MEHANIČKE KARAKTERISTIKE MATERIJALA

BIOMATERIJALI

NOVI MATERIJALI I PRIMENE

Еlektrotehnički fakultet, Beograd, 2016.

Materijali u elektrotehnici

MEHANIČKE KARAKTERISTIKE MATERIJALA Mehanička ispitivanja sa razaranjem

• Ispitivanja statičkim dejstvom sile – zatezanjem, utiskivanjem, puzanjem, savijanjem, izvijanjem,

uvijanjem, smicanjem • Ispitivanja dinamičkim dejstvom sile

– utiskivanjem, udarom, zamaranjem

• Tehnološka ispitivanja – izvlačenjem limova, savijanjem, naizmeničnim previjanjem,

uvijanjem ili namotavanjem žice, kovanjem, sabijanjem, određivanjem sposobnosti lemljenja

~eljust

~eljust

epruveta

F

F

loSo

Ispitivanje zatezanjem

100 [%]o

o

l ll

ε −= ⋅

Kidalica sa epruvetom za ispitivanje zatezanjem

Zavisnost F(l) zavisi od dimenzija epruvete, pa zato ne predstavlja karakteristiku samog materijala. Rezultati testa važiće za sve veličine i oblike epruveta datog materijala ako se umesto sile prikazuje normalni napon (σ), a umesto dužine relativno izduženje (ε):

2

0[N/m ]F

Sσ =

Čeljust

Čeljust

σm

σgσdσe

σk

∆σ∆ε

σ0,2

σ = σm k

E =∆σ∆ε

~5%

0,2% ~30% ~50%

~15%

(a)

(b) (c)

εk ≥ 20% ε(%)

ε(%) ε(%)

σ( )Nmm2

σ( )Nmm2 σ( )N

mm2

Dijagrami normalni meganički napon-relativno izduženje za (a) elastično-plastične, (b) plastične i (c) krte materijale

Pri dizajniranju komponente treba voditi računa da se ona ne deformiše plastično. Zato mora da se odabere materijal koji ima visoku granicu elastičnosti σe, kako bi primenjena sila proizvela napon ispod ove granice. S druge strane, ako se izrađuju oblici ili komponente nekim procesom plastične deformacije, primenjeni napon mora da prevazilazi granicu elastičnosti da bi se proizvela stalna promena oblika materijala.

Zatezna čvrstoća

Napon kidanja Granica elastičnosti

Hukov zakon elastičnosti: σ = EY ε Elastičnost ~ 1/EY

Krutost ~ EY

Plastičnost ~ εk Čvrstoća ~ σe Tvrdoća ~ σm (otpornost na utiskivanje) Žilavost ~ površini ispod krive σ(ε) (otpornost na udarna opterećenja) Krtost ~ 1 / Žilavost (za detalje videti odeljak 5.7.1. u knjizi prof. Rakovića)

Ispitivanje tvrdoće

Brinelov test

Brinelov test tvrdoće Rokvelov i Vikersov test

Ispitivanje žilavosti

Šarpijev test žilavosti

Žilavost po Šarpiju ρ definiše se kao rad koji je potrebno utrošiti po jedinici površine poprečnog preseka epruvete, da bi se epruveta kvadratnog poprečnog preseka slomila jednim udarom.

( ) ( )2

2 2

2kp mm F FHBS D D D dπ

= =− −

2 2N/mm 3,45 kp/mmm HBσ =

( )1 2 1 2[ ] cos cosA J mgh mgh mgR α α= − = −

2[J/cm ]o

AS

ρ =

Inženjering mehaničkih karakteristika metala za cilj ima kontrolu kretanja dislokacija u metalu pri deformaciji, što se ostvaruje prisustvom drugih dislokacija, granica zrna, tačkastih defekata i granica faza. Onse može postići: 1) hladnom deformacijom (kontroliše se broj dislokacija, kao i veličina i broj polikristalnih zrna u metalu) 2) termičkom obradom i legiranjem (kontroliše se veličina i oblik zrna, broj tačkastih defekata, i/ili finoća i raspodela različitih faza metalnih legura). Inženjering mehaničkih karakteristika materijala hladnom deformacijom Ojačavanje metala hladnom deformacijom ima za cilj povećanje čvrstoće materijala i ostvaruje se povećavanjem broja dislokacija, koje se pojavljuju kao prepreke kretanju drugih dislokacija, odnosno kao prepreke trajnoj deformaciji metala. Istovremeno se metal oblikuje i ojačava. Specifična električna provodnost neznatno se smanjuje, dok se čvrstoća znatno povećava (za razliku od slučaja legiranja metala primesama, kada se provodnost znatno menja): zato se bakar i aluminijum isključivo ojačavaju procesom deformacije na hladno (izvlačenje žica). Hladnom deformacijom se, međutim, u matrijal uvode anizotropija i zaostali naponi. Žarenje je termički tretman kojim se delimično ili potpuno eliminišu efekti deformacije na hladno, čime se prethodno hladno deformisani metal vraća u manje ili više meko, plastično stanje. Time se kontroliše stepen ojačavanja metala. (Videti deo odeljka 6.2.5. u knjizi koji se odnosi na hladnu deformaciju i žarenje.)

Ojačavanje hladnom deformacijom zahteva od metala značajnu prethodnu plastičnost. Ako se na metal primeni napon σ1, veći od granice elastičnosti σe, posle uklanjanja napona biće prouzrokovana stalna deformacija ε1 (slika (a)). Ako se posle toga metal testira, dobiće se drugačiji dijagram σ(ε) (grafik punom linijom na slici (b)). Uzorak će sada imati povećanu granicu elastičnosti, do nivoa jednakog prethodnom naponu plastične deformacije (σ1e = σ1). Pri svakoj narednoj plastičnoj deformaciji, granica elastičnosti postaje jednaka prethodnom naponu plastične deformacije, pri čemu se u narednim ciklusima sve više povećavaju granica elastičnosti i zatezna čvrstoća, dok se plastičnost i žilavost smanjuju (smanjuju se εk i površina ispod krive). Metal se na taj način može ojačavati sva dok se granica elastičnosti, zatezna čvrstoća i napon kidanja ne izjednače (σe = σm = σk), kada praktično više nema plastičnosti metala i on postaje krt (slika (c)).

Prikaz ojačavanja hladnom deformacijom na dijagramu napon-relativno izduženje

Inženjering mehaničkih karakteristika keramika (kontrolom kretanja pukotina u keramici pri deformaciji – postizanjem maksimalne gustine, povećanjem broja mikropukotina) Inženjering mehaničkih karakteristika polimera (kontrolom kretanja lanaca u polimeru pri deformaciji – sintezom dužih lanaca, rastezanjem lanaca, kristalizacijom polimera, umrežavanjem polimernih lanaca) Inženjering mehaničkih karakteristika kompozita (kontrolom kretanja dislokacija, pukotina ili lanaca pri deformaciji – u žilavoj matrici čestičnih, vlaknastih ili slojevitih kompozita)

• Biomaterijali obuhvataju široku klasu materijala za primenu u medicini i stomatologiji: metalne biomaterijale, keramičke i staklaste biomaterijale, ekonomične i skuplje nedegradabilne sintetičke polimere, kompozitne biomaterijale, biodegradabilne polimere, bioderivativne polimere i tkiva, pasivne i bioaktivne prevlake.

• Oblast biomaterijala doživela je veliku ekspanziju u poslednje tri decenije. Tokom ovog perioda pokazala se plodotvornom multidisciplinarna saradnja specijalista iz različitih oblasti: medicine, biologije i tehnologije materijala, uz primenu biomaterijala sa specifičnim zahtevima. Danas postoje mnoga univerzitetska odeljenja i nastavni programi posvećeni biomaterijalima, kao i centri za istraživanje i inženjering biomaterijala. Paralelno sa istraživanjima i edukacijom, razvilo se na hiljade kompanija za implementaciju biomaterijala u biomedicinske naprave, lekove i pribor.

• Procenjuje se da tržište biomaterijala vredi oko 100 milijardi dolara samo u SAD, dok Japan zbog eksponencijalnog rasta tržišta biomaterijala čak ugrožava SAD, a i Evropska unija investira veliki novac u ovu oblast.

BIOMATERIJALI

• Mnogobrojni biomaterijali i medicinski pribor danas se uobičajeno koriste kao implantati u dentalnoj, ortopedskoj, kardiovaskularnoj, oftalmološkoj, i rekonstruktivnoj hirurgiji. Uspešno se upotrebljavaju i u intervencijama, kao što su angioplastika (stentovi) i hemodijaliza (membrane), za medicinski pribor, kao što su hirurški konci ili bioadhezivi, kateteri, konektori, cevi, kutije i kućišta, ali i kao naprave za kontrolisano oslobađanje lekova. Većina implantata dobro služi njihovim nosiocima za određeni period u svrhu za koju su i namenjeni.

• Međutim, neki implantati i vantelesne naprave neizostavno stvaraju komplikacije, bilo kao posledica zapaljenja, infekcije, interakcije u vidu neželjenih (alergijskih ili toksičnih) reakcija, ili usled zatajivanja rada naprava, što može prouzrokovati razne štetne posledice (tromboza ili tromboembolija), pa čak i smrt nosioca (masivni infarkt). Komplikacije su najčešće rezultat interakcija biomaterijal-tkivo, koje se javljaju na mestu ugradnje svakog materijala, mada mogu imati i sistemski ili opšti karakter. Efekti implantata na tkivo domaćina i živog tkiva na implantat podjednako su važni i za izbegavanje mogućih komplikacija i za sprečavanje lošeg rada ili otkazivanja naprava.

• Generalno, za primenu biomaterijala osnovni zahtevi koji se postavljaju su: biokompatibilnost sa tkivom, mehanički kontinuitet sa okolnim koštanim tkivom, netoksičnost biomaterijala ili njihovih produkata pri degradaciji, i što niža cena.

• Pored toga, za specifične primene dodatni zahtevi su: bioaktivnost (za ubrzavanje rasta prelomljene kosti, regeneraciju pokidanog nerva, sprečavanje upalnih procesa, ...), biodegradacija (hirurškog konca, naprava za fiksiranje u rekonstruktivnoj hirurgiji, "kostura" za ćelije koje regenerišu oštećene ili obolele organe, kapsula za kontrolisano postupno oslobađanje lekova u telu, ...), otpornost na infekcije (posebno na mestima prodora naprave kroz kožu: kateteri, dovodi za napajanje veštačkog srca krvlju, ... - što se sprečava inkorporiranjem antimikrobnih hemikalija i antibiotika u takvim biomedicinskim napravama), trombootpornost (za naprave u kontaktu sa krvlju: veštačke arterije, srčani zalisci, ... - što se postiže kontrolom površine naprava, bioaktivnim slojevima, ...), propustljivost i difuzibilnost (membrana vantelesnih naprava i veštačkih organa, ...)

Primena biomaterijala

U Tabeli 7.1 je dat pregled biomaterijala i njihovih primena.

Metalni biomaterijali (v. Tabl. 7.1) klasični su biomaterijali od kojih najbolja svojstva imaju Ti i Ti-legure, zbog odlične otpornosti na koroziju, biokompatibilnosti i manje krutosti (koja omogućava najbolji prenos mehaničkih naprezanja njihovih implantata na kosti), dok TiO2 na površini ima bioaktivna svojstva i indukuje rast nove kosti. Odlična mehanička i biokompatibilna svojstva imaju i CoCr-legure, dok se nerđajući čelici danas napuštaju zbog nedovoljne otpornosti na koroziju, i efekata hipersenzitivnosti organizma na Ni izdvojen iz čelika.

Keramički i staklasti biomaterijali (v. Tabl. 7.1) imaju bioaktivna svojstva, indukujući rast nove kosti, pa se često primenjuju kao prevlake na Ti ili Ti-legurama, jer su same keramike relativno krte i neotporne na mehaničke udare! Ipak, tamo gde nema značajnih dinamičkih opterećenja primenjuju se i za koštane implantate, posebno gde se zahteva velika tvrdoća i otpornost na habanje (zglobovi veštačkog kuka). Posebno treba istaći ugljenične materijale zbog izrazito visoke biokompatibilnosti, inertnosti i stabilnosti.

Materijal Primena Metalni biomaterijali CoCr-legure Matrice srčanih zalizaka i osovine zglobnih implantata Nitinolske legure (sa memorisanjem oblika)

Ortopedska žica

Nerđajući čelici Ortopedska žica Ti i Ti-legure Ortopedska žica i zubni implantati

Keramički i staklasti biomaterijali Al-, Ca- i P-oksidi Degradabilni punioci kosti, stimulatori koštanog rasta Biostaklo Bioaktivno P-Ca staklo, ortopedske prevlake Staklaste keramike Inkapsulacija implantabilne medicinske elektronike Kompaktna alumina (Al2O3) Kuglica veštačkog kuka Hidroksiapatiti Bioaktivna keramika, ortopedske prevlake, punioci kosti Staklasti ugljenik Vlakna za ortopedske kompozite Pirolitički ugljenik (izotropni niskotemper.)

Srčani zalisci, zubni implantati

Ugljenik (izotropni ultraniskotemper.) Prevlake temperaturno osetljivih polimera

Ekonomični nedegradabilni sintetički polimeri Poliamidi (najlon) Hirurški konci Polikarbonati Materijali kućišta Poliestri Krvni sudovi (bajpasi) Poliformaldehid Matrice srčanih zalizaka Poliolefini Hirurški konci, mreža za herniju Polivinil hlorid (PVC) Cevčice, kese za krv

TABELA 7.1 Pregled biomaterijala i njihovih primena

Ekonomični nedegradabilni sintetički polimeri (v. Tabl. 7.1) odlikuju se strukturnom stabilnošću, relativnom biokompatibilnošću i niskom cenom.

Skuplji nedegradabilni sintetički polimeri (v. Tabl. 7.1) imaju poboljšane karakteristike, koje omogućavaju smanjenje lekova, komplikacija i postoperativnog perioda - čime se kompenzira njihova visoka cena. Njihova osobina je i visoka otpornost na mehanički zamor i kidanje.

Kompozitni biomaterijali (v. Tabl. 7.1) predstavljaju najinteresantnije biomaterijale za reparaciju koštanog tkiva, od kojih su hidroksiapatit/polimer kompoziti najbliži prirodnom koštanom tkivu, a ako je pri tome polimerna (polilaktidna) matrica bioresorbilna ona ustupa mesto novoformiranom koštanom tkivu, što čini ove kompozite ‘živim’ jer se tokom reparacije razvijaju i menjaju. Značajna klasa su i ugljenični kompoziti, sa izvanrednom kombinacijom mehaničkih svojstava (žilavost i tvrdoća) za stomatološke i ortopedske implantate. Vrlo interesantni su i injektabilni kompoziti za rekonstrukciju tvrdog i mekog tkiva, kao i nanokompoziti zbog minimalne iritacije imunog sistema.

Biodegradabilni polimeri (v. Tabl. 7.1) imaju sposobnost postepene degradacije u telu, sa netoksičnim produktima koji se lako izlučuju.

Bioderivativni polimeri (v. Tabl. 7.1) imaju visoku reproduktivnost i biokompatibilnost.

Bioderivativna tkiva (v. Tabl. 7.1) prethodno se procesiraju zbog smanjenja problema odbacivanja stranog tkiva. Primenjuju se zbog visoke biokompatibilnosti, koja međutim vremenom degradira pa dolazi do njihove kalcifikacije; vreme trajanja implantata od ovih materijala je zato ograničeno do deset godina.

Pasivne prevlake (v. Tabl. 7.1) poboljšavaju trombootpornost, ubrzavaju zarastanje rana u rekonstruktivnoj hirurgiji mekih tkiva i smanjuju bolničke primene lekova kroz katetere.

Bioaktivne prevlake (v. Tabl. 7.1) koriste se zbog trombootpornosti, otpornosti na infekcije, adhezije i rasta kostiju, adhezije mekog tkiva, povećane adhezije ćelija, epitela i endotela - usled modifikacije površine.

Skuplji nedegradabilni sintetički polimeri

Fluorougljenici (teflon) Krvni sudovi (bajpasi)

Polimetilmetakrilat (PMMA) Kontaktna sočiva

Hidrogeli Kontaktna sočiva, prevlake katetera

Poliolefinski elastomeri Cevčice, veštački srčani mehurovi

Poliuretani Kateteri, veštački srčani mehurovi

Silikoni Rekonstruktivna hirurgija, cevčice

Kompozitni biomaterijali

Hidroksiapatit-polimer Koštani implantati

Ugljenični kompoziti Ortopedski i zubni implantati

Injektabilni kompoziti Rekonstrukcija tvrdog i mekog tkiva

Biodegradabilni polimeri Umreženi albumin Prevlake krvnih sudova, inkapsulacija ćelija

Umreženi kolagen/želatin Rekonstruktivna hirurgija, prevlake krvnih sudova

Poliaminokiseline Kontrolisano izlučivanje, ćelijski adhezivni peptidi

Polianhidridi Kontrolisano izlučivanje

Polikaprolaktoni Kontrolisano izlučivanje, koštane ploče

Kopolimeri poliaktičko/glikoličkih kiselina

Hirurški konci, koštane ploče

Polihidroksibutirati Kontrolisano izlučivanje, koštane ploče

Poliortoestri Kontrolisano izlučivanje, koštane ploče

Bioderivativni polimeri Citozani Oblaganje rana, kontrolisano lučenje

Kolagen Mekotkivni implantati, prevlake, oblaganje rana

Elastin Prevlake

Umreženi želatin Prevlake veštačkih srčanih mehrova

Pasivne prevlake Albumin Trombootpornost

Alkilni lanci Adsorberi albumina za trombootpornost

Fluorougljenici (teflon) Smanjenje lekova za katetere, trombootpornost

Hidrogelovi Smanjenje lekova za katetere, trombootpornost

Silikoni (bez SiO2) Trombootpornost, poboljšano zaceljivanje rana u rekonstruktivnoj hirurgiji

Bioaktivne prevlake Antikoagulanti (heparin, hirudin) Trombootpornost

Antimikrobanti Otpornost na infekcije

Bioaktivne keramike i stakla Koštana adhezivnost i rast; mekotkivna adhezivnost

Ćelijski adhezivni peptidi i proteini Pojačana ćelijska adhezivnost, epitel, endotel

Negativno površinsko naelektrisanje

Trombootpornost

Trombolitici Trombootpornost

Biomaterijali za veštačku krv (perfluorugljenici, slobodni hemoglobin i lipozomi) takođe pobuđuju posebni interes zbog opasnosti od prenosa virusa (HIV, hepatitis, ...) pri transfuzijama prirodne krvi. Idealna veštačka supstitucija krvi mora zadovoljavati nekoliko potreba: prenosivost kiseonika, univerzalnu transfuzibilnost, viskoznost i koloidne osmotske karakteristike slične prirodnoj krvi, odsustvo biološkog zadržavanja u organima za filtriranje krvi (jetra, slezina), odsustvo toksičnosti za organe, sterilnost, dugotrajnost skladištenja, laka i efikasna proizvodnja!

Glavni problemi materijala za veštačku krv jesu zadržavanje u organima za filtriranje krvi (što dovodi do njihovog oticanja) i toksičnost za neke organe! Ostaje još dosta teškoća koje treba rešiti do primene veštačke krvi, namenjene pre svega pri velikim operacijama, kada osoba gubi više od 1 l krvi, ili 20-25% od ukupne zapremine.

Ekspanzivnim razvojem nanomedicine, primena biomaterijala u bliskoj budućnosti može se očekivati u hibridnim napravama/organima, kao i u kultivaciji organa i tkiva u regenerativne svrhe!

Hibridne naprave i organi će naći primenu zbog kratkog vremena trajanja totalno sintetičkih organa; ovde bi kostur bio od sintetičkih materijala, a okolno tkivo od kultivisanih ćelija za specifične funkcije.

Kultivacija organa je ekstenzija hibridnih organa, sa ciljem potpunog dupliciranja i regeneracije organa kontrolom procesa morfogeneze tkiva.

Očekuje se i znatan progres u adaptaciji mikronskih i submikronskih mikroelektronskih tehnologija za razvoj multikanalnih biosenzora, sa primenom u kompleksnom biološkom okruženju – korišćenjem veštačkih nanostruktura (poput nanočestica i nanonaprava) koje mogu kontrolisano interagovati sa biomolekulima istih veličina, kako na površini tako i unutar ćelije (v. Sliku).

Nanomedicina je primena nanotehnologija u zdravstvu, i čine je tri međusobno povezana pravca: (1) nanodijagnostika; (2) regenerativna medicina; (3) ciljana dostava lekova – čije su perspektive razvoja do 2020. godine prikazane u tabeli.

Nanodijagnostika ima konačan cilj identifikovanja bolesti u što ranijoj fazi, idealno na novou jedne ćelije. Da bi se postigao ovaj cilj treba da se preduzmu aktivnosti u istraživanju i razvoju radi poboljšanja efikasnosti in vivo i in vitro dijagnostike.

Regenerativna medicina je fokusirana na mehanizme vlastitog oporavka tela u preventivi i lečenju hroničnih bolesti, poput dijabetesa, osteoartritisa i degenerativnih oboljenja kardiovaskularnog i centralnog nervnog sistema, i pomoći žrtvama povreda.

Ciljana dostava lekova ima za cilj razvoj novih tehnika dostave lekova radi efikasnijeg transporta leka na mesto bolesti, poboljšane reakcije pacijenata, smanjenja cene zdravstvene nege, ali i zbog identifikovanja novih načina dostave novih klasa medikamenata koji ne mogu biti efikasno dostavljeni konvencionalnim sredstvima.

Silicijumska integrisana kola će prema procenama dostići svoj limit do 2020. godine, kako u pogledu minijaturizacije, tako i brzine rada. Zato je veliki istraživački napor poslednjih godina usmeren u pravcu prevazilaženja ovih limita, i to kako sa stanovišta korišćenja novih mikroelektronskih materijala, tako i sa stanovišta otkrivanja novih principa funkcionisanja aktivnih komponenti.

Sa stanovišta materijala, kao rešenje za prevazilaženje limita brzine rada nametnuo se GaAs i njegove legure, kao i novi materijali velikog energetskog procepa (dijamant, SiC).

Sa stanovišta novih konstrukcija, nameću se nanoelektronska kola (heterospojna, balistička, rezonantna tunelska, memristorska), za koja se takođe koriste GaAs i njegove legure, ali i neki novi materijali.

Osim toga, radikalno rešenje u pogledu materijala i principa funkcionisanja komponenata nameću poslednjih godina i istraživanja sa provodnim polimerima, ugljeničnim nanocevima i grafenom, koja obećavaju ne samo veće brzine rada već i znatno viši stepen minijaturizacije integrisanih kola.

NOVI MATERIJALI I PRIMENE

Na slici je dat šematski prikaz poprečnog preseka jednog GaAs integrisanog sklopa, sastavljenog od unipolarnog MESFET tranzistora, otpornika i kondenzatora. (MESFET je varijanta JFET-a koja kao gejt koristi Šotkijev spoj metal-poluprovodnik, umesto klasičnog p-n spoja.) GaAs kola su isključivo unipolarna, zbog znatno manje pokretljivosti šupljina u odnosu na elektrone u GaAs. Monolitna GaAs kola dobijaju se, slično silicijumskim, korišćenjem planarnih tehnoloških postupaka. Specifičnosti GaAs tehnologije su: (1) poluizolaciona podloga dopirana hromom (koncentracije provodnih elektrona ~ 108 cm−3); (2) protonski bombardovane izolacione oblasti; (3) korišćenje tankoslojnog i veoma kompaktnog Si3N4 za tanke dielektrične slojeve MOS kondenzatora; (4) više složenih nivoa provodnih slojeva (na bazi legura Mo-Au, Ti-Pt-Au i Au-Ge); (5) nedostatak kvalitetnog oksida, zbog čega se koriste JFET unipolarne tranzistorske konstrukcije; (6) korišćenje hemijski deponovanog (npr. CVD) debljeg sloja SiO2 za izolaciju komponenata po površini pločice.

Zbog slabijeg odvođenja toplote sa čipa, GaAs kola teorijski imaju oko 10 puta niži stepen integracije od Si-kola, mada se ovaj problem može ublažiti korišćenjem tankih dijamantskih slojeva na donjoj strani čipova radi lakšeg odvođenja toplote. Ipak, na GaAs-kola otpada samo 0,4% ukupnog obrta novca u mikroelektronici, što je zanemarljivo u odnosu na promet Si integrisanih kola. Razloge treba tražiti u znatno višoj ceni, ali i mogućnostima primene jevtinijih i slabijih Si CMOS procesora u paralelnim arhitekturama superkompjutera, što umanjuje potencijalna brzinska preimućstva pojedinačnih velikih GaAs procesora. Poslednjih godina intenzivno se proučava mogućnost izrade GaAs i InP integrisanih optoelektronskih kola. Do sada se najdalje otišlo u izradi ovih kola na bazi Al1–xGaxAs–GaAs heterospojeva (I generacija optičkih komunikacija) i In1-xGaxAs–InP i (InAs)1–x(GaP)x–InP heterospojeva (II generacija optičkih komunikacija), koji omogućavaju izradu laserskih izvora zbog Eg

dir. Prednosti monolitne integracije optičke komunikacione linije jesu niska cena i visoka produktivnost, kompaktnost i pouzdanost, povećanje brzine i protoka informacija, uz smanjenje šuma, i realizacija novih optičkih naprava sa podesivošću optičkih svojstava.

Znatno brži princip funkcionisanja ostvaren je razvojem nanoelektronskih heterospojnih, balističkih, memristorskih i rezonantnih tunelskih naprava (superrešetke, kvantne žice, kvantne tačke), korišćenjem novih materijala i tehnologija izrade veoma tankih monokristalnih slojeva. Jedna od varijanti heterospojnih tranzistora jeste JFET na bazi heterospoja GaAs–Al1-xGaxAs, gde GaAs ima manji Eg od legure Al1-xGaxAs, i to tako da se pre obrazovanja spoja na energetskoj skali dno provodne zone GaAs nalazi ispod dna provodne zone Al1-xGaxAs legure. Kako je u ovom tranzistoru Al1-xGaxAs legura n-tipa, a GaAs nedopiran, to će provodni elektroni iz Al1-xGaxAs legure prelaziti na energetski niže dno provodne zone u GaAs u blizini heterospoja, dok će jonizovani donorski centri ostati u kristalnoj rešetki Al1-xGaxAs. Time je postignuto prostorno razdvajanje elektrona od jonizovanih donorskih centara, čime je eliminisano rasejavanje elektrona na jonizovanim primesama. Zahvaljujući tome, na nižim temperaturama, gde je redukovan i fononski mehanizam rasejavanja, pokretljivost 2D elektronskog gasa u GaAs povećava se oko 10 puta. Osim velike brzine i gornje granične učestanosti ~ 400 GHz, heterospojni tranzistori imaju i malu disipaciju, a zbog otežanog injektovanja elektrona iz provodne zone GaAs u višeležeću provodnu zonu Al1-xGaxAs ispod drejna (D), imaju i veliku izlaznu otpornost i zato veliko naponsko pojačanje. Integrisana kola na bazi JFET heterospojnih tranzistora danas su moguća zbog visokorazvijene tehnologije kontrolisanog rasta monokristalnih slojeva GaAs i Al1-xGaxAs, tehnikama MBE i MOVPE (eng. Metal-Organic VPE). Ipak, za komercijalna heterospojna integrisana kola potrebno je rešiti tehnološke probleme, poput kvalitetnih omskih kontakata metalnih spojeva sa Al1-xGaxAs legurom. Već se izrađuju i Si1-xGex–Si heterospojni tranzistori, koje je moguće integrisati i sa klasičnim Si-čipovima.

Šematski prikaz poprečnog preseka i ivice provodne zone GaAs-Al1-xGaxAs heterospojnog JFET-a.

Heterospojni JFET se na engleskom skraćeno zove HEMT (High Electron Mobility Transistor).

Oblast u kojoj se nalazi kvazi-2D elektronski gas

(eng. undoped)

~ 10 nm

~ 10 nm

~ µm

Materijali velikog energetskog procepa (dijamant, SiC, BN i drugi III–V nitridi) veoma su interesantni zbog potencijalne mogućnosti primene u energetskoj, visokotemperaturskoj i visokofrekventnoj mikroelektronici iz sledećih razloga: Eg dijamanta (5,6 eV) i SiC (2,86 eV) omogućavaju primenu njihovih mikroelektronskih naprava na visokim temperaturama (koje prevazilaze i 600°C), što je znatno bolje od Si i GaAs. Ovo omogućava veći stepen integracije u dijamantskoj i SiC mikroelektronici zbog smanjenog problema hlađenja. Veliki Eg čini ih izuzetno otpornim i na radijaciju. Sve navedene prednosti čine ih glavnim kandidatima za primenu u kosmičkoj mikroelektronici, sa ekstremnim eksploatacionim uslovima. Ekr za lavinski proboj u dijamantu i SiC znatno prevazilazi 106 V/cm, što je mnogo bolje od 5∙105 V/cm za Si i GaAs. za elektrone u dijamantu i SiC je veća (~ 2∙107 cm/s) nego u Si i GaAs, što dodatno doprinosi boljim brzinskim svojstvima ovih materijala. III–V nitridi su interesantni za optoelektronske primene. Bor nitrid (BN) ima Eg

ind, i od njega su napravljene prve ultraljubičaste LED-diode. Ostali III-V nitridi (GaN, AlN, InN) imaju Eg

dir i formiraju čvrste rastvore međusobno, što omogućava izradu lasera na bazi ovih materijala koji pokrivaju čitav vidljivi spektar.

Δ dsv

U svim do sada razmatranim kolima provodni nosioci se kreću kroz aktivnu oblast tranzistora srednjim driftovskim brzinama zasićenja . Međutim, maksimalna driftovska brzina Δvd,max može da bude nekoliko puta veća. Ova činjenica je iskorišćena za izradu tzv. balističkih tranzistora, u kojima se elektroni u aktivnoj oblasti kreću bezdisipativno, maksimalnom driftovskom brzinom, bez rasejavanja na jonizovanim primesama ili fononima kristalne rešetke. Da ne bi došlo do rasejavanja elektrona, neophodno je da širina d aktivne oblasti bude dovoljno mala, tako da je elektroni prelete u toku srednjeg slobodnog vremena τ (tj. srednjeg vremena između dva sudara): d < Δvd,max τ. U GaAs je Δvd,max ~ 8·107 cm/s, a τ ~ 10−12 s, pa je potrebna širina aktivne oblasti d < 0,8 μm, što je danas tehnološki lako ostvarivo. U Si je Δvd,max ~ 2·107 cm/s, a τ ~ 10−13 s, pa je potrebna širina aktivne oblasti d < 20 nm, što je takođe postalo tehnološki ostvarivo. Međutim, ovako uske oblasti imaju veliku bočnu električnu otpornost, što povećava vremensku konstantu τRC parazirnog RC kola tranzistora znatno iznad vrednosti 10−13 s, i samim tim pogoršava potencijalnu brzinu rada i graničnu radnu učestanost (fg ~ 1/τr) ovih kola. Zato je GaAs znatno pogodniji materijal od Si za izradu balističkih naprava i integrisanih kola na njihovoj osnovi, sa fg ~ 400 GHz. Ipak, postoji mogućnost izrade i balističkih Si tranzistora, ali sa metaličkom silicidnom CoSi2 bazom u monokristalnoj formi, koja ima znatno smanjenu bočnu električnu otpornost i pored male širine (d ~ 10 nm).

Δ dsv

Predloženi su i jednoelektronski tranzistori. To su provodne strukture, kod kojih su oblasti sorsa i gejta, i gejta i drejna, razdvojene izolacionim tunelskim barijerama (od SiO2, vazduha, vakuuma...) Ove tunelske barijere nazivaju se kulonovski tunelski spojevi, i ponašaju se kao kondenzatori. Kada nema napona na gejtu, neće biti tunelske struje kroz barijeru između sorsa i gejta. Dovođenjem gejta na pozitivan potencijal, elektroni mogu da tuneluju kroz barijeru, i to sa najvećom preciznošću - jedan po jedan. Tunelovanje jednog elektrona kroz barijeru u stanju je da toliko promeni energiju minijaturnog kondenzatora kog čini tunelska barijerana nanometarske debljine, da kulonovske interakcije blokiraju tunelovanje narednih elektrona kroz barijeru (zbog čega se ova energetska barijera u literaturi naziva i kulonovskom blokadom). Sa energetskog stanovišta, napon polarizacije gejta utiče na položaj diskretnih elektronskih energetskih nivoa u oblasti ispod gejta, koja se izađuje kao kvantna tačka (QD, eng. quantum dot), kako bi definisanost nivoa bila što bolja, tj. njihova "razmazanost" po energiji što manja (videti slajd 11 u prezentaciji 'Poluprovodnici.pdf'). Tunelovanjem jednog elektrona u kvantu tačku, dostupan energetski nivo postaje zauzet, čime je onemogućeno tunelovanje narednog elektrona iz sorsa sve dok prvobitni elektron ne tuneluje i kroz drugi spoj do drejna. Da ovaj efekat ne bi bio razoren termalnim fluktuacijama na sobnoj temperaturi (kT ~ 0,025 eV), potrebno je da energija kulonovske blokade (Ec = e2/C, gde je e naelektrisanje elektrona, a C kapacitivnost barijere) bude bar za red veličine veća od tih fluktuacija, što zahteva izuzetno malu kapacitivnost (C ≤ e2/10kT ~ 10−18 F), odnosno nanometarske linearne dimenzije jednoelektronskog tranzistora (d ~ C/ε0εr ≤ 30 nm, gde je uzeto da je εr ≈ 4 za SiO2 barijeru). Potencijalna buduća primena jednoelektronskih tranzistora je velika, s obzirom da male parazitske kapacitivnosti (~ 10−18 F) i kvantne otpornosti (h/2e2 ≈ 13 kΩ, gde je h Plankova konstanta) daju veoma male parazitne vremenske konstante (~ 10−14 s), koje ne ograničavaju prekidačka vremena kvantnih naprava (τ ~ 0,5 ps za d ~ 10 nm), što omogućava visoke gornje granične učestanosti (fg ~ 300 GHz).

(kulonovski tunelski spojevi)

Bez napona polarizacije na gejtu elektron ne tuneluje ka diskretnom nivou u kvantnoj tački

Sa naponom dovedenim na gejt postaje moguće tunelovanje elektrona jedan po jedan

Energetski dijagram položaja elektronskih energetskih nivoa u kvantnoj

tački u zavisnosti od napona na gejtu.

SORS

SORS

DREJN

DREJN

Najviši stepen integracije mogao bi se postići redukovanjem dimenzija elektronskih komponenti do molekularnog nivoa. Ovakvi čipovi, u kojima bi standardne poluprovodničke komponente bile zamenjene organskim ili biološkim makromolekulima, nazivaju se biočipovima. Osnovna prednost biočipova u odnosu na standardne poluprovodničke čipove je znatno veća gustina pakovanja. Procenjuje se da će 3D arhitektura biočipova omogućiti smeštaj oko 104 puta više komponenti po jediničnoj površini, u poređenju sa 2D VLSI čipovima. Pri tome je neobično važno da su problemi disipacije toplote s biočipa praktično zanemarljivi zbog skoro nedisipativnog kretanja solitonskog naelektrisanja duž makromolekula. Analogni biočipovi mogli bi da koriste biomolekule (enzime ili druge proteine) kao "inteligentne" prekidače. Pošto enzimsko aktivno mesto prepoznaje oblik svog odgovarajućeg supstrata na tzv. “ključ-brava” način (pri katalizi biohemijske reakcije), enzimi bi mogli da skladište i prenose informaciju svojom 3D geometrijom. Zbog postojanja nekoliko različitih konformacionih stanja (umesto samo dva), enzimi su sposobni za višestepene analogne odgovore, nasuprot samo dvostepenom stanju digitalnih prekidača. Negativno svojstvo ovih analognih prekidača je da enzimi funkcionišu relativno sporo. Naime, promena konformacionog stanja enzima odigrava se za τ ~10−4 s. Međutim, ovi analogni prekidači bi se mogli efikasno koristiti za prepoznavanje oblika (supstrata), za šta je digitalnom kompjuteru potrebno mnogo binarnih operacija. S obzirom da se analogni biočip baziran na enzimskom prekidaču ne bi mogao programirati konvencionalnim metodama, on ne bi mogao da zameni digitalne kompjutere, ali bi se mogao kombinovati sa njima u kontroli procesa i prepoznavanju oblika.

Konceptualno, biočipovi se mogu napraviti, ali je potrebno rešiti još mnoge praktične probleme. Ipak, kroz unapređenje genetskog inženjeringa, može se očekivati modifikacija prirodnih proteina tako da izdržavaju ekstremne varijacije spoljnih parametara agresivne biološke sredine. U daljoj budućnosti krajnji cilj je razvoj genoma za biočipove, primenom tehnika genetskog inženjeringa, koji bi inkorporirani u ćelije proizvodili biočipove korišćenjem jevtinih sirovina, poput mineralnih soli i šećera.

Sadašnje procene kada će biti napravljen prvi biočip variraju od 10 do 20 godina, zavisno od količine sredstava uloženih u razvoj ove oblasti. Međutim, već danas istraživanja u ovom pravcu rezultirala su u proizvodnji biosenzora za brzu identifikaciju toksičnih mikroorganizama i molekula prema veličini i obliku, koji se mogu koristiti za medicinsko testiranje telesnih tečnosti, kao i u razvoju biosenzora za veštačko uho i oko baziranih na biohemijskim elektrodama.

Memristor je električna komponenta sa dva priključka kod koje postoji nelinearna veza integrala napona i integrala struje:

gde je w promenljiva stanja koja zavisi od integrala struje, odnosno od naelektrisanja proteklog kroz memristor do trenutka t: w = w(q(t)). Ovo takođe znači da za memristor važi sledeća veza magnetnog fluksa i naelektrisanja:

dΦ = M(q) dq

koja dopunjava relacije za otpornik (dv = R di), kondenzator (dq = C dv) i kalem (dΦ = L di). S obzirom da strujno-naponsku karakteristiku memristora, kao ni navedenu vezu fluksa i naelektrisanja, nije moguće reprodukovati ni jednim kolom koje sadrži otpornike, kondenzatore i kalemove, memristor se može smatrati četvrtim bazičnim pasivnim elementom.

Diferenciranjem izraza sa integralima napona i struje, uz uslov w = w(q(t)), dolazi se do relacije koja povezuje trenutne vrednosti napona i struje memristora:

što znači da memristor može da se zamisli kao otpornik čija otpornost u bilo kom trenutku zavisi od čitave predistorije protoka naelektrisanja kroz njega.

( ) ( ) ( )t t

v τ dτ F w i τ dτ−∞ −∞

=∫ ∫

−∞

= = ∫( ) ( ( )) ( ) ( ( ) ) ( )t

v t M q t i t M i τ dτ i t

Štaviše, memristor je u stanju da zapamti vrednost otpornosti, zadržavanjem vrednosti promenljive w u trenutku ukidanja napona. Otud i naziv ove komponene, kao spoj engleskih reči memory i resistor.

Nelinearnu vezu integrala napona i struje je, u principu, moguće fizički realizovati na puno raznih načina. U svakoj od tih realizacija memristora, promenljiva stanja w ima drugačiji fizički smisao. Iako je memristor teorijski pretpostavljen još 1971. godine, prvi memristor sa potpunim objašnjenjem fizičkog mehanizma odgovornog za nelinearnu vezu integrala napona i struje izrađen je tek 2008. u Hewlett-Packard Laboratories, na bazi nano-strukture Pt-TiO2-TiO2-x-Pt.

Kiseonične vakancije (mesta nedostajućih atoma kiseonika) služe kao donori elektrona, pa je TiO2-x sloj provodan, a TiO2 izolatorski. Dovođenjem napona na elektrode od platine, električno polje koje se uspostavlja u dvoslojnom oksidu dovodi do kretanja i elektrona i kiseoničnih vakancija, u suprotnim smerovima. Kretanjem vakancija pomera se razdvojna površ između dveju oblasti. Odnos debljina provodne i izolatorske oblasti određuje trenutnu vrednost dinamičke otpornosti memristora.

Ako sa za promenljivu stanja w usvoji debljina provodne osiromašene oblasti TiO2-x, koja očigledno zavisi od naelektrisanja proteklog kroz memristor do određenog trenutka (tj. integrala struje), uz pretpostavke da je elektronsko provođenje omsko (a ne tunelujuće, što bi bilo ispravnije) i drift vakancija linearan (što znači da važi linerana zavisnost brzine drifta od jačine polja), strujno-naponska karakteristika memristora se dobija u obliku:

Tipična i-v kriva memristora prikazana je na slici, za sinusoidalni napon čija amplituda je dovoljno mala da ni jedna od dveju oblasti ni u jednom trenutku ne iščezava (tj. ne splašnjava) u potpunosti.

Zamrzavanje stanja (tj. vrednosti w) čini osnovu memorijke sposobnosti memristora. Primenom dovoljno velikog napona ili dugotrajnom primenom napona, w dostiže jednu od dveju ekstremnih vrednosti (0 ili D, gde je D ukupna širina oksida), koje odgovaraju graničnim stanjima komponente. U tim slučajevima w ostaje neizmenjeno (tj. stanje se zadržava) sve do promene polariteta napona, što predstavlja osnovu za prekidačku funkcionalnost memristora.

Tipična dvostruka histerezisna i-v karakteristika memristora za napone malih amplituda.

i-v karakteristike memristora kada se uzme u obzir nelinearni drift vakancija.

CNTFET: a) šematski prikaz, b) STM mikrograf.

FET sa ugljeničnom nanocevi (CNTFET, eng. carbon nanotube field-effect transistor) ima jednu ugljeničnu nanocev kao kanal između drejna i sorsa.

Zahvaljujući specifičnom mehanizmu elektronskog provođenja u nanocevima, kod CNTFET-a sa planarnim gejtom gustina struje drejna kada je tranzistor uključen iznosi ~ 1500 A/m pri naponu gejta od 0,6 V, dok je za isti napon polalrizacije gejta kod klasičnog MOS tranzistora ona ~ 500 A/m. Prednost CNTFET-a je takođe veoma velika kapacitivnost gejta, u rangu sa onom kod MOS tranzistora koji koriste dielektrike visokog εr (eng. high-k gate dielectrics).

FET sa grafenom (GFET): a) klasična konfiguracija, b) back gate konfiguracija.

Koncentracija nosilaca naelektrisanja u grafenu može da se menja primenom električnog polja. Kada se napon polarizacije primeni na Si podlogu (tzv. back gate konfiguracija - slika b) na gornjoj slici i slika a) na sledećem slajdu), u zavisnosti od polariteta napona elektroni prelaze iz podloge u grafen ili obrnuto. Sa energetskog stanovišta, ovo odgovara pomeranju Fermijevog nivoa naviše ili naniže, što određuje popunjenost zona elektronima (sledeći slajd, slika b). Pri pozitivnom naponu, struju kroz grafen između elektroda nosi višak elektrona koji se pojavi u provodnoj zoni, dok su pri negativnom naponu nosioci struje šupljine u valentnoj zoni. Grafen, dakle, provodi pri oba polariteta napona gejta, tj. ambipolaran je. Za dodatnu ilustraciju ambipolarnog provođenja grafena pogledati ovaj video.

a) b)

Na slici c) prikazana je zavisnost specifične električne otpornosti grafena od napona na gejtu. Ambipolarnost grafena očitava se u simetričnom obliku krive u odnosu na Vg = 0.

a) Back gate konfiguracija. b) Efekat promene polariteta napona na popunjenost zona elektronima. c) Zavisnost specifične električne otpornosti grafena od napona na gejtu. Umetnuti grafici ponovo ilustruju promenu

položaja Fermijevog nivoa EF i koncentracije elektrona sa naponom gejta. d) Zavisnost koncentracije nosilaca naelektrisanja (elektrona pri pozitivnoj, odnosno šupljina pri negativnoj polarizaciji) od napona na gejtu na

temperaturama od 300 K (plava kriva) i 500 K (crvena kriva).

U odsustvu napona polarizacije Fermijev nivo leži u Dirakovoj tački i opisan teorijski model predviđa da je koncentracija nosilaca naelektrisanja bilo kog tipa jednaka nuli. U praksi, međutim, čak i pri nultom naponu u grafenu postoji nenulta koncentracija nosilaca naelektrisanja (slika d), koja nastaje termičkim generisanjem parova elektron-šupljina ili zbog prisustva atoma nečistoća. Na slici d) isprekidanom linijom prikazan je samo uticaj napona gejta na koncentraciju nosilaca, bez doprinosa nosilaca generisanih termički ili usled prisustva atoma nečistoća, koje je praktično moguće otkloniti hlađenjem grafena do temperatura bliskih apsolutnoj nuli (≈ 0 K) i smanjenjem koncentracije nečistoća do najmanjeg mogućeg nivoa tokom izrade. Ova kriva ilustruje eksperimentalno uočenu pojavu da, čak i u tom slučaju, pri nultom naponu gejta postoji izvesna nenulta koncentracija nosilaca, zbog čega grafen i pri Vg = 0 ima nenultu specifičnu provodnost, koja je reda veličine 4e2/h (gde je e elementarno naelektrisanje, a h Plankova konstanta). Poreklo ove minimalne provodnosti još uvek nije do kraja razjašnjeno, ali se smatra da može da potiče od zatalasanosti grafena (tj. lokalnih odstupanja od idealno ravne strukture) ili lokalnog sakupljanja nosilaca u grafenu na mestima jonizovanih nečistoća u SiO2 sloju pod grafenom. Grafen, dakle, osim što je ambipolaran, ne prekida struju čak ni pri nultom naponu gejta. Obe ove osobine utiču na moguće buduće primene grafena u elektronici.