Команда в составе учёных из Йельского университета (Yale University) и Кванджуйского института наук и технологий (Gwangju Institute of Science and Technology), Южная Корея, успешно создала первый транзистор из единственной молекулы. Исследователи продемонстрировали, что присоединённая к золотым контактам молекула бензола ведёт себя как кремниевый транзистор. Различные энергетические состояния объединения атомов контролируются приложенным к контактам напряжением. В свою очередь, управление состояниями позволило менять проходящий через молекулу ток. Как объясняет Марк Рид (Mark Reed), это схоже с перебрасыванием мяча через холм, если принять, что мяч является аналогом электрического тока, а высота холма – энергетических состояний. Учёным удалось регулировать высоту, пропуская ток или останавливая его. Работа базируется на предыдущем исследовании Рида, проводившемся в 1990-е годы, когда была доказана возможность помещения отдельной молекулы между электрическими контактами. С тех пор он совместно с профессором Таки Ли (Takhee Lee) разработал дополнительные техники, позволившие "видеть" происходящее на молекулярном уровне. Ключевым элементами также стали изготовление контактов столь малого масштаба, идентификация идеальных молекул для экспериментов и определение способа их подключения. Молекулы в электронных схемах представляют интерес, поскольку обычные транзисторы подобных размеров пока получить не удаётся. Но Рид подчёркивает чисто научную ценность достижения – практическое применение технологии в виде быстродействующих молекулярных компьютеров, если такое вообще возможно, – это вопрос десятков лет исследований. Тем не менее, огромная часть работы уже сделана и показана принципиальная возможность применения молекул вместе с электроникой. Материалы по теме: - Toshiba представила спинтронный транзистор;
- Intel усовершенствовала транзисторы следующего поколения;
- IT-Байки: Электроника-2020 – жизнь после смерти кремния.

• www.yale.edu

Учёные из Национальной лаборатории корпорации Sandia (Sandia National Laboratories) разработали крошечные фотоэлектрические ячейки, которые потенциально могут революционизировать способ сбора и использования солнечной энергии. Например, эти микроскопические ячейки превратят человека в передвижное "зарядное устройство", если их закрепить на гибкой основе, перенесённой на одежду. Изготовленные из кристаллического кремния солнечные частицы помимо многообещающего потенциала должны быть более эффективными и дешевыми, чем существующие ячейки. Производятся новые устройства с использованием микроэлектронных и микроэлектромеханических систем (MEMS). Возглавляемая Грегом Нильсоном (Greg Nielson) группа исследователей идентифицировала более 20 преимуществ малого масштаба своих микроячеек. Как объясняет Нильсон, в конечном итоге массово выпускаемые фотоэлектрические устройства могут встраиваться в здания, палатки и одежду. Охотники, путешественники и военный персонал получат решения для подзарядки мобильных телефонов, камер и другой электроники, действующие без необходимости развёртывания на местности солнечных панелей с большой площадью. "Фотоэлектрические модули из микроячеек для крыш домов могут иметь интеллектуальный контроль, преобразователи тока и даже устройства хранения энергии, интегрированные на уровне чипа. Такое решение значительно упростит конструкцию, снизит стоимость и процесс установки сетей из солнечных элементов", - говорит инженер лаборатории Випин Гупта (Vipin Gupta). Частично стоимость снижается вследствие относительно небольшого количества материала, требуемого для формирования хорошо контролируемых микроустройств. Толщина новых ячеек составляет 14-20 мкм, а диаметр – от 0,25-1 мм. На изготовление солнечной панели площадью 232 см² (6" х 6") требуется в 100 раз меньше кремния в случае использования этих микроэлементов по сравнению с обычными кремниевыми панелями. Количество генерируемой энергии при этом такое же, а допустимая механическая нагрузка – больше. Дополнительное преимущество также заключается в возможности производства микроячеек из коммерческих пластин любого размера, в том числе из 300-мм (12") подложек и будущих 450-мм (18"). Более того, если при производстве одна ячейка будет повреждена, это не приведёт к отбраковке всей пластины, тогда как при изготовлении обычных панелей непригодной становится вся подложка. А панели большей чем стандартная (6" х 6") площади из подложек большего размера будут нуждаться в увеличении толщины проводников, поднимая стоимость ещё выше. Этой проблемы не существует с микроячейками и индивидуальной разводкой проводников для них. Лучше переносит разработка и тень. В условиях частичного затенения, где обычная солнечная панель перестанет функционировать, устройство из микроячеек продолжит генерировать электричество. Поскольку гибкую основу достаточно легко получить, высокоэффективные фотоэлектрические преобразователи для широкого использования в повседневных задачах становятся более реальными. Коммерческий шаг к микромасштабным солнечным элементам, как рассчитывают исследователи, станет значительной переменой по сравнению с модулями из массивов 6" панелей. Благодаря распространённым в индустриях MEMS, электроники и LED-диодов технологиям производственный переход будет относительно безболезненным. Например, электрические контакты для каждой ячейки шестиугольной формы, формируемой на кремниевой подложке, получаются с использованием техники производства интегральных схем. В данный момент эффективность преобразования солнечной энергии микроячейками достигает 14,9%. Для присутствующих на рынке коммерческих решений характерен показатель 13-20%. Стандартное производственное оборудование для переноса и установки компонентов (pick-and-place machine), применяемое в массовой сборке электроники, может разместить до 130 тыс. ячеек в час на подготовленных площадках с электрическими контактами, процесс проходит при низкой температуре. Стоимость - $0,001 за один микроэлемент, а их количество в модуле определяется уровнем оптической концентрации и размером кристалла и варьируется от 10 тыс. до 50 тыс. на 1 м². В разработке находится альтернативная технология самосборки, которая ещё больше снизит стоимость. Солнечные концентраторы – дешёвые массивы микролинз – могут быть помещены непосредственно на каждую ячейку для повышения количества собираемых фотонов. Помимо уже упомянутых прикладных сфер, разработчики видят применение микроячейкам в спутниках и беспроводных сенсорах. Материалы по теме: - Гибкие солнечные ячейки восстановят зрение;
- Солнечные батареи на перчатках и шапке;
- /editorial/it_photocarbon.

• www.sandia.gov

Среднегодовой темп роста индустрии оборудования для производства наноматериалов составит 10,4% в период между 2009 и 2014 гг. По оценке компании Innovative Research and Products, объём рынка к тому времени достигнет $90,4 млрд. Сектор полупроводниковых пластин будет испытывать подъём на 14% ежегодно, и через пять лет достигнет $20,6 млрд. В то же время в течение последних лет оба рынка падали. Продажи пластин составили $12,1 млрд, $11,4 млрд и $10,7 млрд в 2007, 2008 и 2009 гг. соответственно. В следующем же году рост возобновится, и продажи согласно прогнозам увеличатся на 9,3% до $11,7 млрд. В течение трёх последних лет рынок оборудования снижался с $67,9 млрд в 2007 году до $62,1 млрд в 2008 и $55,1 млрд в 2009. В следующем году должен быть зафиксирован рост на 10,7% до $61 млрд. В целом производители полупроводников и электроники потратили около $80 млрд в 2007 г. и $74 млрд в следующем на кремниевые пластины, материалы и оборудование. Установки для размещения материалов на пластинах занимали в 2008 г. 19% долю рынка "нанопроизводственных" продуктов, оцениваемую в $11,4 млрд. Пятая часть поставок принадлежала литографическому оборудованию ($12,4 млрд), излучающим технологиям – 9% рынка и $5,6 млрд, решениям для тестирования компонентов и процессов – 17% и $10,56 млрд. Продажи в метрологическом сегменте составили $6,83 млрд (11% "нанорынка"). Затраты на исследования и разработки для совершенствования технологий производства наноматериалов превысили $7 млрд в год на уровне корпораций. В настоящее время 30-40% стоимости полупроводникового производства – это затраты на литографию, включая маски, резисты и метрологические техники. Цифры зависят преимущественно от количества интегральных схем на один заказ их разработки и возраста производственного оборудования. Материалы по теме: - Первые трёхмерные интегральные схемы из нанотрубок;
- Пружины из нанотрубок избавят человечество от аккумуляторов;
- IT-байки: Графан - сын графена, дедушка электроники будущего.

Страдающие диабетом люди вскоре могут получить технологию, с которой, как надеется разработчик, их жизнь станет легче. Диабетики вынуждены непрерывно контролировать уровень сахара в крови, и обычно это делается путём забора и анализа крови. Профессор в области химической и биохимической инженерии Жин Женг (Jin Zhang) из Университета Западного Онтарио (University of Western Ontario) предлагает инновационное решение проблемы: его "неразрушающая" технология предполагает использование контактных линз, которые в соответствии с изменением уровня глюкозы меняют цвет. Ответом на вызов болезни стали наночастицы. Помещённые в линзы из гидрогеля, они взаимодействуют с молекулами глюкозы в появляющихся естественным путём слезах. Химическая реакция вызывает изменение цвета. В детали Женг не вдаётся. Учёный уже получил $216 тыс. от Канадского фонда инноваций (Canada Foundation for Innovation) для дальнейшей работы с многофункциональными нанокомпозитами, потенциал которых простирается далеко за пределы биомедицины. Например, плёнки из них могут предотвратить порчу пищевых продуктов, закрывая доступ кислороду, углекислому газу и влаге к органической материи. Технология также позволяет создать разлагаемую под действием бактерий упаковку. Материалы по теме: - USB-чехол для дезинфекции зубных щеток;
- Электронные контактные линзы – очередной шаг к добавленной реальности;
- Гибкие солнечные ячейки восстановят зрение.

• communications.uwo.ca

Инженеры из Университета Дюка (Duke University) создали новое поколение линз, которые могут значительно повысить возможности телекоммуникационного оборудования и радаров. Однако внешне на линзу разработка совсем не похожа. Она не стеклянная и не прозрачная, а выглядят скорее как жалюзи. Тем не менее, её способность фокусировать электромагнитные волны значительно превосходит традиционные "стёкла". Достижение стало возможным благодаря метаматериалам – комплексным структурам со свойствами, не встречающимися в природе. Прототип линзы размером 10,16 х 12,7 х 2,5 см сложен из более чем 1000 сегментов стекловолокна, применяемого в печатных платах. Они расположены с большой точностью в параллельные ряды, которые и направляют лучи. Как рассказывает научный сотрудник в области электротехники и компьютерной инженерии Натан Кандтз (Nathan Kundtz), вместо использования поверхностей для контроля лучей, как в обычных линзах, учёные обратили внимание на внутреннюю структуру. Управление объёмом линзы предоставляет намного большую свободу в адаптации к конкретным задачам. Ранее подобные возможности существовали только на теоретическом уровне. В связи с ограничениями традиционных линз работа над инновационными решениями продолжается достаточно давно и включает линзы с градиентным показателем преломления (gradient index (GRIN) lenses). Эти прозрачные сферы имеют некоторые преимущества, но сложны в изготовлении и дают сферическую картину, что не подходит для большинства ориентированных на два измерения систем. Новая разработка имеет широкое поле зрения – почти 180°, а поскольку фокус плоский, она поддерживает существующие технологии. Последние эксперименты проведены с микроволнами, далее исследователи надеются создать линзы для более широкого диапазона – инфракрасных и оптических частот. По словам учёных, одна линза из метаматериала может заменить оптическую систему из массива фокусирующих элементов. Материалы по теме: - Учёные поймали радугу;
- Фотонная временная линза обеспечит связь на 270 Гбит/с;
- IT-байки: О невидимости, с фокусами и без.

• www.duke.edu

Исследователями из Университета Иллинойса (University of Illinois) предложена концепция так называемых цифровых квантовых батарей, которые должны обладать во много раз большей ёмкостью, чем сегодняшние аккумуляторы. Идея предполагает использование миллиардов конденсаторов наномасштабных размеров и основана на квантовых эффектах, проявляющихся на уровне атомов. Обычные простейшие конденсаторы состоят из пары проводящих пластин, или электродов, разделённых изолирующим слоем материала или воздуха. Прикладывая к ним напряжение, можно создать электрическое поле и позволить заряду накопиться на обкладке. Но возможности конденсатора не бесконечны – по достижении определённой величины заряда возникают такие эффекты, как "искры" между обкладками и утечки, а при некотором уровне напряжённости поля возможен электрический пробой, и весь заряд теряется. Учёные предлагают создать наномассивы конденсаторов, расстояние между электродами которых должно составлять около 10 нм (или 100 атомов). При этом действующие в таком масштабе квантовые эффекты будут сдерживать увеличение концентрации свободных носителей заряда и соответственно утечки. Данное явление нельзя назвать открытием – в течение многих лет о проявлении необычных свойств наноконденсаторами было известно, и причиной предотвращения потери энергии, свойственной для макромира, назывался именно масштаб элементов. Однако, как считает один из авторов концепции Альфред Хаблер (Alfred Hubler) из Университета Иллинойса, "люди не осознавали, что большое значение электрического поля означает большую плотность энергии, и оно может быть использовано для устройств хранения энергии, которые намного превосходят всё существующее сегодня". Согласно подсчётам Хаблера, итоговая удельная мощность может на порядки превышать любую из применяемых ныне технологий, а количество хранимой энергии – быть в 2-10 раз выше по сравнению с лучшими литий-ионными аккумуляторами. Более того, для производства цифровых квантовых батарей не понадобится модификация используемого в настоящее время литографического процесса, а необходимые материалы – кремний, железо и вольфрам – относительно дёшевы и нетоксичны. Лабораторный прототип Хаблер надеется изготовить уже через год, и устройства либо вовсе не будут терять энергию, либо потери окажутся совсем незначительны при поглощении и высвобождении ими электронов. Но сейчас предлагаемый тип источников питания – это только запатентованная идея. Учёный получил финансирование своих исследований от DARPA (Defense Advanced Research Projects Agency - Агентство передовых оборонных исследовательских проектов), и теперь предстоит доказать их результативность на практике и ответить критикам. Например, профессор Джоель Шиндел (Joel Schindall) из Массачусетского технологического института (MIT) вообще не уверен, что наноматериалы не разрушатся после накопления заряда. Хотя он признаёт концепцию заслуживающей внимания: "Я заинтригован, потому как у него есть обоснованные аргументы в пользу того, что для таких квантовых размеров эффект накопления энергии по меньшей мере может быть значителен". В некотором смысле концепция представляет собой вариант существующих микро- и наноэлектронных устройств. Как говорит Хаблер, "если посмотреть на это с точки зрения цифровой электроники – это всего лишь флеш-диск". Другой аналог – миниатюрные вакуумные трубки, как в плазменных ТВ. Физики же видят сеть из конденсаторов. "Цифровая" часть следует из факта, что каждый элемент будет адресуем независимо. Поэтому помимо "голой" энергии теоретически возможно хранить данные. Существуют и другие способы повышения характеристик конденсаторов. Так, ультраконденсаторы благодаря увеличению площади поверхности электродов и электролитам способны функционировать быстрее обычных ёмкостей. Шиндел повысил этот параметр и количество хранимого заряда использованием нанотрубок вместо угля на поверхностях электродов в уже созданном прототипе. И хотя Хаблер ещё не достиг практической фазы своей работы, он ссылается на проведенное в 2005 году исследование корейских учёных, показавшее реальность изготовления наноконденсаторов. Материалы по теме: - Новым батареям для ноутбуков от Panasonic не страшны замыкания;
- Атомная энергия для электроники кибержуков;
- Чернила с нанотрубками превращают бумагу в суперконденсатор.

• netfiles.uiuc.edu

Возрастные изменения, такие как дегенерация жёлтого пятна, связаны с неправильной работой фоторецепторов. Но поскольку остальные части глаза выполняют свои функции, возможно вернуть способность видеть при помощи устройства, выступающего как слой фоторецепторов. По словам Ростема Диниари (Rostam Dinyari) из Стэнфордского университета (Stanford University) в Калифорнии, это достигается путём искусственного конвертирования света в электрические импульсы – почти так же, как действует солнечная ячейка. Но большинство фотоэлектрических преобразователей – это твёрдые элементы, которые далеки от обладания идеальными характеристиками для использования внутри глаз. "Если вы пользуетесь линзами, фокальная плоскость всегда изогнута, и лучшая картинка формируется на сферической поверхности", - объясняет Диниари. Поэтому сетчатка не плоская. Используя жёсткие чипы, потребуется большое количество микроскопических имплантатов, чтобы сымитировать живую ткань. Гибкий материал был бы гораздо практичнее – он устраняет необходимость проведения множества операционных вмешательств, позволяя обойтись одним. Хотя многие компании разрабатывают именно твёрдые имплантаты, Диниари последовал иной концепции. Изготовить гибкое устройство получилось путём формирования глубоких каналов в кремнии между соседними солнечными ячейками-пикселями, имеющими диаметр всего 115 мкм. Имплантат помещается поверх самого повреждённого участка сетчатки. Вмонтированная в очки камера будет снимать видео, конвертировать его в сигналы близкого инфракрасного диапазона и проецировать прямо на имплантат. Под действием падающего на них излучения ячейки преобразуют изображение в электрические импульсы и передают через оптический нерв к мозгу. Используется ИК-спектр, поскольку это излучение не взаимодействует с неповреждёнными фоторецепторами, продолжающими функционировать в нормальном режиме. Учёные надеются для начала испытать новые имплантаты на свиньях, прежде чем проводить тестирование на реальных пациентах. Материалы по теме: - Зрение восстанавливают радиацией;
- Придуман способ рисовать глазами;
- Создан глазной имплантат более безопасной конструкции.

Тайваньские учёные создали микроскопические чипы, которые могут лечь в основу более лёгкой и дешёвой электроники – портативных компьютеров, мобильных телефонов, плееров. Согласно заявлению Национальной лаборатории наноустройств (National Nano Device Laboratories) в Хсинчу, её исследователи достигли успеха в размещении большего количества транзисторов на меньшей площади кристалла, чем в любой из существующих разработок. Сегодня лишь изредка встречаются ноутбуки с массой менее 1,5 кг, однако новая технология, по словам возглавляющего лабораторию Янга Фу-лианга (Yang Fu-liang), может снизить её втрое. Аналитик издания Digitimes Нобунага Чеи (Nobunaga Chai) назвал достижение "самой продвинутой технологией чипов". Янг со своей командой работает над 16-нм техпроцессом, относящимся к пространству между транзисторами на кристалле. Чем оно меньше, тем выше плотность размещения элементов. Для сравнения: в среднем длина ногтевой фаланги человека составляет 25 млн нм, или 25 мм. 16 нм – это огромный вызов для учёных и рассматривается как "последний рубеж". Другое достижение в миниатюризации продемонстрировали исследователи из Университета Гента (Ghent University) в Бельгии, которые разместили крошечную карту мира – её масштаб равен 1 к 1 трлн – на оптическом кремниевом чипе. Окружность Земли на экваторе (40000 км) была уменьшена до 40 мкм, или до половины толщины волоса человека. Карта поместилась в углу чипа, созданного в рамках проекта для Группы исследований фотоники (Photonics Research Group) при университете. Идея состояла в демонстрации возможности масштабного уменьшения комплексных оптических компонентов. Подобные чипы могут найти применение в телекоммуникациях, высокопроизводительных вычислениях, биотехнологиях и здравоохранении. Самые мелкие детали на карте имеют размер около 100 нм. Её создание включало 30 производственных этапов и четыре разных слоя с различной толщиной. Технологии кремниевой фотоники – это развивающаяся область исследований, объединяющая оптические схемы в небольших чипах. Манипуляции со светом производятся в субмикрометровом масштабе в крошечных фотонных проводниках, или волноводах. Такие кремниевые микросхемы могут содержать в миллионы раз больше компонентов по сравнению с использованием традиционной "стеклянной" фотоники. Материалы по теме: - IBM: 11 нм не предел для кремниевых чипов;
- Tilera собирается выпустить стоядерные процессоры;
- 48-ядерный процессор Intel: чип вместо ЦОД.

• www.photonics.intec.ugent.be, www.physorg.com

Исследователи из Стэнфордского университета (Stanford University) создали первые трёхмерные электронные схемы из нанотрубок. Данное достижение может стать важнейшим шагом на пути к компьютерам с вычислительными элементами на основе нанотрубок, обладающим превосходящим сегодняшнюю "кремниевую" технику быстродействием и потребляющим меньше энергии. До их появления должно пройти ещё не менее 10 лет, но значительность результата стэнфордских учёных в том, что показана принципиальная возможность "послойного" размещения наноэлементов из углерода. Подобные чипы будут иметь большую вычислительную мощность на единицу площади и лучше рассеивать тепло. Недавнее исследование компании IBM показало, что для некоторого количества потребляемой мощности электроника из нанотрубок функционирует в пять раз быстрее, чем кремниевая. "Мы можем и дальше уменьшать размеры транзисторов, но в очень малых масштабах они прекращают показывать желаемые характеристики, - говорит управляющий углеродными технологиями в IBM Watson Research Center Жионг Чен (Zhihong Chen). – Поэтому мы ищем альтернативные материалы, размеры элементов из которых можно уменьшать более агрессивно с сохранением быстродействия". Исследователи уже достигли некоторого успеха в изготовлении единичных транзисторов из нанотрубок в лабораториях, однако до сих пор комплексные цепи из них получать не удавалось вследствие невозможности контроля качества каждой отдельной нанотрубки. Стэнфордская разработка, представленная на прошедшей международной конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) 2009 в Балтиморе, открывает возможность создания сложных структур несмотря на ограничения материалов. Как рассказывает профессор электронной инженерии Филип Вонг (Philip Wong), работа со множеством элементов в наномасштабе означает возникновение сложностей с формированием идеальных структур. Вырастив массив нанотрубок для дальнейшего создания из них электрических схем, исследователи получили смесь из полупроводниковых металлических трубок, которая имела тенденцию к коротким замыканиям. Некоторые из нанотрубок были объединены в прямые линии, другие же имели вид изогнутых форм, и это в том числе являлось препятствием. Пока химики занимаются методами выращивания исключительно прямых структур без примесей, команда Вонга поставила себе задачу ответить на вопрос, каким образом можно обойти проблему или смягчить оказываемый ею эффект. Ответ заключается в конструкции схем. Необходимо вместо удаления металлических нанотрубок учесть их присутствие и разрабатывать соответствующий дизайн электронных цепей. Для начала учёные создают пустую разметку, и при помощи матрицы переносят выровненный однослойный массив углеродных нанотрубок, выращенных на кварцевой подложке, на кремниевую пластину. Над массивом помещаются металлические электроды. Между нанотрубками и кремнием находится выступающий тыловым затвором изолирующий слой, который позволяет прекратить подачу питания на полупроводниковые трубки перед использованием электродов для сжигания металлических нанотрубок разрядом электричества. Верхний затвор располагается так, чтобы не контактировать с выбивающимися из общей ровной структуры трубками. Наконец, металлические электроды удаляются как излишний компонент. Трёхмерная схема получается простым повторением процесса. Такое "штампование" является ключевым в создании многослойной структуры, потому что производится при низких температурах без повреждения металлических электрических контактов. По словам возглавляющего технологическую микропроцессорную лабораторию Intel Шекара Боркара (Shekhar Borkar), пока стэнфордская команда продемонстрировала небольшие и простые схемы наподобие кремниевых 1960-х годов. Например, был изготовлен "калькулятор", способный складывать и хранить числа. В настоящий момент учёные пытаются получить более сложные решения. Углеродные нанотрубки не ставят на этом пути фундаментальные барьеры. Их массивы в лабораториях исследователей одни из самых плотных, с 5-10 трубками на микрометр, но и этого пока недостаточно – требуемая цифра на порядок больше. Материалы по теме: - Первая нить из нитрид-борных нанотрубок;
- Тонкоплёночные транзисторы дисплеев переходят на нанотрубки;
- Сверхдлинные нанотрубки – будущее передающих линий.

• www.technologyreview.com