Таким образом, исследователи показали практическую возможность создания гибких интегральных схем на основе углеродных нанотрубок, причем дальнейшая оптимизация технологии их изготовления позволит добиться существенного увеличения производительности, вплоть до возможности замены не только «медленных» полимерных транзисторов, но и довольно «скоростных» кремниевых.
Работы были проведены совместно с институтом Пэрдью (University Purdue), ученые из которого занимались математическим моделированием нано-сети.
В изготовленном прототипе содержится около 100 нанотранзисторов, что на сегодняшний день рекорд по производству нанотрубочной электроники. Ашраф говорит, что это далеко не предел – если удалось сделать на гибкой подложке 100 транзисторов, получится сделать и десять тысяч.
Ранее предложенная концепция “nanonet”, предполагающая создание электронных схем из массива произвольно расположенного на подложке большого количества нанотрубок, имела характерный недостаток – металлические нанотрубки, неизбежно возникающие в процессе создания нанотрубок углеродных, приводили к «коротким замыканиям» в цепи.
Эту проблему удалось решить простым и красивым способом – разрезанием массива нанотрубок на узкие полосы. Так и появилась искомая матрица, содержащая свыше ста транзисторов.
При этом сама матрица создается стандартным техпроцессом травления, использующимся в современной микроэлектронной промышленности.
Основа матрицы может быть любая – как пластик, так различные тканевые или стеклянные основы. Подобный подход дает замечательные перспективы для всех типов «электронной бумаги» и так называемой «электронной кожи».Не забыто и плоскопанельное телевидение – традиционно LCD-матрицы производятся на основе поликремния или же аморфного кремния. Эти материалы совершенно не предназначены для изгибания, поэтому использование гибких матричных нано-сетей будет оптимальным. Представьте себе: в недалеком будущем телевизор можно будет свернуть в трубку, как обычный постер, и легко транспортировать в любое место. Следующие исследования Ашрафа и его коллег будут направлены на изучение надежности нано-сети и ее условиях работы. Математическое моделирование системы осуществлялось на Интернет-кластере nanoHUB. Ашраф сообщил, что моделирование было очень сложным и заняло достаточно много ресурсов, поэтому было решено воспользоваться глобальным вычислительным кластером, объединяющем многие компьютеры в сети Интернет.[25]
3.5 Нанотехнологии в светодиодном освещении
На I Международном форуме по нанотехнологиям, прошедшем в декабре 2008 г. в Москве, Российская корпорация нанотехнологий (РОСНАНО) представила пилотную версию дорожной карты развития светодиодной промышленности и общего освещения. Руководитель сертификационного центра РОСНАНО Виктор Иванов привел результаты анализа рынка светотехники, дал оценку перспектив светодиодной отрасли в России и рассказал о проблемах, которые необходимо решить для создания производства светодиодных устройств освещения.
Цель создания дорожной карты по светодиодам – развитие в России нового направления промышленности, основанного на нанотехнологиях: массового производства светодиодов и светотехнических устройств на их основе.
Дорожная карта должна учитывать многие аспекты организации и ведения производства. Важнейшие из вопросов, рассматриваемых в дорожной карте, – это характеристика рынков конечной продукции, сегодняшний объем ее использования и ожидаемый в будущем; технологические аспекты, т.е. знания и оборудование, актуальные для развития светодиодных устройств; ресурсная база, необходимая для организации их производства. В связи с ориентацией на создание производства на территории России особое внимание в дорожной карте РОСНАНО уделяется кадровым вопросам.
Приведенный в дорожной карте анализ рынка опирается на авторитетные мнения международных организаций, специализирующихся в области рыночных исследований. По прогнозам, к 2016 г. около 30 % рынка будет занято светодиодными осветительными устройствами. При этом светодиодный сектор рынка состоит из нескольких сегментов. На диаграммах на рис. 12 видна сравнительная динамика сегментации рынка светодиодов освещения по состоянию на 2007 г. и состоянию, ожидаемому к 2012 г.
Кроме показанного роста сегментов дисплеев и освещения перспективными являются также некоторые специальные ниши применения светодиодов, такие как проекционное телевидение и подсветка ЖК-дисплеев. Сегмент освещения на мировом рынке оценивают как наиболее перспективный в ближайшие 5 лет.
Развитие технологии светодиодов идет по двум направлениям: светодиоды на неорганических гетероструктурах (LED) и светодиоды на органических компонентах (OLED). Неорганические светодиоды – очень динамично развивающаяся область, в которой в последние 20 лет было сделано много открытий, и к настоящему времени достигнута высокая эффективность основанных на этом принципе устройств. По сравнению с ними органические светодиоды отстают в развитии, однако у последних есть ряд интересных потребительских свойств, которые могут оказаться ключевыми в конкуренции с неорганическими светодиодами. В частности, они позволяют создавать полупрозрачные гибкие осветительные панели большой площади.
Мировые лидеры в разработке и производстве LED-устройств уже вышли на высокий уровень световой эффективности. Компании выпускают светодиоды с эффективностью на уровне 100-170 лм/Вт при 350-700 мА. Эффективность OLED не столь высока: лидеры в данной области имеют лабораторно подтвержденные данные по мощности съема энергии 20-50 лм/Вт, хотя теоретический порог для идеальной структуры намного выше – примерно 360 лм/Вт. Практический же уровень эффективности таких светодиодов специалистами оценивается на уровне 230 лм/Вт при яркости 2000 кд/м2 и сроке службы до 100 000 ч. Для сравнения, эффективность бытовых ламп накаливания варьируется в пределах 12-18 лм/Вт, компактных люминесцентных ламп – 65-100 лм/Вт. Многие компании планируют начать серийный выпуск OLED-светильников к 2012 г.
В России, к сожалению, в настоящее время нет производства своих чипов и гетероструктур на таком уровне энергетической эффективности. Ряд компаний выпускающих осветительные приборы на неорганических светодиодах, используют импортируемые структуры и чипы. В течение 4 лет компания планирует выйти на уровень энергетической эффективности до 25 % и общей эффективности до 100 лм/Вт. Технология OLED развивается в РФ еще медленнее, отсутствует не только серийное производство устройств освещения, но и производственная и технологическая базы. Однако по конструкции и технологическому исполнению российские LED не уступают зарубежным аналогам, и появляются возможности выращивать собственные чипы. В этой области ведутся интенсивные исследования, связанные с тем, что стоимость импортируемых чипов достаточно высока, поэтому организация их производства в России позволит снизить стоимость компонент в 5-6 раз. Что касается OLED, ряд сильных научных команд ведет разработки на стадии R&D, и в перспективе могут быть разработаны органические светильники большой площади при условии эффективной поддержки этого направления путем закупки за рубежом технологических линий для производства OLED.
В целом, для использования перспектив данной отрасли в России необходима поддержка разработок по светодиодам государством, развитие технологической вооруженности предприятий и отечественного производства технологического оборудования (с использованием импортных комплектующих), введение стандартов контроля качества и развитие диагностических центров для сертификации устройств и оценки их характеристик. Создание новых производств потребует подготовки соответствующих научных, инженерных, технических и рабочих кадров. Здесь возможным путем является создание нанотехнологических научно-образовательных центров. Их задачей будет обучение обращению с оборудованием – эпитаксиальными установками, системами обеспечения «чистых комнат», установками структурного и оптического контроля выращиваемых кристаллов и др. Существует ряд технических проблем, касающихся производственных методов газофазного химического осаждения металлорганических соединений (MOCVD) и молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), изготовления однородных структур на подложках большой площади, применения люминофоров. Для них уже видны пути решения, и этими вопросами необходимо заниматься в первую очередь.
Сделан первый шаг к созданию в России нового производства: создана компания по производству светотехники нового поколения на неорганических гетероструктурах. В то же время, будет развиваться и модифицироваться дорожная карта, в результате чего в России к началу 2013 г. может заработать производство неорганических светодиодов.[26]
Заключение
Открытие нанотехнологий, наноматериалов и углеродных нанотрубок в частности относится к наиболее значительным достижениям современной науки. Эта форма углерода по своей структуре занимает промежуточное положение между графитом и фуллереном. Однако многие свойства углеродных нанотрубок не имеют ничего общего ни с графитом, ни с фуллереном. Это позволяет рассматривать и исследовать нанотрубки как самостоятельный материал, обладающий уникальными физико-химическими характеристиками.
Исследования углеродных нанотрубок представляют значительный фундаментальный и прикладной интерес. Фундаментальный интерес к этому объекту обусловлен, в первую очередь, его необычной структурой и широким диапазоном изменения физико-химических свойств в зависимости от хиральности.
К проблеме исследования фундаментальных свойств углеродных нанотрубок вплотную примыкает проблема прикладного использования. Решение этой проблемы, в свою очередь, от создания способов дешевого получения углеродных нанотрубок в больших количествах. Эта проблема пока исключает возможность крупномасштабного применения этого материала. Тем не менее такие свойства нанотрубок, как сверхминиатюрные размеры, хорошая электропроводность, высокие эмиссионные характеристики, высокая химическая стабильность при существующей пористости и способность присоединять к себе различные химические радикалы, позволяют надеяться на эффективное применение нанотрубок в таких областях, как измерительная техника, электроника и наноэлектроника, химическая технология и др. В случае успешного решения этих задач мы станем свидетелями еще одного примере эффективного влияния фундаментальных исследований на научно технический прогресс.