Наноэлектроника. Состояние и перспективы развития

А.Н. Игнатов

Москва 
Издательство «ФЛИНТА»
2022

НАНОЭЛЕКТРОНИКА

 Состояние и перспективы 
развития

Учебное пособие

3-е издание, стереотипное

УДК 621.396.4:681.33(075.8) 
ББК  32.85я73
         И26

Рецензенты:
доц. МТУСИ Копылов А.М.

доц. НГТУ Серых В.И.

Игнатов А.Н.
  Наноэлектроника. Состояние и перспективы развития : учебное пособие / 
А.Н. Игнатов. — 3-е изд., стер. — Москва : ФЛИНТА, 2022. — 360 с. — 
ISBN 978-5-9765-1619-9. — Текст : электронный.

      В книге рассматриваются тенденции развития микро- и наноэлектроники, концепции 
и проблемы формирования национальной нанотехнологической сети Российской 
Федерации, состояние и перспективы развития электронной промышленности, виды 
нанотехнологий и перспективы производства наноэлектронных изделий. Рассмотрены 
наноизделия пригодные для внедрения в инфокоммуникационных системах, состояние 
и перспективы развития микро- и наноэлектромеханических систем, медицинские и 
биологические аспекты производства нанопродукции, состояние и проблемы подготовки 
кадров для направления «Нанотехнологии». Книга содержит много полезной справочной 
информации для студентов, магистрантов, аспирантов, а также преподавателей и 
инженерно-технических работников, связанных с разработкой и использованием 
аппаратуры, выполненной на основе опто-, микро- и наноэлектронной элементных баз, а 
также на специалистов, работающих в области телекоммуникаций, наноэлектроники и 
оптоэлектроники. 
Для студентов направления 210400 «Телекоммуникации», специальностей 210601 
«Нанотехнология в электронике», 210401 «Физика и техника оптической связи». 

И26

УДК 621.396.4:681.33(075.8)
ББК  32.85я73

ISBN 978-5-9765-1619-9
© Игнатов А.Н., 2017
© Издательство «ФЛИНТА», 2017

ОГЛАВЛЕНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ . ....................................................................................................................................... 7
ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ НАНООБЪЕКТОВ ..................... 9 
1.1. Общие сведения ....................................................................................................................... 9 
1.2. Классификация нанообъектов .............................................................................................. 11 
1.3. Наночастицы и наносистемы ................................................................................................ 15 
1.4. Основные термины индустрии наносистем ........................................................................ 16 
ГЛАВА 2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ НАНОТЕХНОЛОГИЙ ......................................................... 19 
2.1. Общие сведения ..................................................................................................................... 19 
2.2. Краткая история нанотехнологий ........................................................................................ 20 
ГЛАВА 3. ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ МИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ ............................. 22 
3.1. Общие сведения ..................................................................................................................... 22 
3.2. Закон Мура ............................................................................................................................. 22 
3.3. Основные тенденции развития микро- и наноэлектронных систем ................................. 24 
    3.3.1. Общие сведения…………………………………………………………………………..24 
   3.4. Перспективы развития модульных систем систем ............................................................. 25 
3.4.1. История развития ................................................................................................................. 25 
3.4.2. Виды модульных систем ..................................................................................................... 29 
3.4.3. Автоматизация проектирования и производства СБИС и модульных систем .............. 31 
3.4.4. Нанотехнологии будущих электронных систем ............................................................... 37 
3.4.5. Перспективы развития навигационных систем ................................................................ 40 
3.5. Перспективы развития цифрового телевидения ................................................................. 46 
3.6. Перспективы развития дисплеев и осветительной техники .............................................. 51 
3.7. Состояние и проблемы внедрения электронных технологий ........................................... 55 
3.8. Формирование современной инфраструктуры проектирования СБИС «система на                   
       кристалле» .............................................................................................................................. 59 
3.9. Создание технико-внедренческой зоны наукоемкого производства ................................ 65 
3.10. Форсайт в области нанотехнологий ................................................................................... 68 
3.11. Дорожные карты и их применение .................................................................................... 70 
3.11.1. Прогноз инновационного развития в Японии................................................................. 72 
3.11.2. «Глобальная технологическая революция» (Корпорация RAND, США) .................... 73 
3.11.3. Метод дорожных карт и его применение в практике форсайт-исследований ............. 74 
3.11.4. Разработка технологических дорожных карт ................................................................. 75 
3.11.5. Международная технологическая карта ITRS ................................................................ 78 
3.11.6. Технологическая дорожная карта для производственных наносистем. Институт                              
            Форсайта в области нанотехнологий, США ................................................................... 78 
3.11.7. Дорожные карты развития наноиндустрии в России ..................................................... 80 
3.11.8. Примеры технологических дорожных карт .................................................................... 82 
3.12. Итоги работы радиоэлектронной промышленности в 2008 году и основные задачи          
         на 2009 год ............................................................................................................................ 83 
3.12.1. Общие сведения ................................................................................................................. 83 
3.12.2. Основные показатели развития РЭП ............................................................................... 83 
3.12.3. Научно-техническая политика РЭП ................................................................................. 84 
3.12.4. Инвестиционная политика РЭП ....................................................................................... 87 
3.12.5. Внешнеэкономическая деятельность ............................................................................... 88 
3.12.6. Политика РЭП на отечественных рынках ....................................................................... 90 
3.12.7. Меры по снижению негативных последствий для предприятий РЭП                                 
            экономического кризиса ................................................................................................... 90 
3.12.8. Кадровая политика ............................................................................................................ 92 
3.12.9. Основные проблемы и задачи РЭП .................................................................................. 93 
ГЛАВА 4. КОНЦЕПЦИЯ И ПРОБЛЕМЫ ФОРМИРОВАНИЯ НАЦИОНАЛЬНОЙ 

НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СЕТИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ...................................... 95 

4.1. Состояние и перспективы развития наноиндустрии в Российской Федерации .............. 95 
4.2. Цель реализации Концепции развития ................................................................................ 96 
4.3. Состав и основные направления деятельности национальной и нанотехнологической 
сети (ННС) ..................................................................................................................................... 97 
4.4. Задачи, решаемые в рамках Концепции .............................................................................. 99 
4.4.1 Исследовательско-технологическая основа (ИТО) ......................................................... 100 
4.4.2. Научно-образовательная и кадровая основа ................................................................... 100 
4.4.3. Информационно-коммуникационная основа .................................................................. 101 
4.4.4. Организационная основа ................................................................................................... 102 
4.4.5. Правовая основа ................................................................................................................. 103 
4.5. Программно-целевое развитие наноиндустрии в России ................................................ 103 
4.6. Корпорация «РОСНАНОТЕХ» ........................................................................................... 105 

ГЛАВА 5. ВОЕННО-ПОЛИТИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ СОЗДАНИЯ НАНОПРОДУКЦИИ И 
СИСТЕМ СПЕЦИАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ ........................................................................... 109 

5.1. Общие сведения ................................................................................................................... 109 
5.2. Наноугрозы и риски ............................................................................................................ 110 
5.3. Роль наноиндустрии в обеспечении национальной безопасности ................................. 111 
5.4. Реализованные проекты специального назначения с использованием                                           
       нанотехнологий .................................................................................................................... 112 
5.5. Перспективные проекты специального назначения с использованием                       

 нанотехнологий………………............................................................................................114 

5.5.1. Проект «Умная пыль» ....................................................................................................... 115 

ГЛАВА 6. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ...................................................... 118 
ЭЛЕКТРОННОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ .................................................................................. 118 

6.1. Общие сведения ................................................................................................................... 118 
6.2. Полупроводниковые приборы ............................................................................................ 118 
6.3. Персональные компьютеры ................................................................................................ 119 
6.4. Электронная промышленность в средствах связи ............................................................ 120 
6.5. Современное состояние электронной промышленности ................................................. 120 
6.5.1. Мировые лидеры по производству электронной продукции ........................................ 121 
6.5.2. Состояние электронной промышленности в России ..................................................... 122 
6.5.3. Признаки возрождения электронной промышленности в России ................................ 125 
6.5.4. Перспективы развития электронной промышленности в России ................................. 127 

ГЛАВА 7. ВИДЫ НАНОТЕХНОЛОГИЙ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРОИЗВОДСТВА                                 
НАНОЭЛЕКТРОННЫХ ИЗДЕЛИЙ ............................................................................................ 129 

7.1. Общие сведения ................................................................................................................... 129 
7.2 Основы кремниевой технологии ......................................................................................... 130 
7.2.1. Кристалическое строение и зонная структура полупроводников ................................ 130 
7.2.2. Понятие о групповом методе изготовления электронных приборов ........................... 133 
7.2.3. Планарная технология ....................................................................................................... 134 
7.2.4. Пленочная и гибридная технология ................................................................................. 134 
7.2.5. Полупроводниковая технология ...................................................................................... 136 
7.2.6. Переход к кремниевой нанотехнологии .......................................................................... 139 
7.3. Общие сведения об углеродной нанотехнологии ............................................................. 144 
7.4. Основные материалы углеродной нанотехнологии ......................................................... 145 
7.4.1. Углеродные нанотрубки ................................................................................................... 145 
7.4.2. Фуллерены .......................................................................................................................... 146 
7.4.3. Графен ................................................................................................................................. 147 
7.5. Продукты углеродной нанотехнологии ............................................................................. 147 
7.6. Органические нанотехнологии ........................................................................................... 148 
7.6.1. Жидкие кристаллы ............................................................................................................. 148 

7.6.2. OLED технология.. ............................................................................................................ 158 
7.6.3. Состояние разработок OLED ............................................................................................ 163 
7.7. Квантовая нанотехнология ................................................................................................. 164 
7.7.1. Общие сведения ................................................................................................................. 164 
7.7.2. Разработки в области квантовых компьютеров .............................................................. 166 
7.7.3. Разработки в области квантовой криптографии ............................................................. 176 
7.8. Молекулярная нанотенология ............................................................................................ 178 
7.8.1. Введение в молекулярную технологию ........................................................................... 178 
7.8.2. История концепции молекулярной нанотехнологии ..................................................... 182 
7.8.3. Оценки ожидаемых параметровмолекулярных наномеханических устройств ........... 183 
7.8.4. Стратегии реализации молекулярной нанотехнологии ................................................. 186 
7.8.5. Молекулярный транзистор .............................................................................................. 188 
7.8.6. Одноэлектронный транзистор .......................................................................................... 189 

ГЛАВА 8. НАНОЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ ИНФОКОММУНИКАЦИОННЫХ  
СИСТЕМ………………………………………….………………………………………………191 

8.1. Общие сведения ................................................................................................................... 191 
8.2. Конденсаторы для наноэлектронных систем .................................................................... 192 
8.3. Источники электроэнергии для наноэлектронных систем .............................................. 197 
8.3.1. Способы получения электроэнергии ............................................................................... 201 
8.3.2. История химических источников тока ............................................................................ 202 
8.3.3. Основные типы аккумуляторов для мобильных устройств .......................................... 208 
8.3.4. Состояние и перспективы развития производства химических источников тока ...... 210 
8.3.5. Тенденции развития сегмента вторичных систем до 2010 года ................................... 215 
8.3.6. Производители перспективных типов химических источников ................................... 218 
8.4. Наноэлектронные транзисторы .......................................................................................... 219 
8.4.1. Наноэлектронные транзисторы на основе структур хранения на сапфире ................. 222 
8.4.2. Нанотранзисторы с гетеропереходами ............................................................................ 228 
8.5. Наноэлектронные переключатели и ячейки памяти ....................................................... 233 
8.5.1. Квантово-точечные клеточные автоматы ....................................................................... 233 
8.5.2. Молекулярные переключатели ........................................................................................ 235 
8.5.3. Перспективы использования нанотехнологий при изготовлении устройств                                
          хранения информации ....................................................................................................... 237 
8.6. Наноэлектронные лазеры .................................................................................................... 239 
8.6.1. Наноэлектронные лазеры с горизонтальными резонаторами ....................................... 239 
8.6.2. Наноэлектронные лазеры с вертикальными резонаторами ........................................... 242 
8.6.3. Оптические модуляторы ................................................................................................... 249 
8.7. Дисплеи и осветительные приборы с использованием наноматериалов ....................... 251 
8.7.1. Дисплеи и осветительные приборы на основе нанотрубок ........................................... 251 
8.7.2. Перспективы создания дисплеев невидимок .................................................................. 253 
8.8. Фотоприемные наноэлектронные устройства и системы ................................................ 254 
8.8.1. Фотоприемники на квантовых ямах ................................................................................ 254 
8.8.2. Фотоприемники на основе квантовых точек .................................................................. 257 
8.9. Устройства и системы хранения информаци .................................................................... 262 
8.9.1. Виды запоминающих устройств ...................................................................................... 262 
8.9.2. Элементы памяти ............................................................................................................... 264 
8.9.3. Фотоприемные ПЗС ........................................................................................................... 265 
8.9.4. КМОП-фотодиодные СБИС и их применение ............................................................... 267 
8.10. Наноэлектронные изделия для компьютерных систем .................................................. 270 
8.10.1. Однокристальные системы ............................................................................................. 270 
8.10.2. Системы для компьютеров ............................................................................................. 272 
8.11. Перспективы разработок квантовых информационных систем ................................... 278 
8.12. Наноэлектронные системы для беспроводной связи ..................................................... 284 

8.13. Перспективы разработок наноэлектронных систем ....................................................... 285 

ГЛАВА 9. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ МИКРО- И                                               
НАНОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ......................................................................... 292 

9.1. Общие сведения ................................................................................................................. 292 
9.2. Области применения МЭМС и НЭМС .............................................................................. 292 
9.3. Состояние и перспективы разработок МЭМС и НЭМС .................................................. 298  

ГЛАВА 10. МЕДИЦИНСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПРОИЗВОДСТВА                   
НАНОПРОДУКЦИИ ..................................................................................................................... 305 

10.1. Нанориски – новые угрозы для здоровья и окружающей среды .................................. 305 
10.1.1. Новая категория рисков .................................................................................................. 305 
10.2. Европейские инициативы в области оценки нанорисков .............................................. 306 
10.3. Руководства по безопасному обращению с наночастицами и наноматериалами ....... 307 
10.3.1. Стандарт корпорации DuPont для оценки нанорисков ................................................ 310 
10.3.2. Стандарты как ответ на угрозы, связанные с нанорисками ........................................ 312 
10.4. Рекомендации по исследованию токсичности наночастиц в лабораторных                              
         условиях .............................................................................................................................. 313 
10.5. Материалы и оборудование, используемые при определении острой токсичности                             
         наночастиц .......................................................................................................................... 315 
10.6. Перспективы разработки медицинских нанороботов .................................................... 318 
10.7. Проблемы безопасности.................................................................................................... 321 

ГЛАВА 11. НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОРУДОВАНИЕ ................................................ 322 

11.1. «НаноФаб-100» – платформа для наноэлектроники ...................................................... 322 
11.2. Установка эпитаксильного наращивания слоев для индивидуальной обработки                         
         подложек большого диаметра .......................................................................................... 322 
11.3. Новейшие разработки НИИ точного машиностроения. Комплект вакуумных              
         установок для научных исследований и отработки технологических   
         процессов наноэлектроники. 
                                                                                  323 

11.4. Новое поколение установок молекулярно–лучевой эпитаксии .................................... 324 
11.5. Оборудование для наноструктурного анализа материалов и покрытий ...................... 325 
11.6. Нанотехнологический комплекс оборудования NanoEducator ..................................... 326 
11.6.1. Устройство и принцип работы ....................................................................................... 327 
11.6.2. Конструкция СЗМ NanoEducator.................................................................................... 329 
11.6.3. Техническая спецификация прибора ............................................................................. 332 
11.6.4. Режимы работы ................................................................................................................ 332 
11.6.5. Дополнительные приложения NanoEducator ................................................................ 333 

ГЛАВА 12. ПОДГОТОВКА КАДРОВ ДЛЯ НАПРАВЛЕНИЯ «НАНОТЕХНОЛОГИЯ» ..... 336 

12.1. Материально-техническая база кадровой инфраструктуры наноиндустрии ............. 336 
12.1.1. Научно-образовательные центры .................................................................................. 337 
12.1.2. Центры коллективного пользования ............................................................................. 340 
12.1.3. Кафедры и лаборатории.................................................................................................. 342 
12.2. Целевые индикаторы выполнения задач программы развития (по итогам                             
         выполнения программы развития к 2010 г.) .................................................................. 345 
12.3. Перечень вузов, ведущих подготовку по специальности «Нанотехнология в                       
         электронике» ...................................................................................................................... 347 

Список цитированной литературы ............................................................................................... 348 
Перечень принятых сокращений……..……………………………………………………….….358 

ВВЕДЕНИЕ 

Научно-технический прогресс однозначно связан с развитием нанотехнологий. 
Уже с 2003 г. нанотехнологии обеспечивают плавный переход от микроэлектроники 
к наноэлектронике – основе информационных технологий 21 века. 
В 2003 г. элитные вузы Российской Федерации начали подготовку специалистов 
в области нанотехнологий и наноэлектроники. 

Тогда было сформулировано новое направление подготовки инженеров 

210600 «Нанотехнология». В рамках этого направления выделено две специальности: 
210601 «Нанотехнология в электронике» и 210602 «Наноматериалы». 
Ведется разработка ГОС ВПО по специальности «Электроника и наноэлектроника». 
В настоящее время специальность «Нанотехнология в электронике» 
предусмотрена в направлении 210400 «Телекоммуникации». Кроме инженер-
ной подготовки ведется подготовка бакалавров и магистров. 

Фирмы, внедряющие нанотехнологии, с 2003 г. приступили к серийному 

выпуску электронных наноизделий: микропроцессорных интегральных схем 
(ИС) с ультравысокой и гигантской степенью интеграции, мобильных систем 
нового поколения, широкоформатных дисплеев, цифровой видеотехники и др. 

Специалисты, получившие степень бакалавра по направлению 210600 

«Нанотехнология» имеют возможность дальнейшего обучения по следующим 
направлениям магистратуры: 
• 554500 «Нанотехнология»; 
• 550700 «Электроника и микроэлектроника»; 
• 553100 «Техническая физика»; 
• 210601 «Нанотехнология в электронике»; 
• 210100 «Электроника и наноэлектроника». 

Подготовке магистров по перспективным направлениям наноэлектроники, 

представляющим значительный интерес для работодателей промышленных 
предприятий, должна предшествовать подготовка бакалавров. 

Перспективность работы в области нанотехнологий и наноэлектроники 

обуславливает необходимость создания материально-технических баз кафедр, 
реализующих инновационные образовательные программы, создание научно-
учебных лабораторий «Наноэлектроники», «Химии и наноматериалов», учебно-
научных центров «Опто-, микро- и наноэлектроники». 

Важной задачей является реализация системной подготовки студентов по 

блокам естественно-научных (химия и физика), общепрофессиональных (элек-
троника, оптоэлектроника) и специальных (микросхемотехника, СВЧ-техника, 
наноэлектроника) дисциплин.  

Обширный справочный материал, обобщающий информацию более двух-

сот научных и учебных публикаций, по мнению автора, будет полезен студен-
там, изучающим курсы «Введение в специальность нанотехнология в электро-
нике», «Электроника», «Наноэлектроника», «Приборы СВЧ и оптического диа-
пазона», «Устройства и системы оптической связи», «Оптоэлектроника и нано-
фотоника». Накопленный опыт постановки указанных дисциплин целесообраз-
но учесть в учебных планах профильной подготовки студентов направления 
210400 «Телекоммуникации». 

В данном учебном пособии приведен анализ состояния и перспектив раз-
вития микро- и наноэлектроники. Автор выражает благодарность Игнатовой 
А.С., Полянскому С.В., Ананьеву А.В. за помощь в подготовке книги к изда-
нию. 

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И КЛАССИФИКАЦИЯ 

                 НАНООБЪЕКТОВ 

1.1. Общие сведения 

Энциклопедический словарь определяет технологию (от греческого 

«techne» – искусство, мастерство, умение + «logos» – наука) как совокупность 
методов обработки, изготовления, изменения состояния первоначального сырья 
в процессе производства конечной продукции 

Нанотехнология – умение целенаправленно создавать объекты (с заранее 

заданными составом, размерами и структурой) в диапазоне менее 100 нм. 

Нанонаука – совокупность знаний о свойствах вещества в нанометровом 

масштабе. 

Наноэлектронные приборы, устройства и системы – изделия, содержащие 

элементы с размерами нанометрового диапазона (100 нм). 

Нанообъекты существуют на Земле, сколько существует сама жизнь. 
Моллюск морское ушко выращивает очень прочную, переливающуюся из-

нутри раковину, склеивая прочные наночастички мела особой смесью белков с 
углеводами. Структуры, сформированные из наночастиц, могут быть намного 
прочнее материала однородного в объеме. 

В четвертом веке нашей эры римские стекловары делали стекло, содержа-

щее наночастицы металлов. Чаши царя Ликурга делались из натриевой извести, 
содержащей наночастицы серебра и золота. Цвет чаши менялся от зеленого до 
темно-красного, в зависимости от воздействия света. 

Все природные материалы и системы построены из нанообъектов. Именно 

в интервале наноразмеров, на молекулярном уровне, природа «программирует» 
основные характеристики веществ, явлений и процессов. На рис. 1.1, а и б приведены «
линейки» размеров природных объектов.  

Нобелевский лауреат Херст Штормер высказался: «Нанотехнология дает 

нам средства... играть с самыми маленькими «кубиками природы» – атомами и 
молекулами, из которых построен весь мир. Сочетание уже известных нам методов «
от большого к малому» с самосборкой на атомном уровне создает 
огромное поле возможностей для «игры в комбинаторику» с химическими и 
физическими свойствами при использовании специально полученных искусственных 
структур». 

Профессор химии Джордж Уатсайд Гарвардского университета (1998 г.) 

сказал: «Используя наноустройства, вы можете изготовить запоминающее 
устройство с объемом памяти, эквивалентным тысяче компьютерных дискет и 
размером с наручные часы. В этом устройстве может храниться библиотека на 
всю жизнь... Идеи такого рода могут сильно изменить представления об образе 
жизни». 

Под термином «нанотехнология» понимают создание и использование материалов, 
устройств и систем, структура которых регулируется в нанометровом 
масштабе, т.е. в диапазоне размеров атомов, молекул и надмолекулярных образований. 

а)

Размер, нм

б)

Рис. 1.1. Линейные размеры природных объектов

 

Нанотехнологический подход означает такое же, но целенаправленное, регулирование 
свойств объектов на молекулярном уровне, определяющем фундаментальные 
параметры. 

Фантастические перспективы, которые сулит изготовление материалов и 

устройств на атомном и молекулярном уровне, впервые раскрыл в 1959 г. Нобелевский 
лауреат по физике Ричард Фейнман. Он отметил необходимость создания 
нового класса рабочей и измерительной аппаратуры, требуемой для обращения 
со столь малыми наноразмерными объектами. 

Нанотехнология подразумевает умение работать с такими объектами и создавать 
из них более крупные структуры, обладающие принципиально новой 
молекулярной (точнее, надмолекулярной) организацией. Такие наноструктуры, 
использующие атомно-молекулярные элементы, представляют собой мельчай-
шие объекты, которые могут быть созданы искусственным путем, они характе-
ризуются новыми физическими, химическими и биологическими свойствами и 
связанными с ними явлениями. 

Наноструктуры демонстрируют важную роль в различных областях науки 

и техники (физика, химия, материаловедение, биология, медицина и т.д.). 
Например, было обнаружено, что углеродные нанотрубки на порядок прочнее 
стали, имея при этом в шесть раз меньший удельный вес, наночастицы способ-
ны избирательно проникать в раковые клетки и поражать их и т.д. 

Являются ли наноструктурные материалы и нанотехнологии действитель-

но новыми? Не относятся ли к наноматериалам некоторые из давно известных 
нам веществ? На самом деле, некоторые из давно используемых человечеством 
материалов и процессов фактически связаны с нанотехнологиями. В частности, 
фотография и катализ всегда были основаны именно на «нанопроцессах», вслед-
ствие чего развитие нанотехнологии обещает значительный прогресс именно в 
этих классических разделах науки и техники. 

Во многих существующих технологиях традиционно используются слу-

чайно обнаруженные нанообъекты и нанопроцессы, роль которых в некоторых 
случаях остается неясной до сих пор. 

Например, давно известно, что добавление в каучук небольшого количе-

ства неорганических глин существенно улучшает характеристики получаемой 
резины. Как оказалось, нанометровые частицы глины прочно связывают концы 
полимерных цепочек или «нитей». В этом простом процессе фактически обра-
зуется композиционный материал резина + глина, что наглядно демонстрирует 
возможности использования нанотехнологии в сложных системах. 

В развитии нанотехнологий можно выделить три направления: 

– изготовление устройств и систем с нанотранзисторами и другими актив-

ными элементами, размеры которых сравнимы с размерами единичных молекул 
и атомов; 

– непосредственное манипулирование атомами и молекулами, сборка из них 

всевозможных материалов с изначально заданными свойствами («зонная инже-
нерия»); 

– разработка и изготовление наномашин (механизмов, роботов) величиной с 

молекулу, способных на принципах самоорганизации воспроизводить себе по-
добных. Основы теории наноэлектронных устройств рассматриваются в работах 
[1-8] 

1.2. Классификация нанообъектов 
Классификацию нанообъектов  можно проводить по разным признакам, 

например,  по геометрическому признаку нанообъекты можно классифициро-
вать по-разному. Одни исследователи предлагают характеризовать мерность 
объекта количеством измерений, в которых объект имеет макроскопические 

размеры. Другие берут за основу количество наноскопических измерений. 
Классификация нанообъектов по их мерности важна не только с формальной 
точки зрения. Геометрия существенно влияет на их физико-химические свой-
ства. Круг объектов, исследуемых нанохимией, непрерывно расширяется. Хи-
мики стремятся понять, в чем состоят особенности тел нанометровых размеров. 
В 80-90-х гг. XX века, благодаря методам электронной, атомно-силовой и тун-
нельной микроскопии, удалось наблюдать за поведением нанокристаллов ме-
таллов и неорганических солей, белковых молекул, фуллеренов и нанотрубок, а 
в последние годы такие наблюдения стали массовыми. Рассмотрим особенно-
сти строения и поведения некоторых наночастиц. 

Наночастицы из атомов инертных газов являются самыми простыми 

нанообъектами. Атомы инертных газов с полностью заполненными электрон-
ными оболочками слабо взаимодействуют между собой посредством сил Ван-
дер-Ваальса. При описании таких частиц применяется модель твердых шаров 
(см. рис. 1.2). 

 

Рис. 1.2. Наночастицы из атомов аргона 

 

Энергия связи, то есть энергия, затрачиваемая на отрыв отдельного атома 

от наночастицы, очень мала, поэтому частицы существуют при температурах не 
выше 10–100 К.  

Наночастицы металлов. В металлических кластерах из нескольких ато-

мов может быть реализован как ковалентный, так и металлический тип связи, 
как показано на рис. 1.3. 

 

 

Рис. 1.3. Наночастицы, состоящие из атомов платины  

(светлые сферы) и меди (темные сферы)  

Наночастицы металлов обладают большой реакционной способностью и 

часто используются в качестве катализаторов. Наночастицы металлов обычно 
принимают правильную форму – октаэдра (а), икосаэдра (б), тетрадекаэдра (в), 
в соответствии с рис. 1.4. 

 

а)
б)
в)

 

Рис. 1.4. Возможные формы металлических наночастиц 

 
Фуллерены представляют собой полые внутри частицы, образованные 

многогранниками из атомов углерода, связанных ковалентной связью. Особое 
место среди фуллеренов занимает частица из 60 атомов углерода – C60, напоми-
нающая микроскопический футбольный мяч (см. рис. 1.5).  

 

 

Рис. 1.5. Молекула фуллерена C60 

 

Фуллерены находят широкое применение: в создании новых смазок и ан-

тифрикционных покрытий, новых типов топлива, алмазоподобных соединений 
сверхвысокой твердости, датчиков и красок. 

Нанотрубки – это полые внутри молекулы, состоящие примерно из 

1 000 000 атомов углерода и представляющие собой однослойные трубки диа-
метром около нанометра и длиной в несколько десятков микрон. На поверхно-
сти нанотрубки атомы углерода расположены в вершинах правильных шести-
угольников, в соответствии с рис. 1.6.  

Рис. 1.6. Молекула однослойной нанотрубки 

 

Нанотрубки обладают рядом уникальнейших свойств, благодаря которым 

находят широкое применение преимущественно в создании новых материалов, 
электронике и сканирующей микроскопии.  

Уникальные свойства нанотрубок: высокая удельная поверхность, элек-

тропроводность, прочность – позволяют создавать на их основе эффективные 
носители катализаторов для различных процессов. Например, из нанотрубок 
делают новые источники энергии – топливные ячейки, способные работать в 3 
раза дольше, чем простые батарейки аналогичного размера. При использовании 
подобной ячейки в сотовом телефоне он сможет находиться в режиме ожида-
ния около двух недель – вместо 4 дней, как нынешнее поколение телефонов.  

Удивительные свойства нанотрубок помогают им накапливать и хранить 

водород в молекулярном виде во внутренних полостях – экологичное топливо 
автомобилей будущего. Например, нанотрубки с наночастицами палладия мо-
гут компактно хранить водород в тысячи раз больше своего объема, а значит, 
сделают автомобили более мощными, дешевыми и экологичными. Дальнейшее 
развитие технологии топливных ячеек позволит хранить в них в сотни и тысячи 
раз больше энергии, чем в современных батарейках.  

Ионные кластеры представляют собой классическую картину, характер-

ную для ионной связи в кристаллической решетке хлорида натрия (см. рис. 1.7).  

 

Рис. 1.7. Кластер хлорида натрия 

Если ионная наночастица достаточно велика, то ее структура близка к 

структуре объемного кристалла. Ионные соединения находят применение в со-
здании фотопленок с высоким разрешением, молекулярных фотодетекторов, в 
различных областях микроэлектроники и электрооптики.