Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов»

22 сентября 2010 г. — 24 сентября 2010 г.

Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов»

Россия, Санкт-Петербург

Тематические секции конференции:

1. Физико-химические особенности наноструктурного состояния.

2. Аморфные, нанокристаллические и наноструктурные металлические материалы.

3. Наноструктурные порошки, композиционные, керамические материалы и покрытия.

4. Методы исследования наноструктурных материалов; моделирование и информационная поддержка нанотехнологий.

Нанотрубки и фуллерены были и остаются предметом пристального внимания специалистов в области химии, которые разрабатывают новые способы получения и применения этих углеродных соединений.

Ученые из Института металлоорганической химии им. Г. А. Разуваева РАН создали высокопроизводительные технологии получения фуллеренов и многостенных углеродных нанотрубок. Сейчас разработанная ими установка дает 8% фуллеренов по отношению к весу испаренного графита. В планах стоит создание компьютеризованной установки непрерывного действия для получения нанотрубок на основе ароматических соединений.

На основе синтезированных фуллеренов получены соединения с металлами, в частности, с литием, которые способны аккумулировать до 5 весовых % водорода, что делает их перспективным материалом для водородной энергетики. Другие соединения фуллеренов показали свою эффективность в полимерных солнечных батареях.

Исследователи преуспели в получении самого неуловимого компонента органической электроники: получен флеш-транзистор с памятью, который может быть внедрен в тонкий гибкий листок пластика.

Флеш-память (энергонезависимая память) может хранить информацию определенное время после отключения от источника питания. Во многих устройствах бытовой электроники (цифровые камеры, mp3-проигрыватели) применяются кремниевые компоненты флеш-памяти.

Гибкий органический транзистор с плавающим затвором. (Рисунок из Science, 2009, DOI: 10.1126/science.1179963)

Инженеры из Стэнфорда (Stanford University) презентовали чип, изготовленный из углеродных нанотрубок (CNT). На сегодняшний день это наиболее удачное решение давней проблемы ухудшения проводимости при сборе таких материалов в упорядоченный массив.

Электронная фотография транзисторов из углеродных нанотрубок, замкнутых в новую схему (фото Stanford University).

В представленном на конференции International Electron Devices Meeting (IEDM) чипе (на заглавном фото) транзисторы сгруппированы в "каскадной" последовательности, необходимой для функционирования вычислительной логики и памяти, и полностью совместимы с современными стандартами интегральных схем.

В чипе использовано несколько оптимизирующих технологий, изобретённых инженерами Стэнфорда. Новая методика носит название "СБИС-совместимое удаление металлических нанотрубок" (VLSI-compatible Metallic Nanotube Removal – VMR). Как можно догадаться из названия, технология предназначена для решения одной из главных проблем транзисторов такого типа – металлических нанотрубок, которые пропускают ток всегда, даже когда это не требуется, и могут привести к короткому замыканию.

VMR основана на идее разбивать нанотрубки высоким напряжением (что напоминает другой похожий проект стэнфордских специалистов), впервые предложенной IBM в 2001 году. Вкратце: учёные нашли совместимый со СБИС-стандартом способ создания сетки электродов, которая не только изымает неправильно работающие трубки, но и может использоваться для построения разных типов схем.

Исследователи из Франции продемонстрировали потенциал нового катализатора топливной ячейки, идея структуры которого была подсказана строением ферментов-гидрогеназ.

Хотя активность нового катализатора еще не сравнилась с активностью платины, исследователи сообщают, что это первый биомиметический катализатор, работающий в условиях стандартной топливной ячейки.

Cтроение биомиметического никелевого катализатора выделения водорода, привитого к углеродной нанотрубке. (Рисунок из Science, 2009, DOI: 10.1126/science.1179773)

Водородная энергетика будущего предполагает получение электроэнергии за счет окисления водорода в топливных ячейках. Эта обратимая реакция (обратная окислению водорода реакция может быть представлена как восстановление воды и получение водорода в ходе электролиза) в технике и технологии может ускоряться катализаторами на основе платины. Тем не менее, в живой природе эволюционные процессы привели к тому, что природные системы окисления-восстановления водорода (ферменты-гидрогеназы) успешно справляются со своей задачей и без драгоценных металлов. Таким образом, копирование природного подхода к окислению водорода могло бы удешевить катализаторы топливных ячеек.

Водород является многообещающим носителем энергии, который в перспективе может послужить источником энергии в водородных топливных ячейках. Главная помеха перехода к полноценной водородной энергетике заключается в том, что в существующее в настоящее время промышленное производство водорода основано на переработке нефтяного сырья. Такое производство отличается высокой стоимостью и приводит к выбросам углекислого газа в атмосферу.

Angew. Chem. Int. Ed., doi: 10.1002/anie.200905115

Маттиас Беллер (Matthias Beller) из Института Катализа Лейбница (Росток, Германия) заявляет, что одна из главных целей химиков – использование солнечной энергии для получения энергоемких соединений, подобных водороду. Естественно, что наиболее привлекательным потенциальным источником водорода представляется вода. В группе Беллера разработана новая каталитическая система, которая позволяет приблизиться к желаемой цели. Исследователи сообщают, что система основана на относительно простых и недорогих карбонильных комплексах железа.

Считается, что к 2015 году произойдет переход к новым элементам памяти на основе спинтронных устройств, так называемой MRAM- magnetic random access memory, что приведет к резкому изменению компьютерных устройств. Например, скорость доступа к такой памяти будет в тысячу раз больше, чем у нынешних элементов флэш-памяти, а ресурс перезаписи — в сто тысяч раз больше. В результате, можно будет отказаться от применения жестких дисков для хранения информации и заменить их неподвижными блоками.

Поскольку в спинтронном устройстве для передачи информации наряду с электрическими будут использованы и магнитные свойства электронов, для их создания требуется разработка ферромагнитных полупроводников, свойствами которых можно управлять как электрическим, так и магнитными полем. Известные материалы для спинтроники переходят в ферромагнитное состояние при низкой температуре: 172 К.

Исследовательская группа Андрея Гейма (Andre Geim) совместно с коллегами из Института Полимеров Макса Планка (Майнц, Германия) впервые получили двумерные графеноподобные полимеры с регулярным размером и упорядоченным взаимным расположением пор.

Полученное с помощью сканирующего электронного микроскопа (слева) и шаростержневая модель двумерного пористого полимера (справа: углерод – светло-зеленый, водород – белый, поверхность серебра – серые сферы)

Графен представляет собой двумерную кристаллическую решетку. Атомы углерода, образующие эту решетку, располагаются в вершинах правильных шестиугольников, что делает ее похожей на пчелиные соты.

Углеродные нанотрубки можно представить себе как свернутые листы графена; кристалл графита – как «стопку» листов графена.

Графен может похвастаться следующими уникальными свойствами – он обладает исключительной прочностью на разрыв, отличается замечательной теплопроводностью и сочетает такие несовместимые свойства как хрупкость и пластичность. Помимо этого, графен непроницаем для газов, что делает его перспективным материалом для создания герметичных газонепроницаемых мембран. Необычные электронные свойства графена позволяют говорить об отдаленной перспективе замены графеном кремния в полупроводниковых устройствах.

Toshiba заявляет о том что разработала высокочувствительный фоторезист для литографического процесса с применением сверхглубокого ультрафиолета EUV (extreme ultraviolet) при производстве полупроводников. Преимущества материала подтверждены в ходе испытаний с использованием 20-нм техпроцесса.

Достижение важно потому, что вместе с увеличением плотности размещения полупроводниковых элементов, когда литографические технологии подходят к 20-нм масштабам, обычные полимерные фоторезисты уже не справляются с возложенными на них задачами. Размеры их молекул и связи между молекулярными цепочками являются ограничителем. К тому же, сегодняшнее оборудование для аргон-фторидной лазерной экспозиции не способно обеспечить требуемых разрешений. Решение – в переходе на EUV-литографию и фоторезист, основанный на низкомолекулярном веществе.

Последние десятилетия аллотропные модификации углерода все чаще привлекают исследователей в области наноматериалов и наноэлектроники. Первоначально физики интенсивно изучали фуллерены, затем ученых заинтересовали углеродные нанотрубки. В настоящее время наиболее пристальное внимание физиков и специалистов в области нанотехнологий приковано к графену.

Монослой графена (красный) растянут между двумя золотыми электродами (желтые) на расстоянии 150 нм над субстратом SiO₂/Si (серый). (Рисунок из Nature, 2009, 462, 196)

Графен представляет собой не только самый тонкий материал в мире, он на порядок прочнее стали, и при комнатной температуре проводит электрический ток лучше любого из известных материалов. Как эти, так и другие необычные свойства графена привлекают к нему интерес физиков и специалистов по нанотехнологии, которые хотят использовать графен для получения механических и электронных устройств нового типа.

Кирилл Болотин (Kirill Bolotin), работающий в Университете Вандербилта отмечает две характерные черты, обуславливающие исключительность графена – это, во-первых, высокая сопротивляемость молекулярной структуры графена возникающим дефектам; во-вторых, электроны, переносящие электрический заряд, в графене перемещаются гораздо быстрее, чем в металлах и сверхпроводниках.