Vědci Technické univerzity v Liberci vymysleli novou metodu měření změn nanostruktur, ze kterých se staví tranzistory a mikroelektronické obvody. Jedná se o jemné nanostruktury obsahující dnes již pouze desítky, maximálně stovky atomů. Nová metoda najde uplatnění v řadě sofistikovaných odvětví od oblastí bezpečnosti, dopravy až po aplikace do moderní lékařské techniky, systémy zachraňující lidské životy či použití ve vesmírných aplikacích.
„Objevili jsme metodu, která maximálně eliminuje nutnost použití velmi drahých přístrojů. Umíme parametry nanostruktur změřit tak, že obvody s vnitřní integrací vhodně propojíme do inteligentních celků, podle kterých pak zjistíme nejen jejich různé parametry, ale rovněž tak velmi malé změny, jako jsou projevy případných stárnutí nanostruktur. Tím se výrazně zvyšuje spolehlivost klíčových prvků moderních obvodů a zavádí nové prvky sebeuvědomění v moderních systémech,“ upřesnil Petr Pfeifer z Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií TUL.
Na převratnou metodu přišli liberečtí vědci v rámci řešení mezinárodního čtyřletého projektu COST Action IC1103 MEDIAN, který byl v závěru minulého roku úspěšně dokončen. Evropská unie podpořila projekt částkou 15 mil. korun v rámci programu Horizon 2020. Vedoucím projektu je italský vědec prof. Marco Ottavi z univerzity Tor Vergata v Římě. Vědecké týmy z
27 zemí se zaměřily především na moderní a nastupující nanotechnologie v oblasti pokročilé mikro- a nanoelektroniky. Zabývaly se mimo jiné vývojem nových metod návrhy i výrobou spolehlivých elektronických obvodů, jejich testováním a odolností pro použití od oblasti dopravy až po aplikace do moderní lékařské techniky či vesmírných aplikací. „Liberecká univerzita přispěla do tohoto kvalitního vědeckého programu množstvím vědeckých publikací z oblasti pokročilých číslicových systémů a zvyšování spolehlivosti nanotechnologií v mikroelektronice a velmi širokou mezinárodní spoluprací. Jedním z výrazných úspěchů je právě nová metoda měření, ale také například úspěšné zorganizování doprovodných akcí,“ řekl zástupce za ČR v programu MEDIAN a děkan FM TUL prof. Zdeněk Plíva.
A V ČEM JE NOVÁ METODA PŘEVRATNÁ?
Svět nanotechnologií přináší pokrok a řadu nových a dosud netušených možností. Zároveň se ale vědci začínají potýkat i s některými méně příznivými projevy „nanosvěta“. Především to je skutečnost, že moderní nanovrstvy vlivem svého stále většího namáhání a menších rozměrů podstatně dříve stárnou a spolehlivost složitých zařízení tak potřebuje stále důkladnější a dražší kontrolu, než je tomu u starých jednodušších přístrojů. Je to logický důsledek komplikovaných zařízení, která toho hodně umí, a proto prostě potřebují větší péči.
„Pracujeme dnes už jen s desítkami atomů. V tak malém množství stačí, když se např. pouhý jeden atom začne chovat jinak, a už se začne objevovat odchylka řádově v procentech. Některé změny jdou i do desítek procent. To může být dost podstatné až kritické pro mnoho aplikací. Problém je o to složitější, že díky nesmírné složitosti dnešních systémů mohou takové negativní jevy zůstat skryty a projeví se až v době, kdy může být příliš pozdě. Návrhové a testovací technologie moderních systémů jsou velmi drahé, a proto je potřeba hledat nové způsoby, jak zjistit projevy stárnutí, potlačit tak negativní vlivy a zajistit spolehlivost systémů na maximální úrovni. Naše metoda je založena na myšlence spojení fyzikálních jevů a vytvoření chytrých obvodů pro zajištění maximální citlivosti při současné minimalizaci vlivu nežádoucích faktorů, a samozřejmě následného komplexního matematického zpracování dat. Obvody se samy vnitřně měří a hlídají si funkce na základě počítačových pokynů, a tak spolehlivě zjistí nežádoucí změny. Žádné dva kdy vyrobené integrované obvody tak pro nás nejsou stejné, všechny se pro nás teď podstatně liší nejen z výroby, ale i během svého užitečného života. Díky vnitřnímu mechanismu jsme tak schopni posunout hranice spolehlivosti technologií a zavést rovněž vlastnosti sebeuvědomění systémů,“ vysvětluje Petr Pfeifer, rovněž zástupce za ČR v programu MEDIAN z TUL.
Nová metoda má podle něj význam pro takové aplikace, kde je nutné zajistit stoprocentní spolehlivost nebo dlouhou dobu života, např. v signálních zařízeních na železnici, v automobilech dalších generací, v letadlech či kosmických aplikacích.
Podle profesora Plívy je program MEDIAN praktickou ukázkou prospěšnosti mezinárodní spolupráce na poli vědy. „Velkým přínosem jsou nové těsné kontakty a pokračující spolupráce mezinárodních vědeckých týmů. Například Druhá letní vědecká škola, jejíž organizací byla pověřena právě liberecká univerzita, přilákala do červencové Prahy šedesátku začínajících mladých i mnoho zkušených vědců a odborníků z dvacítky zemí,“ řekl profesor Plíva. Připomněl také velmi dobré výsledky, které přinesla spolupráce s kolegy v Estonsku a v Německu. „Naši studenti a absolventi díky těmto zkušenostem pracují na unikátních projektech v rámci svých vědeckých aktivit, díky svým dovednostem patří k uznávaným členům zahraničních výzkumných týmů. Podpora fondů EU umožnila širokou výměnu zkušeností a pracovní vědecké pobyty, včetně odborné stáže na pracovišti imec, Belgie, což je jedno z klíčových světových vývojových center udávajících směr budoucího vývoje mikroelektroniky a nanotechnologií,“ dodal Petr Pfeifer.
Ukončením programu COST MEDIAN a široké a úspěšné vědecké aktivity TUL nekončí. „Dále společně rozvíjíme nové unikátní technologie a zapojujeme do naší práce další partnery. Naše výsledky, unikátní technologie, hluboké zkušenosti a kontakty dále rozšiřujeme např. v programu COST IC 1204 – TRUDEVICE, který se zaměřuje na bezpečnost a kryptografii v zabudovaných systémech a aplikacích od běžně používaných technologií NFC a RFID v mobilních zařízeních a kreditních kartách, po speciální bezpečnostní aplikace v komunikačních satelitech obíhajících na orbitech naši Zemi. S naší metodou dokážeme detekovat jak nechtěné změny nebo pokusy o napadení systémů, úpravy nebo zjištění vnitřního prostředí čipů, tak také optimalizovat návrh a provoz složitých čipů, aby lépe splňovaly velké množství návrhových i provozních parametrů,“ poodkrývá současné aktivity liberecké univerzity Petr Pfeifer.
Nanomateriály, nanotechnologie a nanostruktury jsou v popředí zájmu vědeckých týmů na celém světě. Technická univerzita v Liberci je důležitým hráčem na tomto poli vědy. Objevením unikátní technologie a metod měření vlastností nanostruktur, zpracování dat, a také svým aktivním zapojením se do řešení projektů předních vědeckých center si na své konto připsala další důležité body.
Jaroslava Kočárková