Формирование требований к допустимой концентрации атомных дефектов в изделиях наноинженерии

Весь практический опыт человечества свидетельствует в пользу того обстоятельства, что реализация заданного функционального назначения изделия всегда связана с необходимостью обеспечения определенного атомно-молекулярного порядка в материальных средах, используемых для создания изделия. Вопросы взаимосвязи функционального качества изделия с параметрами порядка в используемых материальных средах и допустимой меры атомного беспорядка в упомянутых средах (при создании изделий), всецело находится в сфере профессиональной компетенции конструктора конкретного изделия.

Когда речь идет о традиционных изделиях макроскопического масштаба, то представляется неуместным (и неудобным) вести разговор об упорядоченности материальных сред на уровне атомно-молекулярного рассмотрения. Действительно, в этом случае принято использовать такое представление об упорядоченности сред, как «допуск» на размер элемента конструкции (детали). Например, при токарной или фрезерной обработке конструкционных материалов указанный допуск может составлять величину ± 0.1 мм. При этом запись типа ± 0.1 мм фактически означает, что в производственной практике считается допустимым отклонение от указанного в чертеже геометрического размера не более чем на 10⁶ атомных слоев обрабатываемого материала. Аналогичные рассуждения можно привести и для требований к строгости соблюдения элементного (химического) состава и фазового состояния конструкционных материалов, используемых при создании изделий макроскопического масштаба.

Ситуация изменяется радикальным образом, когда геометрический размер самого изделия составляет по порядку величины ~ 10^{-3 мм (полевой или биполярный транзистор в устройствах микроэлектроники). В этом случае размер некоторых «деталей» такого устройства может составлять 10-4} – 10^{-5 мм, что соответствует количеству, упомянутых выше, атомных слоев: ~ 102} – 10³. Кроме того, функциональное качество такого рода устройства становится крайне чувствительным относительно строгости требований к элементному составу и фазовому состоянию конструкционных материалов.

Едва ли следует детально развивать эти соображения в отношении перспективных изделий наноинженерии, в которых характеристические размеры просматриваются в геометрических пределах: 10^-7 – 10^{-6 мм. Если с некоторой долей условности, представить эти изделия в форме куба с размером грани 10-7} – 10^{-6 мм, то получится, что за функциональное качество этих изделий «отвечает» всего ~ 1 – 103} атомов. Столь малое количество атомов, отводимое для реализации изделия, предполагает использование специфических технологий, обеспечивающих практически достоверное размещение единичных атомов (с точки зрения типа атома и его местоположения) в пределах физического объема изделия.

Эта негативная (с точки зрения производственных интересов) ситуация усугубляется еще и тем обстоятельством, что в перспективе речь идет о создании монолитных твердотельных матриц, содержащих в своем составе 10⁹ – 10¹² автономных структурных элементов, каждый из которых имеет наноразмерный масштаб. При этом сами матрицы элементов уже не являются наноразмерными устройствами, поэтому, следует говорить о производстве в промышленных объемах изделий мезо- и макроскопического размера с атомарным уровнем упорядоченности материальных сред. В последнем случае, нанотехнологии должны обеспечивать возможность достижения атомного уровня упорядоченности материальных сред на площадях поверхности порядка 10^-1 – 10² мм² (при использовании планарного принципа реализации твердотельных функциональных систем).

На уровне интуитивных представлений, становится очевидным, что с увеличением количества предельно допустимых атомных дефектов в изделии происходит уменьшение технологических трудностей, связанных с процессом создания изделия. Ниже рассматривается вероятности выхода годных изделий (в области интересов наноинженерии) в зависимости от предельно допустимого количества атомных дефектов (предельно допустимое количество атомных дефектов устанавливается конструктором на этапе проектирования каждого конкретного типа изделия).

С точки зрения технологической проблематики создания изделий наноинженерии под термином «атомный дефект» следует понимать ошибку в процедуре расстановки индивидуальных атомов определенного типа в заданных точках пространства, расположенных в пределах физического объема изделия. Совокупность этих ошибок может привести к полной потере (или частичному снижению) искомого функционального качества изделия.

В целях упрощения анализа примем формальную модель технологического процесса создания изделия, представленную на рис. 1.2. Назначение технологии состоит в том, что она избирательным образом отбирает из «рабочей среды» атомы определенного типа и расставляет их в заданных точках пространства, в пределах физического объема изделия.

Рис.1.2. Формальная модель технологии производства изделия

В случае отсутствия технологии как таковой, заполнение физического объема атомами происходит абсолютно случайным образом, что исключает возможность достижения функционального назначения изделия. При наличии технологии, процесс создания изделия имеет тем более детерминированный характер, чем выше вероятность расстановки атомов необходимого типа в заданных точках пространства (подробнее этот материал представлен в [15]). Очевидно, что при выполнении условия =1 технология создания изделия имеет полностью детерминированный характер, при котором расстановка индивидуальных атомов в пределах физического объема изделия производится безошибочным образом.

Рассмотрим процедуру расстановки индивидуальных атомов как случайное событие с вероятностями исходов:

· - установлен атом необходимого типа;

· - установлен атом ненужного типа (ошибка технологии!).

В этом случае результат технологического процесса при создании изделия можно представить в виде случайной последовательности совокупности (количество атомов в изделии) независимых случайных событий, связанных с расстановкой индивидуальных атомов в пределах физического объема изделия. Вероятность появления последовательности событий, в которой из индивидуальных размещений, размещений - ошибочные, а - правильные, определяется частной теоремой о повторении опытов [16]:

(1.29)

где - число способов, какими можно из опытов выбрать исходов, в которых произошла ошибка в расстановке атомов.

В табл. 1.7 представлены значения параметра для ряда характерных случаев реализации изделий наноразмерного масштаба ( = 10; 50; 150) при различных вероятностях установки атомов необходимого типа ( = 0.9; 0.999, 0.99999).

Т а б л и ц а 1.7 Зависимость вероятности реализации различных последовательностей от параметров , и .

		- количество ошибочно размещенных атомов
	0.9(5)	0.999	2·10-3	10-6	10-10	10-13	10-17	10-35
0.9(3)	0.861	0.129	9·10-3	5·10-4	10-5	10-7	10-16
0.9(1)	10-7	2·10-6	2·10-5	10-4	4·10-3	10-3	4·10-2
	0.9(5)	0.9(6)	10-4	10-7	10-11	10-15	10-19	10-40
0.9(3)	0.951	0.048	10-3	10-5	10-7	10-9	10-20
0.9(1)	5·10-3	0.028	0.075	0.146	0.181	0.183	0.015
	0.9(5)	0.9(9)	10-4	10-9	10-13	10-18	10-23	10-50
0.9(3)	0.990	0.009	10-5	10-7	10-10	10-13	10-18
0.9(1)	0.349	0.387	0.190	0.058	0.012	0.002	10-10

Примечание: запись вида 0.9⁽⁵⁾ означает число 0.99999.

На основании данных табл. 1.7 можно сформировать ряд общих выводов относительно зависимости выхода годных изделий (при различном уровне требований к степени упорядоченности наноразмерных структур, определяемых параметром ) от сложности структур (параметр ) и избирательности технологии изготовления изделия (параметр ):

· Для наноразмерных изделий с количеством атомов ~ 150:

- вероятность выхода годных изделий при значении избирательности = 0.99999 может достигать = 0.999, реализуя практически безошибочный режим ( = 0) расстановки атомов в пределах физического объема изделия;

- значение параметра равное 0.999 уже не обеспечивает подобного режим безошибочной расстановки атомов (при = 1 вероятность выхода составляет 0.129).

· Уменьшение количества атомов в наноразмерной структуре до уровня ~ 50, обеспечивает приемлемый (с практической точки зрения) выход годных изделий ( = 0) = 0.951 при значении избирательности = 0.999.

· Дальнейшее уменьшение количества атомов в наноразмерной структуре до уровня ~ 10 позволяет обеспечить при = 0.9 достаточно высокий выход изделий = 0.349; 0.387; 0.190 соответственно при значениях параметра = 0; 1; 2.

Представленные выше выводы относительно возможностей реализации единичных изделий наноразмерного масштаба выглядят достаточно оптимистичными с точки зрения производственных интересов. Однако, здесь следует принять во внимание тот негативный факт, что при производстве устройств вычислительной техники (а именно в этой области электронной техники проявлен наибольший интерес к изделиям наноинженерии) речь идет о создании в пределах единого физического объема матриц рассмотренных единичных устройств с количеством элементов порядка 10⁸ - 10¹² на квадратный сантиметр (при планарном типе исполнения интегральных схем). В этом случае достижение приемлемого выхода годных интегральных схем может потребовать использование технологий, обладающих значением параметра ~ 0.99999999 (в настоящее время в микроэлектронике используются технологии с параметрами ~ 0.999999).

Использование частной теоремы о повторении опытов правомерно для случая, когда вероятности размещения индивидуальных атомов одинаковы. Очевидно, что в реальной технологической практике вероятности размещения различных индивидуальных атомов разнятся между собой, и будут зависеть от конфигурации атомного окружения вблизи от размещаемого атома. Этот случай может быть рассмотрен в рамках общей теоремы о повторении опытов [16]. Однако, этот материал не привносит новую физическую сущность, требует более глубокой математической подготовки, и в этой связи его едва ли целесообразно рассматривать в рамках настоящего раздела.

1.3. Общие принципы проведения идеализации реальных объектов и процессов нанотехнологий

1.3.1. Смысловое содержание понятия «идеализация» применительно к физическим системам

Этот раздел носит несколько вспомогательный характер, и включен в настоящее учебное пособие по следующему ряду причин:

· во-первых, процедура идеализации постановки задачи при проведении анализа физических объектов и физико-химических процессов повсеместно и эффективно используется в современной конструкторско-технологической практике создания технических устройств (в том числе микро- и наноразмерного масштабов);

· во-вторых, этот круг материалов в недостаточной мере представлен в существующих учебно-методических источниках, что затрудняет их использование в учебной практике подготовки специалистов высшей школы;

· в-третьих, при внимательном прочтении представленных выше материалов можно заметить, что даже в них использован (как правило, в неявном виде) ряд идеализаций (например: «абсолютно неразличимые», «равновероятность различных микросостояний» и т.п.) облегчающих процесс проведения анализ.

Понятие «идеализация» применительно к точным наукам (математика, физика, химия, биология – дисциплины, с некоторой долей условности, расположены в порядке понижения степени использования формальной аксиоматики) можно трактовать в двух смыслах, достаточно широко используемых в научно-технической практике.

Смысл одного из них, состоит в доведении некоторых признаков объекта до своего «предельного» масштаба (при этом, в ряде случаев, не сообразуясь с реалиями), например, до бесконечного изменения либо в части увеличения, либо в части уменьшения масштаба признака. Таким образом, идеализированное представление объекта (признака) – это доведенное до мыслимого «предела» численное значение рассматриваемого признака. К примеру, при теоретическом анализе реальных объектов (процессов) часто и плодотворно используются сугубо умственные конструкции типа:

§ материальная точка (например: точечный электрический заряд), т.е. объект, по определению не обладающий понятием геометрического размера (имеет место его бесконечное уменьшение, фактически до нулевой протяженности);

§ адиабатический физический процесс (термодинамика), предполагающий полную изоляцию рассматриваемой системы в части ее теплообмена с внешним термостатом (имеет место бесконечное уменьшение теплопроводности границы раздела рабочих сред в системе «объект - термостат»);

§ адиабатический подход (атомная физика) при проведении анализа эволюции атомных систем, предполагающий превышение массы атомного ядра в бесконечное количество раз относительно массы электронов, входящих в состав рассматриваемого атома (поэтому, движение электронов рассматривается в системе «покоящихся» атомов).

Другой смысл, вкладываемый в термин «идеализация», когда речь идет о физических объектах и процессах, имеет более широкий аспект представлений, предполагающих, что идеализация – это обобщение, упрощение, а в ряде случаев, огрубление теоретических представлений о реальном физическом объекте или процессе, нашедшим свое непосредственное отражение в рамках физико-математической модели объекта. Упомянутое огрубление (обобщение, упрощение) преследует цель выделения из всей совокупности факторов (параметров объекта или процесса) тех из них, которые играют доминирующую роль при рассмотрении данного объекта (процесса) с учетом специфики постановки задачи, и при этом умышленно игнорируется влияние всех факторов, играющих второстепенную роль (с точки зрения специфики рассматриваемой задачи).

К примеру, при анализе электрических цепей постоянного тока (доминируют законы Кирхгофа) принято игнорировать фактор температурной зависимости резистивных элементов, полагая при этом, что элементы находятся в штатном режиме эксплуатации (с точки зрения предельно допустимой мощности рассеивания тепловой энергии). Однако, если данный резистивный элемент рассматривается в качестве датчика температуры, то в качестве доминирующих факторов уже выступают известные закономерности и параметры тепловой природы (температурный коэффициент сопротивления, процессы теплопередачи, теплоемкость и т.д.).

Следует отметить, что термин «идеализация» используется в научно-технической практике очень давно как в явном (см. представленные выше примеры), так и в неявном виде. В пользу этого утверждения следует отнести и то очевидное обстоятельство, что даже различные физические «картины мира» (к их числу следует отнести: классическую или квантовую механику, теорию относительности, атомную физику, геометрическую оптику и т.д.) по своей сути тоже являются определенного рода идеализациями, рассматриваемые в более широком масштабном представительстве. Аналогичное утверждение можно сделать в той или иной мере и в отношении ряда других областей научного знания: химии, биологии, лингвистики, теории информации и т.д. При этом разные физические теории («картины мира»), отображая один и тот же объект, прибегают к различным типам идеализации, оттеняя те или иные доминирующие факторы. Поэтому для каждой физической теории существенное (доминирующее) выглядит по-разному. Отсюда следует принцип необходимости идеализаций для выявления существенного в чистом виде, кратко называемый «принципом идеализаций».

Резюмируя вышеизложенное, следует отметить, что необходимость идеализации физических объектов состоит в том, что законы теории призваны отображать существенные моменты для исследуемых объектов (процессов). А выявление этих моментов представляется возможным только лишь при использовании определенных идеализаций, которые и позволяют при проведении теоретического анализа отвлечься от массы несущественных факторов, и, в результате - выделить физическую суть объекта (явления) в чистом виде.

Ниже представлен ряд конкретных примеров проведения идеализации физических объектов и процессов, раскрывающих общие принципы процедуры огрубления (обобщения, упрощения) и представляющих определенный интерес с точки зрения тематической направленности настоящего учебного пособия.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: