Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

Меню сайта
Категории раздела
Наш опрос
Оцените сайт олимпиады
Всего ответов: 121
Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
Главная » Статьи » Сети (МИФИ) » Домашние задания (по сетям МИФИ)

Наноэлектроника в сетях
Факультет Автоматики и Электроники
Кафедра Микро- и наноэлектроники
Курс «Локальные сети ПК»

Наноэлектроника в сетях
(отчёт по по курсу "Сети-13”)

Выполнили студенты группы А9-11:
Шередеко Г.С. и Земцов К.С.

1. Введение

            Наноэлектроника — область электроники, занимающаяся разработкой физических и технологических основ создания интегральных электронных схем с характерными топологическими размерами элементов менее 100 нанометров [1].

            Термин «наноэлектроника» логически связан с термином «микроэлектроника» и отражает 
переход современной полупроводниковой электроники от элементов с характерным
размером в микронной и субмикронной области к элементам с размером в нанометровой
области. Этот процесс развития технологии отражает эмпирический закон Мура,
который гласит, что количество транзисторов на кристалле удваивается каждые
 полтора-два года.

           Однако принципиально новая особенность наноэлектроники связана с тем, что для элементов таких размеров начинают преобладать квантовые эффекты. Появляется новая номенклатура свойств, 
открываются новые заманчивые перспективы их использования. Если при переходе от
микро- к наноэлектронике квантовые эффекты во многом являются паразитными,
(например, работе классического транзистора при уменьшении размеров начинает
мешать туннелирование носителей заряда), то электроника, использующая квантовые
 эффекты, — это уже основа новой, так называемой наногетероструктурной электроники.

2. Развитие нанотехнологии

            Собственные нанопрограммы — программы по исследованиям в области наноэлектроники — 
развивают все ведущие разработчики электроники: IBM, Hewlett-Packard, Hitachi,
Agilent, Lucent, Infeneon, Mitsubishi, Motorola, NEC. В 2004 году на Международной
конференции по электронным устройствам в Сан-Франциско компания IBM представила
новую технологию, позволяющую втрое увеличить производительность транзисторов.
Ускорить работу позволил слой напряженного германия, нанесенный на затвор транзистора.


            Немецкие специалисты из компании Infeneon Technologies на той же конференции 
продемонстрировали электронный чип для устройств хранения информации размером
всего 20 нм. Аналогичные по характеристикам широко применяемые элементы записи
flash-памяти имеют почти в 5 раз большие размеры. Миниатюрный чип
исследователям удалось создать благодаря трехмерному расположению слоев
полупроводников, тогда как подобных размеров трудно добиться для традиционных
 «плоских» транзисторов.

            Исследователи из Калифорнийского университета в Сан-Диего и университета Клемсона изготовили транзистор на основе Y-образной углеродной нанотрубки (Рис.1), обладающий более высоким быстродействием. Если удастся разработать эффективный метод производства и 
контроля конфигурации целых сетей на основе нанотрубок, то тогда вполне
возможно, что такая наноструктура сможет заменить чип компьютерного микропроцессора.




Рис.1
Углеродная нанотрубка.



3. Применения нанотехнологий в сетях

            Американские исследователи из Корнельского университета говорят, что углеродные нанотрубки способны передавать и принимать фотоны света в наномасштабах точно также, как 
 радиостанции работают с радиоволнами [2].

            Углеродные нанотрубки, представляющие собой цилиндрические свернутые листы атомов углерода, могут однажды стать идеальным материалом для производства оптических кабельных систем 
передачи данных. В отличие от современных волоконно-оптических кабелей, кабели
на базе углеродных нанотрубок могут обладать существенно более высокой
пропускной способностью и быть гораздо тоньше, но прочнее, чем современное
оптоволокно.


            Согласно данным исследования, результаты которого опубликованы в одном из номеров научного издания Nature Nanotechnology, в новых кабелях для передачи данных весь информационный обмен идет на уровне наномасштабов, что позволяет в одном кабеле толщиной в несколько миллиметров размещать сотни индивидуальных изолированных нанотрубок, передающих световые сигналы[3].

            Исследователи использовали эффект рэлеевского рассеяния света (это явление за счет солнечного света и атмосферы Земли создает эффект голубого неба) в углеродных нанотрубках, выращенных в 
лабораторных условиях. Они обнаружили, что в то время, как распространение
рассеяния света - это эффект классический и он проявляется на макроуровне, то
цвет и интенсивность рассеянного излучения определяются исходя из квантовых
свойств материала. Проще говоря, углеродные атомы, из которых состоят нанотрубки,
определяет особенности рассеяния света, причем это происходит совершенно независимо
 от формы нанотрубок.

            "Даже если вы разделите нанотрубку на мельчайшие сегменты, это ничего не изменит, так как эффект рассеяния света находится здесь на молекулярном уровне", - говорит Джинвун 
 Парк, один из авторов исследования.

            Исследователи также установили, что пропускание света через нанотрубки по своим свойствам подобно пропусканию радиоволн. "Принципы, регулирующие пропускание света через нанотрубки, в 
точности соответствуют принципам пропускания радиоволн через антенну", -
 говорит он.

            Физики также говорят о разработке новой технологии
 светового излучения, позволяющей полностью устранить фоновый свет.

            Исследователи одной из лаборатории университета Райс (Rice University) изготовили электрический проводящий кабель, в котором роль токопроводящей среды играла не традиционная металлическая жила, а жила, сплетенная из углеродных нанотрубок. При этом не совсем простых 
нанотрубок, а нанотрубок, имеющих двойную стенку. При проведении испытаний,
используя части этого электрического кабеля, исследователи запитали обычную
 люминесцентную от стандартной сети электроснабжения.

            "Углеродные нанотрубки, обладающие помимо других удивительных физических и электрических характеристик, и высокой удельной электрической проводимостью, могут обеспечить столь же 
эффективную передачу электроэнергии, как и металлические проводники, весом в
шесть раз больше, чем углеродные" - говорит профессор машиностроения и
материаловедения университета Райс Энрике Баррера (Enrique Barrera). -
"Кабеля на основе углеродных нанотрубок (Рис.2) могут найти широкое
применение в электронной, аэрокосмической и автомобильной промышленности, там,
где вес проводников является весьма важным критерием. Немного позже такие
проводники могут добраться и до использования в качестве электропроводки домов
и других зданий".






Рис.2 Кабель на основе углеродных нанотрубок


            Электрические кабели и провода, сплетенные из углеродных
нанотрубок, могут быть соединены друг с другом без потери проводимости в месте
соединения. Обработка сплетенной из нанотрубок жилы йодом позволила получить
однородную и необычайно прочную жилу, которая по механическим свойствам
является более прочной, чем жила из металла[4].





Рис.3
 Соединение кабелей


            Аналогичные работы по разработке прозрачного проводящего материала, пригодного при создании тонких, гибких экранов электромагнитных импульсов обладающих высоким коэффициентом 
 экранирования и хорошей прозрачностью проводятся в России в Казанском государственном техническом Университете им. А.Н. Туполева. Для повышения стойкости и защиты электронных средств от неблагоприятного влияния электромагнитных импульсов используют электромагнитные экраны. Защитные свойства экранов определяются не столько толщиной их стенки, электрической проводимостью или магнитной проницаемостью материалов, из которых они изготовлены, а нарушениями непрерывности корпусов-экранов, на снижение влияния которых на защитные свойства экранов и направлены основные усилия при конструкторской проработке корпусов ЭС.

Непрерывность экранов может быть нарушена в местах расположения различного рода индикаторов и 
 измерительных приборов. В этом случае следует локально экранировать данную область, применяя проводящие прозрачные материалы: либо окна с проводящим слоем, либо оптически прозрачные подложки, которые могут не обеспечить достаточной прозрачности и коэффициента экранирования.

 В качестве такого экрана предлагается сеть нанотрубок нанесенная на диэлектрическую основу, представляющую собой прозрачную пленку. Сеть нанотрубок – это массив произвольно ориентированных в одной плоскости нанотрубок (Рис.4). 





Рис.4 Сеть нанотрубок


 Сеть из длинных и тонких, практически одномерных проводников покрывает лишь малую часть подложки, обеспечивая пропускания почти 100% падающего света. 



Такие показатели как проводимость, магнитная и диэлектрическая проницаемость сети можно изменять в широком диапазоне, регулируя площадь покрытия или плотность расположения нанотрубок. Так, при росте показателя проводимости на порядок, прозрачность падает до 95%.

 Технология изготовления таких экранирующих пленок довольно-таки проста и не требует специальных жестких лабораторных условий. Нанотрубки растворяются в спирте, полученная жидкость распыляется на пленку. Пленка помещается в сушильный аппарат, где происходит испарение спирта. При 
 этом нанотрубки останутся лежать на подложке. Далее полученный материал покрывается вторым слоем пленки для защиты нанотрубчатого покрытия от механических воздействий.

Другим возможным материалом для создания сетей может служить графен, так как открыты его новые возможности – тончайший в мире материал может существенно повысить скорость оптоволоконного интернета.

В исследовании, результаты которого недавно опубликовали в журнале Nature Communication нобелевские лауреаты Андре Гейм и Константин Новоселов с коллегами из Манчестера, показано усиление светопоглощения углеродным веществом благодаря его сочетанию с металлическими 
 наноструктурами[5]. Графен, как известно, представляет собой монослой атомов углерода. Обладая рядом уникальных свойств, в частности, необычайной электропроводностью и прочностью, он, сам по себе в чистом виде свет почти не поглощает. Но слой графена дополненный т.н. плазмонными наноструктурами стал активным поглотителем света, способного преобразоваться в электричество. А именно на преобразовании в электричество несущего информацию электромагнитного излучения оптического диапазона основан сегодняшний проводной, т.е. оптоволоконный, интернет. В 
прошлом году коллегами авторов нынешней публикации был открыт способ усиления
 электромагнитного излучения и локального повышения интенсивности света в десятки раз с помощью плазмонных наноструктур – наночастиц благородных металлов. Эти наночастицы, расположенные на некоторой поверхности, могут увеличивать окружающее их электромагнитное поле, что объясняется 
 взаимодействием электромагнитного излучения со свободным электронным газом у  поверхности металла. А свободные электроны у поверхности металла могут совершать коллективные колебания. Для учета последних были введены квазичастицы – плазмоны, которые взаимодействуют с частицами электромагнитного излучения, фотонами, что приводит к т.н. плазмонному резонансу. Этот эффект и использовали первооткрыватели и исследователи графена из Манчестера, Гейм и Новоселов. Как 
 пояснил в комментарии агентству Reuters Константин Новоселов, «многие ведущие компании-производители электроники подумывают о графене в новых поколениях создаваемых ими устройств». А потому полученный сейчас результат многократно повысит шансы графена на применение в электронной промышленности.

В предварительных исследованиях была продемонстрирована принципиальная возможность генерации электроэнергии при облучении светом двух крохотных и вплотную прилегающих друг к другу 
 металлических проволок, находящихся на поверхности графена. Т.е. был сделан простой солнечный элемент. Ученые объясняют факт его появления высокой скоростью прохождения электронов в графене. Однако для практического применения этого эффекта нужно было значительно повысить светопоглощающие свойства графена, что и было достигнуто с помощью плазмонов. По словам одного из авторов публикации в Nature Communication Александра Григоренко (Alexander Grigorenko) из Университета Манчестера (University of Manchester), «графен предсталяется естественным компаньоном для плазмоники». «Мы ожидали, что плазмонные наноструктуры повысят эффективность графеновых устройств, но столь разительное усиление стало приятным сюрпризом» - отмечает Григоренко. По мнению экспертов, использование графена в комбинации с плазмонными структурами при создании оптических сетей может увеличить скорость Интернета в сотни раз.

4. Новый гибридный оптоволоконный кабель

Достаточно во многих случаях требуется обеспечить гальваническую развязку, высоковольтный электрический барьер, между двумя электронными устройствами или даже частями одного электронного 
 устройства. Самым наилучшим решением на сегодняшний день является использование оптической развязки и оптоволоконного кабеля. Но, в некоторых случаях требуется и развязка канала передачи энергии, в этом случае возникает гораздо больше технических проблем, нежели при развязке только передачи данных. Для решения этой сложной проблемы исследователи из Национальной лаборатории Сандиа разработали новый вид оптоволоконного гибридного кабеля (power-over-fiber, PoF), по 
 которому оптическим способом можно передавать не только данные, но и энергию также[6].

Кабель PoF, разработанный Тайтусом Аппелем (Titus Appel) и Стивом Сэндерсоном (Steve Sanderson) пока еще имеет очень большие ограничения по количеству передаваемой мощности. Так что не 
 надейтесь, что в ближайшем времени энергия в Ваш дом будет подаваться с помощью такого способа. Тем не менее, такой кабель может передать энергию, количество которой вполне достаточно для того, что бы привести в действия небольшие электронные устройства, такие как датчики, которые будут передавать информацию по этому же кабелю.

В настоящей реализации кабеля PoF оптическая энергия передается через монолитное стеклянное волокно. Полупроводниковый лазер на одном конце излучает свет достаточно большой 
 мощности, а миниатюрная фотогальваническая ячейка на другом конце кабеля преобразовывает свет в электричество. Для увеличения срока службы лазера и фотогальванической ячейки энергия может передаваться только в те моменты, когда это необходимо. Данные передаются по тонкому волокну из специального полимерного материала, которое подключено с обоих концов к специальным платам с 
 несколькими светодиодными источниками света и фотоприемниками.

Следующая реализация кабеля PoF будет использовать и для передачи данных, и для передачи энергии одни и те же стеклянные волокна большего диаметра, что позволит увеличить длину передачи 
 данных, сделает саму передачу более надежной и позволит передавать по кабелю большее количество энергии. Первый же опытный образец кабеля PoF способен обеспечить энергией только лишь свою собственную коммуникационную электронику на втором конце кабеля.

На основе созданных образцов оптического кабеля PoF исследователи создали новую систему активации удаленного детонатора взрывного заряда. По кабелю передаются данные о сопротивлении детонатора, о температуре окружающей среды и о напряжении заряда электрических емкостей 
 детонатора. Энергии, передаваемой по кабелю, уже хватает на приведение в действие электронного блока управления и на заряд емкостей, которые используются для активации детонатора. В настоящее время ученые работают над сокращением размеров, веса кабеля и сопутствующей электроники, и, так же над удешевлением технологии производства, что позволит в дальнейшем использовать технологию PoF 
 в большом количестве различных областей.

5. Национальная нанотехнологическая сеть 

В России для продвижения нанотехнологии был издан приказ № 2629 «О Совете национальной нанотехнологической сети» (ННС) подписал 9 ноября 2011 года министр образования и науки РФ Андрей Фурсенко[7]. Об этом STRF.ru сообщили в министерстве. Приказ утверждает положение и состав Совета сети, цель которых — обеспечить дальнейшее развитие ННС.

В положении о Совете национальной нанотехнологической сети говорится, что Совет будет заниматься рассмотрением «предложений органов и участников ННС по совершенствованию 
 механизмов формирования, функционирования и развития ННС с последующей подготовкой рекомендаций для Министерства образования и науки РФ».

В сфере компетенции Совета — вопросы повышения «эффективности использования объектов инфраструктуры ННС и результатов деятельности участников ННС в сфере нанотехнологий и 
 наноиндустрии»; повышение «вклада участников ННС в решение задач президентской  инициативы«Стратегия развития наноиндустрии» включение (и исключение) организаций в состав сети.

В состав Совета вошли представители Минобрнауки России, ведущих научных и образовательных учреждений, в том числе заместитель министра С.Н.Мазуренко (председатель Совета), директор 
 Департамента приоритетных направлений науки и технологий В.В.Качак, заместитель председателя правления РОСНАНО А.Г.Свинаренко, ректор МИФИ М.Н.Стриханов, проректор МИЭТ С.А.Гаврилов, гендиректор ВИАМ Е.Н.Каблов и другие. Всего — 29 человек.

Напомним, что национальная нанотехнологическая сеть создавалась в рамках федеральной целевой 
 программы «Развитие инфраструктуры наноиндустрии в Российской Федерации на 2008–2011 годы». Бюджет программы составил 27,5 миллиарда рублей. Основная его часть пошла на закупку современного оборудования для институтов и вузов. На новой инструментальной базе были созданы научно-образовательные центры — всего 43 объекта. По оценке министерства, в 2010 году НОЦы заработали 
 сумму, равную 33 процентам от затраченной на них из бюджета программы. Наиболее активные участники образовали национальную нанотехнологическую сеть — объединение организаций, выпускающих и продвигающих высокотехнологичную продукцию. Объём выпущенной ими продукции составил 1,4 миллиарда рублей. Помимо закупки оборудования, программа финансировала 
 разработку учебной методической литературы для вузов и нормативов по безопасности наноматериалов.

Поскольку продолжать программу не планируется, остро встал вопрос о том, чтобы результаты профинансированных ею проектов были использованы обществом, а созданные НОЦы развивались.


«Возможным решением могло бы стать целевое привлечение средств ОАО «РОСНАНО» и Фонда 
 инфраструктурных и образовательных программ, — прокомментировал данную проблемуАндрей Шмаков, профессор МИФИ, ведущий советник Департамента приоритетных направлений науки и технологий Министерства образования и науки РФ. — Мы озвучивали это решение в двух последних докладах правительству».

6. Литература

1. Наноэлектроника [Электронный ресурс] http://www.schoolhels.fi/ (Дата обращения 
 14.12.2013)

2. Интернет каналы [Электронный ресурс] http://www.cyberforum.ru/ (Дата обращения 
 14.12.2013)

3. К.В. Моторин Экранирующие прозрачные материалы на основе сети нанотрубок [Электронный 
 ресурс] http://nit.miem.edu.ru/sbornik/2009/sec2/004.html (Дата обращения 14.12.2013)

4. Электрические кабели на основе углеродных нанотрубок с двойными стенками [Электронный 
 ресурс] http://www.dailytechinfo.org/nanotech/2824-elektricheskie-kabelya-na-osnove-uglerodnyh-nanotrubok-s-dvoynymi-stenami-perspektivnaya-zamena.html  (Дата обращения 14.12.2013)

5. Фонограмщик [Электронный ресурс] http://fonogramshik.ucoz.ru/ (Дата обращения 14.12.2013)

6. Mo Blog.KZ [Электронный ресурс] http://moblog.kz (Дата обращения 14.12.2013)

7. NANO NEWS [Электронный ресурс] http://www.nanonewsnet.ru/ (Дата обращения 14.12.2013)

Категория: Домашние задания (по сетям МИФИ) | Добавил: ШайВар (24.12.2013) | Автор: Шередеко Г.С., Земцов К.С.
Просмотров: 810 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Форма входа
Поиск
Друзья сайта