Фронтиры науки, техники и производства: Дайджест №3

Полагаю, нашим постоянным читателям мы уже все уши прожужжали про графен в качестве панацеи для электроники Будущего. Последние десять лет только и слышно: графен то, графен сё, но… как только речь заходит о чём-нибудь за пределами лабораторных стен, сказать, как правило, нечего — массовое производство графеновой электроники всё ещё остаётся смелой фантазией без определённых сроков.

И всё же хотелось бы рассказать об очередном изобретении в этой отрасли. На этот раз о создании новой транзисторной структуры на основе графеновых материалов объявило научно-исследовательское подразделение компании Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology). Публикация с громким названием «Графеновый барристор, триодный прибор с затвором, управляющим барьером Шоттки» (Graphene Barristor, a Triode Device with a Gate-Controlled Schottky Barrier), появилась в номере журнала Science за 17 мая.

В основе изобретения лежит тезис о том, что создание графенового транзистора — управляемого электронного вентиля, аналогичного полупроводниковому транзистору, сталкивается с проблемой снижения мобильности электронов, вызываемого, как правило, изменением структуры графеновой решётки.

Исследователям из лабораторий Samsung удалось решить эту проблему, создав так называемый "барристор" — барьерно-управляемый прибор с барьером Шоттки на основе графено-кремниевого материала.

В эксперименте рабочие образцы графена переносились на специально подготовленные площадки габаритами 2х4 мкм в 100-мм слое оксида кремния, выращенного на 6-дюймовой n-Si или p-Si подложке. Всего на каждой подложке удалось создать до 2000 вентилей со свойствами полевых (FET) транзисторов, при этом более 90% из них демонстрировали достаточно высокий полевой эффект мобильности со средней измеренной мобильностью на уровне порядка 1300 кв. см/(В·с).

Как гласит пресс-релиз, полученный в результате полевой транзистор, или, в терминологии Samsung, барристор, служит ключом для канала, запирая или открывая прохождение тока с помощью изменения "высоты" барьера. Полученная при этом структура обладает эквивалентом полупроводниковых свойств без потери активности электронов. По словам учёных, барристоры в их эксперименте показали даже лучшую управляемость состоянием затвора, чем современные CMOS-транзисторы с длиной затвора 28 нм.

Нам удалось отыскать в онлайне открытую ссылку на сопутствующие статье материалы — наслаждайтесь (сама статья находится в платном доступе, но в целом и этого достаточно). Можно сказать, что вместо классической пары полупроводник-металл, необходимой для создания диодного перехода с барьером Шоттки, в барристоре Samsung используются графен и полупроводник. Вот, собственно, соль этого изобретения, хотя, безусловно, с оригинальным его последующим использованием.

Разработчикам из Samsung также удалось создать на основе этой структуры базовые логические элементы (инвертор и полусумматор), с помощью которых было на практике продемонстрировано выполнение базовой логической операции сложения.

Является ли это открытие новым шагом в изучении природы графена и свойств будущей графеновой электроники? Да, безусловно. Приблизит ли открытие барристора (на который, кстати, Samsung уже получил 9 патентов) наступление этой самой эры новой электроники? Вот тут, к сожалению, имеются весомые сомнения и большой скептицизм. Дело в том, что различных транзисторных структур на базе графена к настоящему времени придумано множество. Большие деньги на эти разработки тратят министерства обороны и энергетики США, готовые образцы графеновых транзисторов есть в IBM, Intel, TSMC и во множестве различных исследовательских лабораторий по всему миру. Так, о разработке графеновых транзисторов на базе квантовых точек лауреатами Нобелевской премии 2010 года Андреем Геймом и Константином Новосёловым мы писали ещё в 2009 году.

К сожалению, путь графеновых транзисторов от лабораторных образцов до фабричных конвейеров затянулся и прорыва в этом направлении пока не намечается. Так что традиционная кремниевая электроника, уже перешедшая на немыслимые ещё недавно 22-нм нормы техпроцесса и с успехом штурмующая следующий, 14-нм рубеж, пока может чувствовать себя достаточно уверенно. По крайней мере, по моим прикидкам, ещё пять-семь лет как минимум – пока кремний действительно не "упрётся" в фундаментальные физические ограничения и на коммерциализацию графена не будут направлены действительно серьёзные финансовые средства.

Всё, хватит пока о графене, в следующий раз хотелось бы уже рассказывать по этой теме о чем-нибудь вроде запуска опытной, хотя бы кустарной малосерийной установки по производству графеновых чипов. Хотя — кого мы обманываем — дожить бы до этого, а про новые лабораторные чудеса вокруг графена напишем ещё не раз.

Но не сегодня. Продолжить хотелось бы рассказом о другом полупроводниковом устройстве, разработанном для совершенно иных целей, но с более реальными сроками запуска в массовое производство. Речь о новом типе сверхчувствительного биосенсора, способного служить в качестве постоянно надетого на тело "персонального доктора" и, кроме того, что ещё важнее, позволяющего обнаруживать признаки рака на ранних стадиях его появления.

Гибкий сверхчувствительный биосенсор нового типа на полевых транзисторах (Flexure sensitive Field Effect Transistor, или просто Flexure-FET), описание которого размещено на сайте актов Национальной академии наук США (Proceedings of the National Academy of Sciences), разработан в стенах Университета Пердью (Purdue University) на кафедре проектирования компьютеров и электрических машин. По словам главы проекта, профессора Мухаммада Алама (Muhammad A. Alam), особенность проекта заключается в сочетании двух биосенсоров механического и электрического типа. Каждый из этих сенсоров имеет ограниченную и достаточно посредственную чувствительность, в то время как сочетание позволяет добиться огромного (в сотни раз) прироста чувствительности при одновременном появлении новых уникальных свойств.

Механический сенсор, входящий в структуру Flexure-FET, идентифицирует биологические образцы по массе и размеру молекул, в то время как электрический сенсор "опознаёт" молекулы по их электрическому заряду. Таким образом, новый сенсор может работать с заряженными и незаряженными молекулами, находя применение в широком спектре медицинских приложений, с недоступной доселе точностью диагностики.

Схематически механическая часть нового сенсора Flexure-FET представляет собой закреплённый с одной стороны гибкий кронштейн из посеребрённого кремния – этакий трамплин для прыжков в воду, габариты которого измеряются нанометрами. Под "трамплином" размещается специальный полевой транзистор, играющий роль электрического датчика системы.

В отличие от обычных механических биосенсоров, где частота вибрации кронштейна или его отклонение, различные для разных типов молекул, замеряются по отклонению лазерного луча, в комбинированной нелинейной электромеханической системе Flexure-FET измерениями вибраций или отклонений занимается тот самый полевой транзистор. Экспоненциальная чувствительность системы достигается за счёт создания дополнительного электрического поля напряжением смещения. Такая "предварительная деформация" связки механического и электрического сенсоров значительным образом отражается на увеличении чувствительности установки в целом.

При идеальной настройке системы, по словам разработчиков, можно добиться правильного распознавания почти любой молекулы. Кроме того, отсутствие необходимости в использовании традиционного компонента всех электрических биосенсоров под названием "референсный электрод", который не очень-то поддаётся миниатюризации, позволит в будущем создавать сверхкомпактные и весьма недорогие при массовом производстве устройства для повседневной диагностики.

В настоящее время новому сверхчувствительному биосенсору предрекают две ключевые сферы применения. Первая – это персональная медицина, тот самый "личный доктор" в виде браслета на запястье, способный не только определять, но и хранить информацию о белках и ДНК пациента. Такое устройство позволит добиться более точной и правильной диагностики, а также вовремя подскажет, когда и по какому поводу обращаться к специалисту в поликлинике. Кстати, это приложение для гаджетов будет действительно полезным и, уверен, широко востребованным во всём мире.

Вторая сфера применения биодатчиков Flexure-FET – это раннее обнаружение раковых заболеваний и любых других болезней, особенно с непростым лечением на поздних стадиях и со сложной диагностикой. Дело в том, что такой биодатчик делает возможным раннюю диагностику рака, когда количества фрагментов ДНК и белков, уже деформированных раковыми клетками, слишком мало для других способов исследования. Разумеется, биодатчик "личного доктора" также может быть настроен на диагностику различных типов раковых заболеваний.

Разумеется, в публикациях подобного рода практически никогда не говорится о сроках начала массового производства таких изобретений. Однако по сути в конструкции биодатчиков Flexure-FET нет ничего нереализуемого на современном этапе развития технологий: микродатчики (MEMS) подобного рода делают давно, тем более полевые транзисторы. Так что от всей души пожелаем этому устройству быстрой и успешной коммерческой реализации, благодаря ему можно запросто предотвратить множество преждевременных смертей и ненужных мучений.

Продолжение нашего разговора также связано с науками о человеке, однако теперь речь пойдёт о генетических исследованиях в совершенно неожиданной области потребительского поведения. Точнее, о мобильниках.

Справедливости ради стоит отметить, что результаты генетических исследований за всю историю их существования использовали в самых разных областях наук, изучающих Человека, — от психических расстройств до интеллектуальных способностей. Однако до сих пор для генетики практически "белым пятном" оставалась область исследований потребительского поведения.

Учёные быстро заполняют все эти пробелы, при этом, конечно же, используются типичные поведенческие модели современных потребителей. А кто может быть более типичным явлением, нежели современный подросток – "мобило-юзер"? Разве что подросток – "планшето-юзер", хотя… в данном случае вполне применима поговорка "Два сапога валенок". В 2011 году среди 7-млрд населения планеты насчитывалось 5,8 млрд пользователей мобильников (до 114 номеров на каждых 100 жителей развитых стран), при 1,8-млрд мировом охвате Интернетом, так что в любом случае исследование поведения пользователей мобильных устройств получается более актуальным.

Объектом нового масштабного исследования на тему взаимосвязи между жёстко предопределённым набором генов человека и его поведением при использовании мобильного телефона стали подростки. Точнее, 1036 подростков-двойняшек (в возрасте 14-15 лет) из Брисбена и его окрестностей, наблюдавшихся в австралийском институте медицинских исследований штата Квинсленд (Queensland Institute of Medical Research), прежде всего, на предмет риска возникновения меланомы. Информация о пользовании мобильными телефонами собиралась в период между 2005 и 2010 годами, при этом 90% исходных данных были собраны в 2006-2009 годах.

Методика исследования включала анализ ответов на пять ключевых вопросов об использовании мобильного телефона:

1. Пользуетесь ли вы мобильником? (Да/Нет)
2. Как часто вы говорите по мобильному телефону? (по шкале от 1 до 10, диапазон – никогда, раз в месяц, 2–4 раза в месяц, 2-4 раза в неделю, 5–7 раз в неделю и т.д. до более 30 раз в день)
3. Сколько минут вы наговариваете ежедневно? (в минутах в день)
4. Как часто вы отправляете SMS/текстовые сообщения с мобильного? (шкала от 1 до 10, как и во 2-м пункте)
5. Как часто за день вы используете телефон для отправки SMS (в среднем раз в день)

Матерям опрашиваемых близняшек было предложено заполнить демографические опросники, где, кроме всего прочего, учитывалось этническое происхождение до третьего колена, часть родителей вдобавок заполнила опросники с оценкой склонности к экстравертному поведению и невротическим состояниям, а также с оценкой откровенности, честности, прилежности. Почти у всех участников эксперимента была проведена разносторонняя 10-ступенчатая оценка интеллекта, а также полноценный тест IQ. Большинство участников наблюдений оказались потомками европейцев, преимущественно англо-кельтами (менее 1% полностью и около 8% частично не европейского происхождения), средний IQ составил 112. Из них пользователями мобильных телефонов оказались более 85%.

Кстати, по словам одного из авторов исследования, доктора Джофри Миллера (Dr Geoffrey Miller) от факультета психологии при Университете Нью-Мексико (University of New Mexico), большим заблуждением является широко распространённое мнение о том, что гены отражают только возможности, развивавшиеся в далёком прошлом. Доктор Миллер уверен, что индивидуальные черты человека, круг его интересов и даже манеры его социального взаимодействия в современном технологическом окружении вполне могут формироваться под латентным воздействием его генетических предрасположенностей и уж тем более отражать его отношение к новым технологиям. Предыдущие исследования схожего характера о воздействии различных массмедиа вроде телевидения, фильмов, музыки, живописи, книг, электронной почты, онлайновых игр, чатов и пр. вполне коррелируют с темой мобильных телефонов.

Результаты исследования, опубликованные на днях в профильном журнале Twin Research and Human Genetics, позволили учёным сделать два знаменательных вывода. Первый заключается в том, что у примерно половины юных владельцев мобильников (особенно любителей рассылать SMS) наблюдаются явные признаки генетической предрасположенности, которая, в свою очередь, является более существенным фактором, нежели воздействие социального окружения – соседей, школы, социального статуса, жилищного комфорта, образования родителей и даже (!) уровня родительских доходов.

Второй вывод не менее интересен. Никого, в принципе, не удивляет то, что активные, словоохотливые экстраверты, более коммуникативные в социальном плане, чем интроверты, в любом случае являются более активными пользователями мобильников. Удивительно в выводах не это, а обнаруженная корреляция между развитием интеллекта и частотой пользования мобильным телефоном: более высокое интеллектуальное развитие ведёт к уменьшению потребности в использовании мобильного телефона. На психологическом уровне это может также объясняться тем, что более развитые в интеллектуальном плане подростки гораздо меньше интересуются всякой подростковой чепухой вроде сплетен, нежели их сверстники. Кроме того, развитые интеллектуально подростки могут более эффективно выражать свои мысли, используя для этого гораздо меньшее количество звонков и текстовых сообщений.

Скажу честно, лучше такие исследования перед выходом на улицу не читать. Заходишь после этого в троллейбус, вагон метро, офис, а там – половина и даже больше глаз и носов уткнуты в экраны телефонов. И ладно бы читали книжки, смотрели последнюю серию Хауса, давили фрукты или запускали бешеных птичек, но нет, яростно лупят по клавиатурам, спеша «эсэмэснуть», «твитнуть» или «отфейсбучиться».

Какими будут Люди Будущего, если такая тенденция продлится ещё несколько поколений? Толстопузыми квадратнопопыми коротышками с большой лысой (от регулярного умственного перегрева) головой, длинными шеями и пальцами?

Или, может, ну их, эти телефоны, и даёшь каждому по велосипеду?

Подумайте об этом на досуге, и до новых встреч.