Unit 4.
Topical Vocabulary
To refer to – относиться к ч-л.
the branch of science – раздел науки
to devote to – посвящать ч-л.
to manipulate atoms and molecules – управлять атомами и молекулами
incidentally – случайно
intentionally – специально, намеренно
to be beneficial – быть выгодным, полезным
to make impact on – оказывать влияние на ч-л.
to have impact on – иметь влияние на ч-л.
environmental pollution – загрязнение окружающей среды
health risk – опасность, риск для здоровья человека
protection against – защита от…
environmental agent – фактор окружающей среды
to expose – использовать, применять
immune and inflammatory systems – иммунная и воспалительная системы
to disperse – распространять
coating – покрытие
to pose a risk for – быть угрозой для ч-л.
What is nanotechnology?
Nanotechnology refers to the branch of science and engineeringdevoted to designing, producing, and using structures, devices, and systems by manipulating atoms and molecules at nanoscale, i.e. having one or more dimensions of the order of 100 nanometres (100 millionth of a millimetre) or less. In the natural world, there are many examples of structures with one or more nanometre dimensions, and many technologies have incidentally involved such nanostructures for many years, but only recently has it been possible to do it intentionally.
Many of the applications of nanotechnology involve new materials that have very different properties and new effects compared to the same materials made at larger sizes. This is due to the very high surface to volume ratio of nanoparticles compared to larger particles, and to effects that appear at that small scale but are not observed at larger scales.
The applications of nanotechnology can be very beneficial and have the potential to make a significant impact on society. Nanotechnology has already been embraced by industrial sectors, such as the information and communications sectors, but is also used in food technology, energy technology, as well as in some medical products and medicines. Nanomaterials may also offer new opportunities for the reduction of environmental pollution.
But these new materials may also present new health risks. Humans have developed mechanisms of protection against various environmental agents of different sizes. However, until recently, they had never been exposed to synthetic nanoparticles and their specific characteristics. Therefore the normal human defence mechanisms associated with, for example, immune and inflammatory systems may well not be able to respond adequately to these nanoparticles. In addition, nanoparticles may also disperse and persist in the environment, and therefore have an impact on the environment.
As far as health risks are concerned, there are two types of nanostructure to consider:
- those where the structure itself is a free particle, called free nanoparticles, which is the group of greater concern; and
- those where the nanostructure is an integral part of a larger object, for instance, materials with coatings composed of nanomaterials. However, as long as the nanoparticles are fixed to the carrier, there is no reason to suppose that they pose a greater risk for health or the environment than the larger scale materials.
Нанотехнология относится к отрасли науки и техники, посвященной проектированию, производству и использованию структур, устройств и систем, манипулируя атомами и молекулами в наномасштабе, то есть имея один или несколько измерений порядка 100 нанометров (100 миллионных миллиметров) или менее. В естественном мире существует много примеров структур с одним или несколькими нанометровыми размерами, и многие технологии случайным образом задействовали такие наноструктуры на протяжении многих лет, но только недавно было возможно сделать это намеренно.
Многие из применений нанотехнологий связаны с новыми материалами, которые обладают очень разными свойствами и новыми эффектами по сравнению с теми же материалами, что и в больших размерах. Это связано с очень высоким отношением поверхности к объему наночастиц по сравнению с более крупными частицами и с эффектами, которые появляются в этом небольшом масштабе, но не наблюдаются в больших масштабах.
Применение нанотехнологий может быть очень полезным и потенциально может оказать значительное влияние на общество. Нанотехнологии уже охвачены промышленными секторами, такими как сектор информации и коммуникации, но также используются в пищевой промышленности, энергетических технологиях, а также в некоторых медицинских продуктах и медикаментах. Наноматериалы также могут предложить новые возможности для снижения загрязнения окружающей среды.
Но эти новые материалы могут также представлять новые риски для здоровья. Люди разработали механизмы защиты от различных экологических агентов разных размеров. Однако до недавнего времени они никогда не подвергались воздействию синтетических наночастиц и их специфических характеристик. Поэтому нормальные механизмы защиты человека, связанные с, например, иммунными и воспалительными системами, вполне могут не адекватно реагировать на эти наночастицы. Кроме того, наночастицы могут также рассеиваться и сохраняться в окружающей среде и, следовательно, влиять на окружающую среду.
Что касается рисков для здоровья, существует два типа наноструктуры:
• те, в которых сама структура является свободной частицей, называемой свободными наночастицами, которая представляет собой группу, вызывающую большую озабоченность; а также
• те, где наноструктура является неотъемлемой частью более крупного объекта, например материалов с покрытиями, состоящими из наноматериалов. Однако, пока наночастицы закреплены на носителе, нет оснований полагать, что они представляют больший риск для здоровья или окружающей среды, чем материалы большего масштаба.
UNIT 5.
Topical Vocabulary
A copper wire – медный провод
a silicon transistor – кремниевый полупроводниковый триод
to assemble – собирать, формировать
to pattern – структурировать, моделировать,
to make useful – сделать полезным
to be attractive for – перспективный, интересный для…
durability – стойкость, прочность
a metallic wire – металлический провод
promising – перспективный
to be similar to – быть похожим на…
a silicon channel – полупроводниковый канал
to replace – заменять
to fabricate – изготавливать
band gap energy – энергия свободного электрона
back gate – задний затвор
top gate – передний затвор
substrate – металлическая основа, субстрат
to have advantages \ disadvantages over – иметь преимущества \ недостатки перед ч-л.
an ability to smth – способность к ч-л.
gate oxide – оксидный слой затвора
conduction – электрическая проводимость
a conventional gate – стандартный затвор
Text 1. Technologies
The fundamental element of any nano-electronic circuit is the devices used to build it. For current VLSI systems these include silicon transistors and copper wires. For nano-electronics, it appears that the copper wires will be replaced by either carbon nanotubes (CNT) or silicon nanowires (SNW). The move to CNT or SNW is because they can be chemically assembled at much smaller sizes than copper wires can be patterned with lithography.
Carbon Nanotubes
Carbon nanotubes (CNT) are cylindrical carbon molecules that exhibit unique properties, making them potentially useful in areas including nano-electronics, materials, and optics. Their structure gives the nanotubes extraordinary strength, which is attractive for materials use, and can also increase the durability of a nano-electronic circuit over other materials. Nanotubes also possess electrical properties that make them attractive as nano-electronics wires and devices: they can behave as metallic wires or as semiconductors, depending on their structure.
CNT electrical devices
Currently, the most promising use of semiconducting CNTs is as a transistor component. Сarbon nanotube field effect transistors (CNTFET) appear very similar to MOSFETs (metal oxide semiconductor field effect transistors), with the silicon channel replaced with a CNT. Most of the CNT transistors have been fabricated with SWCNTs (single-walled carbon nanotubes) because their band gap energy is in the range of a semiconductor.
Two varieties of CNT transistors have been fabricated. The use of back gate is easier to fabricate, but it has the disadvantage of not being able to control the individual transistor because the substrate is shared between all transistors.
The other variety uses a gate that is over the top of the CNT. These so-called second-generation CNT transistors have two advantages over their counterparts with a back gate. The most obvious advantage is the ability to individually control the FETs because the gates are isolated. The gate on top also allows for a thinner gate oxide, which means that the controlling voltage can be lower. A back gate uses the substrate to control the conduction through the CNT, while a top gate uses a conventional gate that covers the CNT (channel).
Основным элементом любой наноэлектронной схемы являются устройства, используемые для ее создания. Для современных систем СБИС они включают в себя кремниевые транзисторы и медные провода. Для наноэлектроники кажется, что медные провода будут заменены либо углеродными нанотрубками (CNT), либо кремниевыми нанопроводами (SNW). Переход на CNT или SNW заключается в том, что они могут быть химически собраны на гораздо меньших размерах, чем медные провода могут быть выполнены с литографией.
1. Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (CNT) представляют собой цилиндрические молекулы углерода, которые обладают уникальными свойствами, что делает их потенциально полезными в областях, включая наноэлектронику, материалы и оптику. Их структура дает необычайную прочность нанотрубок, которая привлекательна для использования материалов, а также может увеличить долговечность наноэлектронной схемы над другими материалами. Нанотрубки также обладают электрическими свойствами, которые делают их привлекательными в качестве проводов и устройств для наноэлектроники: они могут вести себя как металлические провода или полупроводники в зависимости от их структуры.
Электрические устройства CNT
В настоящее время наиболее перспективным применением полупроводниковых УНТ является транзисторный компонент. Полевые транзисторы с углеродной нанотрубкой (CNTFET) очень похожи на полевые транзисторы с полевым эффектом на основе оксидов металлов (оксид полупроводников полупроводников), а кремниевый канал заменен на CNT. Большинство транзисторов УНТ были изготовлены с помощью УЗНТ (однослойные углеродные нанотрубки), потому что их энергия запрещенной зоны находится в области полупроводника.
Сформированы две разновидности УНТ-транзисторов. Использование задних ворот легче изготавливать, но у него есть недостаток, заключающийся в том, что он не может управлять отдельным транзистором, потому что субстрат разделяется между всеми транзисторами.
В другом разнообразии используются ворота, расположенные над верхней частью CNT. Эти так называемые транзисторы второго поколения CNT имеют два преимущества по сравнению с их коллегами с задними воротами. Наиболее очевидным преимуществом является возможность индивидуального управления полевыми транзисторами, поскольку ворота изолированы. Затвор сверху также допускает более тонкий оксид затвора, что означает, что управляющее напряжение может быть ниже. Задние ворота используют подложку для управления проводимостью через CNT, в то время как верхние ворота используют обычный затвор, который закрывает CNT (канал)
Text 2.
Topical Vocabulary
ballistic transport – баллистический перенос
to investigate – исследовать, изучать
backscattering – обратное излучение
to take advantage – воспользоваться преимуществом
a non-volatile memory device – устройство постоянной памяти
to overcome hurdles – преодолеть препятствия
feasible – допустимый, выполнимый
to bias the process – отрицательно влиять на процесс
catalytic chemical vapor deposition – каталитическое химическое осаждение из паровой фазы
chirality – хиральность
to devise a method for – разрабатывать метод для ч-л.
CNT based transistors have promising enough characteristics to prompt companies such as Intel, NEC and IBM to investigate them as replacements for modern transistors. The first advantage is the small size of the CNT. The small diameter of the CNT means that all parts of the channel are close to the gate, and they are easier to control.
Another advantage of using CNTs is that they exhibit ballistic transport of electrons because of the tube structure. Since all of the atoms in the tube are bonded to the same number of neighbors, there is no electron backscattering. Another promising application that takes advantage of CNTs strength properties instead of their electrical properties is as non-volatile memory devices. The first proposal was an array of SWCNTs with contacts at one end of each CNT.
Despite the many good qualities of CNTs, many hurdles must still be overcome before devices built with this technology are feasible. Most of these issues surround the fabrication of the CNTs. One problem is that while it is possible to bias the process to produce more of one kind of CNT (semiconducting or metallic), all methods of fabrication produce some of both. A method has been developed to separate the two varieties, but requires suspending the CNTs in a solution. This will not work for CNTs that are grown in place with CCVD, and since CCVD (catalytic chemical vapor deposition) is likely the best solution for getting CNTs arranged into some kind of structure, putting the CNTs into solution seems impractical.
Other aspects of fabrication that are not currently controllable include the diameter and the chirality of the nanotube. Since chirality and diameter affect the electrical properties of the nanotubes, and uniform device characteristics are critical to circuit design, it is very important to devise a method for obtaining consistent nanotubes.
Транзисторы на основе CNT обладают многообещающими характеристиками, чтобы побудить такие компании, как Intel, NEC и IBM, исследовать их как замену для современных транзисторов. Первым преимуществом является небольшой размер УНТ. Небольшой диаметр CNT означает, что все части канала находятся близко к воротам, и их легче контролировать.
Другим преимуществом использования УНТ является то, что они проявляют баллистический перенос электронов из-за структуры трубки. Поскольку все атомы в трубе связаны с одним и тем же числом соседей, электронное обратное рассеяние отсутствует. Другим перспективным приложением, которое использует преимущества прочностных свойств УНТ вместо их электрических свойств, является энергонезависимое запоминающее устройство. Первым предложением был массив SWCNT с контактами на одном конце каждого CNT.
Несмотря на много хороших качеств УНТ, многие препятствия еще предстоит преодолеть, прежде чем устройства, построенные с использованием этой технологии, осуществимы. Большинство из этих вопросов окружают изготовление УНТ. Одна из проблем заключается в том, что, хотя можно смещать процесс получения большего количества одного типа УНТ (полупроводникового или металлического), все методы изготовления производят некоторые из них. Был разработан метод разделения этих двух сортов, но требует приостановки УНТ в растворе. Это не будет работать для УНТ, которые выращиваются на месте с CCVD, и поскольку CCVD (каталитическое химическое осаждение из паровой фазы), вероятно, является наилучшим решением для получения УНТ в какой-то структуре, превращение CNT в решение кажется непрактичным.
Другие аспекты изготовления, которые в настоящее время не контролируются, включают диаметр и хиральность нанотрубки. Поскольку хиральность и диаметр влияют на электрические свойства нанотрубок, а одинаковые характеристики устройства имеют решающее значение для проектирования схем, очень важно разработать метод получения согласованных нанотрубок.
Unit 6.
Text 1.
Topical Vocabulary
Semiconducting nanowires – полупроводниковые нанопровода
interconnect wires – внутренние соединительные кабели
to carry signals – передавать сигналы
vaporized nanowire materials – парообразные полупроводниковые материалы
dopant - примесь
to absorb – впитывать, поглощать
to saturate – наполнять, насыщать
laser ablation – удаление воздействием лазерного излучения
vapor - пар
iron/silicon seed – железные\кремниевые зерна
to determine – определять, обуславливать
to be composed of – состоять из ч-л.
uniform diameter nanowire – однотипные диаметральные нанопровода
boron - бор
phosphorus – фосфор
Semiconducting Nanowires.
Semiconducting nanowires (NWs), like CNTs, can be used as interconnect wires to carry signals as well as be used as an active device. While one CNT is either an active device or a wire, a single NW can be both an active device and an interconnect wire. NWs are long thin wires made up of semiconducting materials, such as silicon or germanium that have been fabricated with a diameter as small as 3nm and a length of up to hundreds of micrometers.
If a nanowire is going to be used as a semiconductor, the method of growth should have enough control that the dopant levels of the nanowire can be controlled along its length. One such method of controlled growth is VLS (vapor-liquid-solid). VLS growth is a method of growing crystalline structures using a liquid catalyst or seed such as gold or iron. The catalyst is in a chamber with vaporized nanowire materials (silicon or germanium plus a possible dopant). The liquid catalyst absorbs the vaporized materials until it becomes supersaturated, at which point a solid crystal begins to form. The nanowire will continue to grow until the catalyst is cooled and becomes solid, or the vaporized crystalline material is used up.
Laser ablation is used to vaporize an iron and silicon target. The hot vapor condenses in a liquid catalyst, and the temperature is kept such that the iron/silicon seed remains liquid. The silicon nanowire grows as the catalyst absorbs more silicon and becomes saturated. The size of the catalyst determines the diameter of the nanowire. The catalysts are composed of metals such as gold or iron, and can be created with laser ablation of a target that contains both the metal and the nanowire material. Laser ablation has been shown to create very uniform diameter catalysts, which in turn creates uniform diameter nanowires. This provides relatively uniform electrical characteristics. When dopant materials such as boron or phosphorus are added to the vapor, the nanowire will become semiconducting.
Полупроводниковые нанопроволки (NW), такие как УНТ, могут использоваться в качестве соединительных проводов для передачи сигналов, а также для использования в качестве активного устройства. В то время как один УНТ является либо активным устройством, либо проводом, одно СЗ может быть как активным устройством, так и соединительным проводом. NW - это длинные тонкие провода, состоящие из полупроводниковых материалов, таких как кремний или германий, которые были изготовлены с диаметром до 3 нм и длиной до сотен микрометров.
Если нанопроволока будет использоваться в качестве полупроводника, метод роста должен иметь достаточный контроль над тем, чтобы уровни легирующей примеси нанопроволоки можно было контролировать по своей длине. Одним из таких методов контролируемого роста является VLS (пар-жидкость-твердое вещество). Рост VLS представляет собой способ выращивания кристаллических структур с использованием жидкого катализатора или семян, таких как золото или железо. Катализатор находится в камере с испаренными нанопроволочными материалами (кремний или германий плюс возможная легирующая примесь). Жидкий катализатор поглощает испаренные материалы до тех пор, пока они не пересыщаются, и в этот момент начинает образовываться твердый кристалл. Нанопровод будет продолжать расти до тех пор, пока катализатор не охладится и не станет твердым, или испаряется кристаллический материал.
Лазерная абляция используется для испарения железной и кремниевой мишеней. Горячий пар конденсируется в жидком катализаторе, и температура поддерживается таким образом, что семя железо / кремний остается жидким. Силиконовая нанопроволока растет, когда катализатор поглощает больше кремния и становится насыщенным. Размер катализатора определяет диаметр нанопровода. Катализаторы состоят из металлов, таких как золото или железо, и могут быть созданы с лазерной абляцией мишени, которая содержит как металл, так и материал нанопроволоки. Было показано, что лазерная абляция создает катализаторы с очень однородным диаметром, что, в свою очередь, создает нанопроволоки однородного диаметра. Это обеспечивает относительно однородные электрические характеристики. Когда к парам добавляются легирующие материалы, такие как бор или фосфор, нанопроволока станет полупроводниковой.