďaka nanotechnológiám od spoločnosti Heapsylon.

„Existujú tri spôsoby, ako môžu výrobcovia zvýšiť výkon čipov,“ hovorí Claus Poppe, viceprezident spoločnosti BASF pre elektronické materiály. „Prvým je zmenšenie veľkosti tranzistorov. O tom je Moorov zákon. Avšak priemysel pripúšťa, že brána tranzistora s dĺžkou 5 nm je najmenšia možná, a predpokladá, že túto hranicu dosiahne o desať rokov. Druhým spôsobom je použitie nových materiálov, ako je kobalt alebo germánium, ktoré nahradia alebo rozšíria dnes používaný kremík. Tretí spôsob spočíva v geometrii, kde sa dnešné dvojrozmerné riešenia v podstate nahradia trojrozmernými.“

Či bude odvetvie schopné dosiahnuť svoje najbližšie vývojové ciele, bude závisieť čiastočne od správnej chémie. Drvivá väčšina krokov v 600 až 1 000 procesných cykloch, ktoré sú potrebné na vytvorenie najmodernejšieho počítačového čipu, si vyžaduje chemické vstupy a každý ďalší vývojový posun čipu kladie na tieto chemické látky nové nároky. „Keď zostupujete do úrovne nanorozmerov, kľúčovým faktorom úspechu sa stávajú naše znalosti chémie,“ hovorí Lothar Laupichler, hlavný viceprezident spoločnosti BASF pre elektronické materiály. Jedno z jeho oddelení – so sídlom v Južnej Kórei – zamestnáva dve tretiny personálu odvetvia elektroniky v rámci celej firmy, čo svedčí o význame Ázie v súčasnom odvetví IC, ako aj o význame úzkej spolupráce pri vývoji materiálov, ktoré sú pre toto odvetvie čoraz viac šité na mieru. „Aby ste v tejto úrovni nanorozmerov dosiahli inovácie, musíte chápať interakcie na molekulárnej úrovni, čo si zároveň vyžaduje aj mimoriadne vysoký stupeň čistoty,“ hovorí Boris Jenniches, viceprezident spoločnosti BASF pre podnikové hospodárstvo Divízie elektronických materiálov pre Áziu a Tichomorie, ktorý zároveň zodpovedá za túto obchodnú jednotku.


A na čistote záleží, pretože v úrovni nanorozmerov môže aj zopár zblúdených atómov nesprávneho materiálu znamenať veľký rozdiel medzi funkčným a nefunkčným obvodom. Kontrola toho, či elektronické materiály od spoločnosti BASF spĺňajú úroveň čistoty požadovanú jej zákazníkmi, je najdôležitejšou úlohou Jana Willmanna, ktorý pracuje ako manažér prevádzkových činností v Kompetenčnom centre pre analytiku Clean Room Lab v spoločnosti BASF v Nemecku. „Snažíme sa zistiť kontamináciu na úrovni 10 až 100 častíc na trilión,“ hovorí Willmann. „To je úroveň, kde – ak by ste tú vzorku ukázali niekomu z farmaceutického priemyslu – povedal by: ‚ nevidíme vôbec nič, je to absolútne čisté‘.“

Rýchlejšie, lacnejšie, úspornejšie

Schopnosť tvarovať materiály a manipulovať s nimi s mimoriadnou presnosťou na úrovni nanočastíc vytvára možnosti v mnohých oblastiach za hranicou výroby konvenčných čipov. Mnohé z hlavných obmedzení klasických batérií pramenia v ich fyzickej konštrukcii. Na vytvorenie lepších batérií chcú inžinieri zvýšiť účinnú povrchovú plochu anódy a katódy, aby mohli elektróny medzi nimi ľahšie prúdiť. „Formovanie povrchu elektród do trojrozmerného tvaru na úrovni nanočastíc umožňuje, aby k tomu došlo,“ vysvetľuje Philip Pieters, riaditeľ rozvoja obchodu a energetických technológií výskumného centra Imec.

Vedci dúfajú, že v takýchto batériách bude možné nielen uložiť viac energie než v bežných modeloch, ale budú sa aj omnoho rýchlejšie nabíjať, čo vydláždi cestu k vytvoreniu elektronických zariadení či dokonca elektrických vozidiel, ktoré sa budú dobíjať rádovo skôr v minútach než v hodinách. Okrem nanobatérií pracuje Pietersov výskumný tím aj na veľmi presných technológiách tlače, ktoré nude možné použiť na aplikáciu ultratenkých vrstiev elektronických materiálov v celom rade ďalších oblastí. Napríklad tlačiteľná fotovoltika v konečnom dôsledku umožní budovám vyrábať elektrickú energiu zo slnečného svetla, ktoré dopadá na ich fasády a okná, alebo z inak nevyužitého svetla vo vnútri, ktoré dopadá na vnútorné steny a stropy.

„Diagnostický test, ktorý trvá menej než 10 minút a stojí menej než 10 dolárov, by mohol viesť k transformácii zdravotnej starostlivosti v mnohých krajinách.“

Dr. Robert Bollinger, Univerzita Johnsa Hopkinsa

Spoločnosť Aneeve Nanotechnologies, vedľajší produkt činnosti Kalifornskej univerzity v Los Angeles, vyvinula postup, ktorý umožňuje tlač elektronických obvodov na širokú škálu podkladov. „Proces tlače nie je len lacný a energeticky úsporný v porovnaní s tradičnou výrobou čipov, ale ponúka aj ďalšie výhody a prínos pre životné prostredie,“ hovorí Kosmas Galatsis, generálny riaditeľ spoločnosti Aneeve. Uhlíkové nanotrubice, ktoré používa spoločnosť Aneeve, sú podľa jeho slov „bezpečné, trvalo udržateľné a majú v zemi hojné zastúpenie“ v porovnaní s niektorými prvkami vzácnych zemín, ako je tantal či indium, ktoré sú potrebné vo väčšine dnešnej konvenčnej elektroniky.

Postup spoločnosti Aneeve umožňuje aplikovať obvody na priehľadné materiály tak, aby boli voľným okom neviditeľné. Spoločnosť dúfa, že týmto sa výrazne znížia náklady na výrobu mohutných, flexibilných displejov alebo vybavenia pre bezdrôtovú komunikáciu. To by mohlo umožniť vznik nových technológií nositeľných na tele, ako sú napríklad okuliare so zabudovaným displejom, ktoré by ponúkali zážitok rozšírenej reality“: pomocou smerových šípok vznášajúcich sa v zornom poli nositeľa by mu napríklad pomáhali pohybovať sa v neznámom meste, alebo by zobrazovali hodnotenia hostí a otváracie hodiny obchodov a reštaurácií v okolí.

Začínajúca firma Heapsylon so sídlom v americkom meste Seattle, ktorú založila skupina bývalých zamestnancov koncernu Microsoft, sa medzitým vybrala intímnejšou cestou a nanoelektronické technológie využíva na zabudovávanie senzorov priamo do odevov. Jej výrobky sú údajne mäkké na dotyk a môžu sa bežne prať v práčke. Patria k nim napríklad ponožky pre bežcov, ktoré snímajú tlak, alebo podprsenky či tričká, ktoré dokážu merať srdcovú frekvenciu svojho nositeľa.

Laboratórium na čipe

Grafika zobrazuje proces výroby elektronického čipu.

Okrem rozširovania aplikácií výrobných technológií integrovaných obvodov sa nanoelektronika používa aj na vkladanie úplne nových vlastností do samotných čipov. Tie isté technológie, ktoré umožňujú výrobcom čipov tvarové leptanie a používanie rôznych materiálov pri výrobe tranzistorov, dokážu zároveň vytvárať aj drobné potrubia, maličké senzory či miniatúrne stroje. Výskumné stredisko Imec začiatkom tohto roka vytvorilo partnerstvo s Univerzitou Johnsa Hopkinsa v americkom štáte Maryland s cieľom pracovať na vývoji nanoelektronických lekárskych diagnostických systémov. „Našou víziou je zariadenie veľkosti USB kľúča schopné vykonávať väčšinu diagnostických testov, ktoré sa dnes uskutočňujú v laboratóriách,“ vysvetľuje Liesbet Lagaeová, manažérka programu biologických vied výskumného centra Imec.

Výskumný tím strediska Imec dúfa, že pomocou senzorov vložených do čipov bude možné vykonávať celý rad úloh, od tehotenských testov až po identifikáciu protilátok vírusov ako HIV, či dokonca analýzu DNA. „Všetky základné stavebné bloky máme pripravené,“ hovorí Lagaeová. „Chápeme mikrofluidiku, takže do našich obvodov vieme vkladať drobné kapilárne pumpy, čo znamená, že vzorka sa fakticky nasaje cez čip. Dokážeme uskutočniť PCR (polymerázovú reťazovú reakciu), ktorá sa používa na amplifikáciu DNA pred testovaním. A vieme do našich obvodov integrovať biomarkery, ktoré generujú elektrický alebo fotonický signál, keď sú vystavené pôsobeniu určitých enzýmov alebo protilátok.“

Spoločný tím výskumného centra Imec a Univerzity Johnsa Hopkinsa má však pred sebou ešte veľa práce, kým sa mu podarí dosiahnuť jeho víziu, a podobne ako v prípade bežných čipov, aj tu veľká časť závisí od vývoja tej správnej chémie. Integrácia jemných biologických molekúl do čipov je stále mimoriadne náročná. „Musíme prekonať problém skladovateľnosti,“ vysvetľuje Lagaeová. „Biomarkery musia byť stabilizované, aby sa pred použitím nerozložili, a to sa v kremíkovom prostredí zatiaľ nerobilo.“ Problémy sú aj v oblasti výroby; niektoré krokoch, ktoré sa aplikujú pri výrobe klasického čipu, vyžadujú použitie vysokých teplôt, čo by mohlo jemné biochemické látky zničiť.

„Našou víziou je zariadenie veľkosti USB kľúča schopné vykonávať väčšinu diagnostických testov, ktoré sa dnes uskutočňujú v laboratóriách.“

Liesbet Lagaeová manažérka programu biologických vied výskumného centra Imec

Dlhodobý dosah nanoelektroniky v biomedicíne by mohol byť transformačný, hovorí Dr. Robert Bollinger, ktorý vedie program biomedicínskej nanoelektroniky na Univerzite Johnsa Hopkinsa. „Schopnosť vykonať testovanie v mieste starostlivosti, nech je kdekoľvek, zlepší dostupnosť kvalitnej liečby a zníži potrebu špecializovaných lekárskych zariadení.“

Avšak to, čo môže skutočne zmeniť svet, je schopnosť odvetvia elektroniky lacno vyrábať obrovské množstvá svojich miniatúrnych produktov. „Keďže nanoelektronika dokáže využiť výrobný rozsah odvetvia polovodičov, vytvára potenciál pre dodávanie týchto vlastností vo veľkých objemoch a za veľmi nízke ceny,“ hovorí Bollinger. „Diagnostický test, ktorý trvá menej než 10 minút a stojí menej než 10 dolárov, by mohol viesť k transformácii zdravotnej starostlivosti v mnohých častiach sveta.“

Súvisiaci obsah

Dokonale čistý priestor