Применение нанотехнологий при создании оргтехники

МИНИСТЕРСВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «БЕЛОРУССКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭКОНОМИЧЕСКИЙ  УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 
 

Кафедра ___Технологии важнейших отраслей промышленности 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РЕФЕРАТ 
 
 

 
 
 
 
 
 

                                                                                                      

 
 
 
 
 
 
 
 

МИНСК 2011 

Содержание 

 

Введение

    Прежде  чем охарактеризовать роль нанотехнологий при создании оргтехники, опишем суть этих новых для человечества технологий. Сегодня нанотехнологии играют ведущую роль в развитии науки и техники. Почти ежедневно мы узнаем из средств массовой информации о научном прорыве в том или ином направлении, связанном с нанотехнологиями. Итак, что же означает столь популярное в начале XXI века слово - "нанотехнологии"?

    Нанотехнология (или нанонаука) — это междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Если говорить менее сложным языком, то нанотехнология - это технология, которая позволяет создавать на практике материалы, вещества и т.д. на молекулярном уровне. То есть базовые частицы построения таких новых веществ настолько малы, что при использовании нанотехнологий человечество может создавать то, чего не могло создать в предыдущие эпохи. В этом и перспектива, и популярность нанотехнологий. Нанотехнологии – это, безусловно, одно из направлений будущего развития фундаментальной и прикладной науки и техники.

    Нанотехнология - это наука и технология т.н. «коллоидных систем». По сути, это коллоидная химия, коллоидная физика, молекулярная биология, вся микроэлектроника. Коллоидные системы (коллоиды, др.-греч. "колла" — клей и "ебос" — вид; «клеевидные») — дисперсные системы, промежуточные между истинными растворами и грубодисперсными системами — взвесями и эмульсиями. Размеры коллоидных частиц варьируются в пределах от 10−7 до 10−5 см

    Что можно отнести к коллоидным системам? К ним относятся, например:

• кровь человека;
• молекулы ДНК и белков;
• транзисторы, из которых собираются микропроцессоры и т.д.

    Такие частицы занимают промежуточное  положение между истинными гомогенными  растворами, сплавами, и обычными объектами  макромира как то стол, книга, песок. Поведение таких систем сильно отличается от поведения истинных растворов и расплавов и от объектов макромира благодаря высокоразвитой поверхности. Как правило, такие эффекты начинают играть значительную роль когда размер частиц лежит в диапазоне 1-100 нанометров, отсюда пришло замещение слова коллоидная физика, химия, биология на нанонауку и нанотехнологии, подразумевая размер объектов о которых идет речь.

    Далее в рамках данного реферата рассмотрим применение нанотехнологий в производстве средств оргтехники. 
 
 
 

 

Применение  нанотехнологий при создании оргтехники 

    Каково  применение нанотехнологий при производстве оргтехники?

    Сразу отметим, что в нанотехнологиях огромную практическую значимость имеют так называемые «наноматериалы». Наноматериалы - это материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих.

    Чтобы оценить значение нанотехнологий при  производстве оргтехники, опишем основные современные наноматериалы и  их практическую значимость для производства офисного оборудования.

    1. Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов) и обычно заканчивающиеся полусферической головкой.

    Перечислим  возможные применения нанотрубок при создании оргтехники будущего:

• Механические применения: сверхпрочные нити (ударостойкие корпуса оргтехники, механические части конструкций), композитные материалы, нановесы.
• Применения в микроэлектронике для производства сложной интеллектуальной оргтехники: транзисторы, нанопровода, прозрачные проводящие поверхности, топливные элементы.
• Для создания соединений между биологическими нейронами и электронными устройствами в новейших нейрокомпьютерных разработках.
• Капиллярные применения: капсулы для активных молекул, хранение металлов и газов, нанопипетки, нанопринтеры и т.д.
• Оптические применения: дисплеи для оргтехники, светодиоды.
• Одностенные нанотрубки (индивидуальные, в небольших сборках или в сетях) являются миниатюрными датчиками для обнаружения молекул в газовой среде или в растворах с ультравысокой чувствительностью — при адсорбции на поверхности нанотрубки молекул её электросопротивление, а также характеристики нанотранзистора могут изменяться. Такие нанодатчики могут использоваться для мониторинга окружающей среды, в военных, медицинских и биотехнологических применениях.
• Листы из углеродных нанотрубок можно использовать в качестве плоских сканеров и плоских прозрачных громкоговорителей.

    2. Фуллерены — молекулярные соединения, принадлежащие классу аллотропных форм углерода (другие — алмаз, карбин и графит) и представляющие собой выпуклые замкнутые многогранники, составленные из чётного числа трёхкоординированных атомов углерода.

    Фуллерен  в основном используется в качестве материала для полупроводниковой техники. Так, молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т. п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика. Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость плёнок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента.

    Другой  интересной возможностью практического  применения является использование  фуллереновых добавок при росте  алмазных плёнок CVD-методом (Chemical Vapor Deposition). Введение фуллеренов в газовую фазу эффективно с двух точек зрения: увеличение скорости образования алмазных ядер на подложке и поставка строительных блоков из газовой фазы на подложку. В качестве строительных блоков выступают фрагменты С2, которые оказались подходящим материалом для роста алмазной плёнки. Экспериментально показано, что скорость роста алмазных плёнок достигает 0.6 мкм/час, что в 5 раз выше, чем без использования фуллеренов. Для реальной конкуренции алмазов с другими полупроводниками в микроэлектронике необходимо разработать метод гетероэпитаксии алмазных плёнок, однако рост монокристаллических плёнок на неалмазных подложках остаётся пока неразрешимой задачей. Один из возможных путей решения этой проблемы — использование буферного слоя фуллеренов между подложкой и плёнкой алмазов. Предпосылкой к исследованиям в этом направлении является хорошая адгезия фуллеренов к большинству материалов. Перечисленные положения особенно актуальны в связи с интенсивными исследованиями алмазов на предмет их использования в микроэлектронике и оргтехнике следующего поколения. Оргтехника и другие устройства на основе фуллеренов обладают следующими уникальными свойствами:

• высокое быстродействие (высокая насыщенная дрейфовая скорость);
• максимальная, по сравнению с любыми другими известными материалами, теплопроводность и химическая стойкость.

    Все это делает алмаз перспективным материалом для электроники следующего поколения.

    3. Графен — это монослой атомов углерода, полученный в октябре 2004 года в Манчестерском университете (The University Of Manchester). Графен можно использовать, как детектор молекул (NO2), позволяющий детектировать приход и уход единичных молекул. Графен обладает высокой подвижностью при комнатной температуре, благодаря считается, что графен - перспективный материал, который заменит кремний в интегральных микросхемах для оргтехники.

    Считается, что на основе графена можно сконструировать  баллистический транзистор. В марте 2006 года группа исследователей из технологического института штата Джорджии заявила, что ими был получен полевой транзистор на графене, а также квантово-интерференционный прибор. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям в скором времени появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нм.

    Ещё одна перспективная область применения графена для офисной оргтехники — его использование для изготовления электродов в ионисторах (суперконденсаторах) для использования их в качестве перезаряжаемых источников тока, например, для ноутбуков. Опытные образцы ионисторов на графене имеют удельную энергоёмкость 32 Вт·ч/кг, сравнимую с таковой для свинцово-кислотных аккумуляторов (30−40 Вт·ч/кг).

    В 2009 году был создан новый тип светодиодов на основе графена (LEC). Процесс утилизации новых материалов экологичен при достаточно низкой цене.

    4. Нанокристалл (монокристалл) — отдельный однородный кристалл, имеющий непрерывную кристаллическую решётку и характеризующийся анизотропией свойств. Внешняя форма монокристалла обусловлена его атомно-кристаллической структурой и условиями кристаллизации. Часто монокристалл приобретает хорошо выраженную естественную огранку, в неравновесных условиях кристаллизации огранка проявляется слабо. Примерами огранённых природных монокристаллов могут служить монокристаллы кварца, каменной соли, исландского шпата, алмаза, топаза. От монокристалла отличают поликристаллы и поликристаллические агрегаты, состоящие из множества различно ориентированных мелких монокристаллов. Большое промышленное значение имеют монокристаллы полупроводниковых и дилектрических материалов, выращиваемые в специальных условиях. В частности, монокристаллы кремния являются основой современной твердотельной электроники.

    5. Аэрогели — класс материалов, представляющих собой гель, в котором жидкая фаза полностью замещена газообразной. Такие материалы обладают рекордно низкой плотностью и демонстрируют ряд уникальных свойств: твёрдость, прозрачность, жаропрочность, чрезвычайно низкую теплопроводность и т. д. Распространены аэрогели на основе аморфного диоксида кремния, глинозёмов, а также оксидов хрома и олова. В начале 1990-х получены первые образцы аэрогеля на основе углерода. Аэрогели могут использоваться при производстве уникальных самоочищающихся губок для очистки оргтехники, для чистящих дорожек звукозаписывающей техники и т.д.