лекция по наноэлектронике1. Текущие технологии Размер порядка 20 нм, около миллиона элементов на кристалле

Скачать 54.39 Kb. Название Текущие технологии Размер порядка 20 нм, около миллиона элементов на кристалле Анкор лекция по наноэлектронике1.docx Дата 06.12.2017 Размер 54.39 Kb. Формат файла Имя файла лекция по наноэлектронике1.docx Тип Документы #11668

Текущие технологии: Размер порядка 20 нм, около миллиона элементов на кристалле. Элементная база – МОП структуры на основе кремния, биполярные полупроводниковые структуры практически не применяются ввиду худшей технологичности. В общем и целом, МОП технология лучше с точки зрения производства. Перспективы этого развития ставятся в сомнение в течение последних 20 лет(уменьшение размеров, повышение числа элементов, и улучшение быстродействия). Основные проблемы кремниевой микроэлектроники. ИМХО Кувшинова. 1. Влияние квантовых эффектов при уменьшении размеров. Пример: 1)неопределенность положения электрона. Мы не сможем говорить о краевых эффектах(участвует электрон в проводимости, или нет). 2) туннелирование 3) грубое квантование тока и повышение частоты. Высокий расход энергии 1,6 * 10-19 * 1 ГГц 1 мкА. 2. Создание распределения примеси в полупроводнике. 1) Ограничения, связанные со сложностями литографических процессов. 2) Сложности, связанные с управлением введения примеси в проводник. 3. Размерные эффекты. При уменьшении размеров возрастают удельные значения физических величин. 1) Тепловыделение 2) Высокие электрические поля. 1В/1нм = 109 В/м – величина напряженности, при которой происходит пробой большинства твердотельных веществ. Основные подходы, перспективы развития. 1. Совершенствование существующих методов. Совершенствование технологии за счет применения новых методов в проведении традиционных технологических операций. Возможности этого направления ограничиваются возможностью создания нового оборудования и новых материалов, в том числе вспомогательных. Невозможно сделать меньше 10-15 нм в силу квантовых эффектов при уменьшении размеров. Примеры: 1) Со стороны литографии. Применяется специальное оптическое оборудование, использующее достаточно глубокий ультрафиолет, запускаемое под малыми углами, что позволяет повысить разрешение. Создание проекционных систем. Подход ограничен волнами около 200 нм, далее начинается ионизация молекул воздуха(необходимо применять вакуумный ультрафиолет). Перспективы рентгеновской литографии – требуется вакуумное оборудование, проблемы создания шаблонов и резистов, которые будут контрастны для рентгена, достаточно тонкими, хорошая восприимчивость к травлению химией. Вопросы к методу - прочность резиста, отведение продуктов травления. 2) Управление введением примеси. При диффузии в любом случае атомы имеют достаточно различные энергии(велика неопределенность). Можно создать, в зависимости от их энергии, распределение примеси, которое будет иметь пик на определенной глубине. По методу есть недостатки, он может приводить к аморфизации поверхности, требует вакуумного оборудования. Кроме традиционного подхода, ведутся разработки в двух основных направлениях. 1) Создание традиционных электрорадиоэлементов при смене материалов и/или принципов их функционирования(смена элементной базы). Стремятся разрабатывать новые конструкции и технологии изготовления микроустройств, которые позволяют избежать действие фундаментальных физических ограничений. Направление требует кардинальной перестройки производственно-технологической базы(изготавливать на существующем оборудовании нельзя). Два основных направления: 1. Полупроводниковые приборы на гетероструктурах. Представляет собой усложненный p-n переход. Гетероструктура – структура из нескольких слоев полупроводников, отличающихся шириной запрещенной зоны. Формируя несколько таких слоев, мы получаем плавный и заданный профиль энергетических зон. Таким образом, можно добиваться различных эффектов, касающихся проводимости этих областей, и управлять ими. Примером является лазер на двойной гетероструктуре на основе арсенида галлия. AlGaAs|GaHs|AlGaAs. Арсенид галлия имеет более узкую запрещенную зону, поэтому туда могут быть инжектированы как электроны, так и дырки из крайних областей, и в арсениде галлия происходит рекомбинация с выделением энергии в виде фотонов. Возможно создание модулировано-легированных структур, когда запрещенная зона изменяется периодично. В таких структурах возможно создание двумерного электронного газа, который обладает высокой подвижностью, что важно для быстродействия. Возможно создание т.н. сверхрешеток, то есть структур, в которых помимо кристаллических решеток есть потенциал, который может использоваться для управления током через эту структуру. Возможно создание структур пониженной размерности – квантовые точки/провода/ямы. Структуры, где ограничена подвижность электронов. Точка – по трем направлениям, проводам – по двум, яме – по одному направлению может двигаться электрон, находясь в ней. Оценить размеры и причины такого ограничения подвижности можно с помощью принципов неопределенности. Можно определить размеры квантовой точки по величине энергии. Нам нужна такая энергия, которая будет больше энергии теплового движения Возможные применения: Источники флуоресценции для квантовых точек, потенциальная возможность создания фотонных компьютеров; квантовый провод – высокая подвижность в одном направлении, хороший проводник для будущих микросхем; квантовая яма – применение в создании различных устройств оптоэлектроники. 2. Приборы на углеродных наноструктурах. Многообразие форм углерода связано со способностью атома углерода к гибридизации в состоянии s и p электронов. Гибридизованные электроны образуют прочные сигмасвязи, негибридизованные – непрочные p-связи. Образуется большое количество алотропных форм(???). Внутри плоскости – сигмасвязи, между плоскостями – пи-связи(кристалл графита). Графит по своей электронной структуре представляет собой полуметалл: есть энергетическая зона и валентная зона, нет запрещенной зоны(они пересекаются). Благодаря такой вариативности, на базе структуры графита могут быть образованы различные алотропные формы. Наиболее простая для понимания форма – графен. Монослой атомов углерода(один оторванный от графита слой). Ценен тем, что потенциально носители зарядов обладают очень высокой подвижностью при комнатной температуре, есть желание использовать для сверхбыстрых транзисторов. Однако, проблема формирования запрещенной зоны пока не решена. Фульдирены – наноструктуры замкнутой формы(форма мяча). За счет обрыва p-связей и формируются. Близки к другим наноструктурам, таким как углеродные нанотрубки(получаются сворачиванием графитового листа). На нанотрубках созданы экспериментальные образцы приборов. Механические деформации при сворачивании листа в трубку приводят к изменению электронной решетки, и в частности, в некоторых вариантах сворачивания, нанотрубки становятся металлическими. Обладают высокой прочностью(состоят из сигмасвязей). Применение – сверхпрочные нити, детали наномеханизмов, т.д. Использование квантовых эффектов – туннелирование, и т.д. 2) Функциональная электроника. Реализация сложных функций электронных устройств за счет физических явлений в материалах без формирования электрических схем в их традиционном понимании. Одно устройство реализует сложную функцию. Оправдано при микро и макро размерах электроники, что снимает проблемы и позволяет производить на нынешних производствах. Тем не менее, имеются существенные ограничения: 1. Физические принципы для решения многих схемотехнических задач еще не разработаны. 2. Требуется применение разнообразных материалов, что снижает технологичность, и вынуждает наличие разнообразного оборудования. Наибольших успехов удалось добиться в оптоэлектронике с этой точки зрения, получены такие устройства, как проводниковые лазеры, устройства оптической передачи и обработки информации. Определенные успехи достигнуты в акустоэлектронике(принцип работы в передаче энергии между электронами и внешними акустическими волнами). Столь строгий подход обусловлен тем, что… Перспективные методы нанесения тонких пленок. 1. Жидкостная эпитаксия (метод Чохральского). В печи устанавливается.. с составом, из которого выращивается образец. Сам процесс роста обеспечивается поддерживанием постоянной температуры, а имеющий чуть меньшую температуру холодильник притягивает к себе расплав. По мере роста образца холодильник перемещают вверх, чтобы на уже выращенных образцах кристалла нарастить его еще. Применение этого метода ограничено критерием Джексона. Если удельная теплота плавления низкая, то при небольших переохлаждениях(0,01 градуса) образуется шероховатая поверхность. Такая ситуация характера для металлов, и неприменимо в нанотехнологиях, т.к. металлы растут слишком быстро. При большей теплоте плавления, характерной для диэлектриков, и особенно для органических веществ, скорость роста низкая, а на границе раздела фаз образуются ограненные кристаллы. ПП представляют собой промежуточные вещества, применение такого метода для них достаточно распространено. Вариантом увеличения управляемости этого метода является применение электроэпитаксии. Основано на эффекте Пельтье, образуется термоэлектрическая ячейка, происходит охлаждения за счет электричества. Сменой полярности можно добиваться нагрева границы и расплавления верхних слоев вещества обратно. Достоинство этого метода заключается в том, что может быть достигнута требуемая точность в единицы нм. Недостаток заключается в контакте раствора/расплава осаждаемого вещества со стенками реактора, что приводит к его загрязнению. 2. Метод молекулярно-лучевой эпитаксии. Является развитием метода термического распыления в вакууме. Для ясности вспомним недостаток термического распыления в вакууме, а именно – неравномерность распределения по подложке. Нам нужно избавиться от угловой зависимости, для чего выделяют узкий пучок атомов. Для этого применяются специальные установки. По сравнению с установками для термического вакуума, специальные установки обеспечивают p10-2…10-8, своб 103..104 м. Значительно снижается скорость роста пленки – 10…300 нм/мин, т.е. эта величина более управляема. Источников может быть несколько, что позволяет наносить пленки с разным составом и переменной концентрацией различных веществ. Отдельно можно отметить в качестве достоинства низкие температуры подложки. Tп = 400…800°С. Необходимо для выращивания гетероструктур. Если необходимо получить не более 1° апертуры, отверстие диафрагмы будет не больше нескольких сантиметров, соответственно одновременно будет обрабатываться небольшая поверхность. Тогда эта система требует точной механики для перемещения. 3. Изменение структуры пленок под действием ионных пучков. Установка заключается в том, что у нас есть ионная пушка в вакууме, которая позволяет направлять на подложку ионы, ускоренные различными напряжениями (???). Энергия ионов начинается со 100 эВ…100 кэВ, ионы с такой энергий внедряются в вещество. Ударяясь о поверхность, ион взаимодействует с его атомами, энергия иона велика по сравнению с химическими связями, а скорость его при энергии 100 эВ, он воздействует как масса, разбивающая химические связи. Результатом такого воздействия является рекристаллизация, или аморфизация поверхности. Применяется в образовании поликристаллического кремния, наряду с пленками, применяемыми в полевых транзисторах. Ионная бомбардировка является одним из немногих методов для получения аморфных пленок металлов. Алмазные пленки с сетью нитей из атомов кремния(??) 4. Золь-гель технологии. Перевод из раствора в более твердую фазу различными методами. Используются калоидные растворы -> гель Эмульсии и суспензии. Калоидный раствор представляет собой очень мелкодисперсную суспензию. Существуют разные методы – физические и химические. Химические методы сводятся к гидролизу алкоксидов. Во многих случаях при комнатной t алкоксиды являются жидкостями. В результате получается гидроксид требуемого вещества. В зависимости от природы атома и … возможна поликонденсация, т.е. образование твердых частиц, из которых строится гель. Неустойчивые гидроксиды являются основой для будущей пленки. Физический способ. Заключается в том, что реакции, подобные гидролизу, называемые гидратацией, проводятся с более сложными веществами – комплексными соединениями, суть сводится к тому же. Лучшая управляемость процесса. Литографические процессы. Рентгеновская и электронно-лучевая литография. Рентгеновская литография. Источник излучения частиц для экспозиции, материал и конструкция шаблона, материал и способ нанесения резиста, проблема совмещения (при изготовлении более чем одного слоя). Рентгеновское излучение образуется при бомбардировке электронами в электронной пушке материала мишени. Выделяют рентгеновское излучение двух видов: тормозное и характеристическое (излучается самой мишенью). Быстролетящие электроны ионизуют один из остовных уровней, электрон его покидает. Соответственно, из более высоких уровней в атоме мишени электрон переходит на этот остовный уровень. Избыток энергии при этом *разница энергии* испускается в виде кванта излучения. - Закон Мозли. Вакуум нужен электронам, чтобы они долетели до мишени, поэтому кремниевая пластина стоит снаружи. Основной проблемой является низкий КПД источника. Например, при мощности пучка электронов 400-500 Вт мы можем получить излучение мощностью 10 мВт. Все остальное уходит в тепло. Поэтому, источнику требуется поглощать достаточно источника излучения, и отводить тепло. Используется алюминиевая мишень диаметров 20 см, которая вращается со скоростью 8 тысяч об/мин, и охлаждается водой. Пучок фокусируется достаточно остро – радиус 1см; такая мишень способна поглощать 20 кВт облучения, соответственно, выдавать около 1 Вт мощности. На выходе ставится окно (например, бериллий), используются разные материалы по разным причинам. Малая длина волна практически исключает различные волновые эффекты, что и требовалось. Шаблоны для рентгеновской литографии. Для шаблонов требуется иметь достаточно контрастные участки. При этом, они должны иметь малую толщину. Нельзя, чтобы толщина была в 10 раз больше ширины линии. Главная проблема, что рентгеновское излучение достаточно плохо поглощается. Найдено решение: органические (тонкие, <1 мкм) мембраны, на которые наносятся тонкие металлические пленки. В качестве металлического напыления используется золото с подслоем хрома, потому что оно хорошо поглощает рентгеновское излучение. В качестве условной мембраны используется кремний, диоксид кремния, карбид кремния, органические вещества. Резисты. Должны в результате облучения существенно изменять свою химическую стойкость, т.е. должны происходить фотохимические реакции. 1. Вероятность поглощения излучения достаточно низкая. 2. Каждый квант излучения имеет высокую поляризационную способность…, если энергия несколько кВт, он может ионизовать сотни атомов. Именно высокая энергия излучения позволяет добиться достаточной контрастности линий, получаемых в резистах. Полиметилкринателат (ПМНА) [позитивный], сополимерный резист [негативный]. Соответственно, чувствительность порядка 1 Дж/см2, что на один порядок хуже фоторезистов. Мощность излучения 1 мДж/см2, соответственно время экспозиции 20 минут. В течение часа процесс литографии выполним, что соответствует производственной необходимости. Совмещение. Есть некоторое место на пластине, в которое необходимо попасть. До сотен нм могло бы помочь оптическое совмещение по микроскопу, но при 20 нм и менее нужно другое совмещение. За подложкой ставится детектор излучения, а если совмещение правильное, то метка на шаблоне промежуток между меток на подложке, и излучение не проходит на детектор; это является признаком верного совмещения. Позволяет добиваться высокого разрешения. Однако, главная проблема – Резисты и шаблоны, которые при нм размерах являются источниками больших погрешностей. Электронно-лучевая литография. Интерес заключается в том, что в отличие от рентгеновского излучения, луч может управляться сам по себе (э-м полем). Поэтому, в принципе, э-л литография может обходиться без шаблонов. Точность определяется возможностями фокусировки. Электронно-лучевые системы давно разработаны, для электронов длина волны Де Бройля получается достаточно маленькой, меньше, чем для квантов рентгеновского излучения. Вопрос о волновых явлениях не встает в принципе. Вопросы заключаются в том, что мы хотим управлять пучком на расстояние 1 нм, поэтому придется ускорять пучок сильнее. Для управления пучком нам нужна точность порядка 10-9, поэтому управляющее напряжение должно быть в 109 меньше. Для минимального управляющего напряжения 0,1 мВ нужно 100 кВ ускоряющего напряжения. Управляемый электронный пучок требует для себя вакуума. Почему нельзя избавиться от шаблонов совсем? Нельзя избавиться, потому что будет очень низкая производительность. Для одной пластины в 300 мм время экспонирования будет около 3 лет. Для исправления данного недостатка используют следующее: Растровое сканирование заменяется векторным (т.е. луч проходит только те точки, что нужно); вместо 3 лет получим 1 месяц. Используются не шаблоны, а более типовые изображения. На шаблон наносятся формы типичных элементов, соответствующие областям транзистора; в системе э-л лучевой литографии не обязательно прилегание непосредственно к пластине, потому что ходом луча можно управлять. Изготавливаются шаблоны, которые состоят из десятка и сотен точек, одновременное экспонирование без сканирования позволит уменьшить время экспонирования в десятки раз, то есть день, или даже часы. Перспективным направлением является изготовление нескольких десятков микросхем на одной пластине и размножение пучка через систему линз. Это поможет сократить время экспонирования до минут. Классификация установок электронной литографии: 1. Система одновременного экспонирования. 1) Фотокатодные проекционные системы. Достоинства таких установок: Отсутствие больших ограничений по току (1 кА/мм2). Недостатки: Фокусировка одним соленоидом дает небольшую точность, из чего следует максимальная точность порядка 100 нм. 2) Системы с редуцированием (уменьшением изображения). 3) Многолинзовые системы. Вслед за … маской устанавливается система фокусирующих линз. 2. Сканирующие системы. Предполагают, что формируется узкий пучок, который проходит через отклоняющую систему, которая электрическим/магнитным полем отправляет его в точку некоторой области. Чтобы получить большую точность, область фокусирования пучков ограничивается 100 мкм..1 мм в одном направлении. 1) Системы с одиночным пучком. 2) Многолучевые системы. Могут быть векторными и растровыми. 3. Гибридные системы. 1) Профилированный пучок. 2) Символьное проецирование. Отличаются тем, что у них перед отклоняющей системой ставятся своеобразные шаблоны (могут быть увеличенными), на которые наносятся типичные изображения, которые нужно получить. Шаблоны содержат сотни точек, что ускоряет сканирование. Организация сканирования. Может быть векторным и растровым. Растровое сканирование заключается в том, что сканируют последовательно все строчки. В нужных точках пучок прерывается. Достоинства: простота. Недостаток: большее время сканирование. Векторное сканирование: проходятся не все точки подряд, с включением/выключением пучка, а только нужные. Требуется более сложное управление. Проблемы совмещения. 1. Нанесение маркерных знаков для оптики и оптическое совмещение по лазерному интерферометру. Совмещаются сигналы от образцового маркера и маркера на пластине, измеряется интерференционная картина. Точность совмещения порядка 10 нм. 2. На подложку наносится маркерный знак для самого электронного пучка. Он может быть изготовлен в виде напылённой пленки, или в виде протравленного/непротравленного окна. Резисты для электронно-лучевой литографии. Электроны хорошо поглощаются веществом и глубоко не проходят. Возможно формирование достаточно тонкого резиста, который будет чувствительным. Электроны имеют высокую энергию, могут ионизовать любые уровни, в том числе остовные. Используются те же самые Резисты, что и для рентгеновской литографии. Полиметилкрилат, сополимерные резисты. Чувствительностью резистов называют 10-7..10-5 Кл/см2. Необходимый для сканирования за 1 нс ток пучка: 10-21..10-19 Кл/нм2. В течение наносекунды должен появляться ток плотностью 10-4 А/см2 = 100 А/мм2. Достижение 1 нм точности находится в пределах современных установок. Введение примеси в полупроводник методом ионной имплантации. Суть заключается в том, что ионы, образованные электрическим полем (1..100 кэВ), взаимодействуют с поверхностью мишени, которая, в случае электронного производства, является кремниевой пластиной, и внедряются в объем кристалла. Ионы в процессе получаются положительными, поэтому устанавливают отрицательно заряженные пластины. Для точного пучка устанавливают электромагнитные/электростатические линзы (электроды, фокусирующие пучок). После получения пучок ускоряется. После ускоренного пучка для дальнейшего.. используются магнитные сепараторы. Позволяет отбирать электроны с одной энергией и одинакового изотопного состава. После магнитного сепаратора отобранные ионы попадают на мишень. Магнитное поле искривляет траекторию движения заряженных частиц, при этом для их прохода оставляется достаточно узкий канал определенного радиуса искривления, который зависит от заряженности частиц, их… и магнитного поля. Проходят через магнитный сепаратор на мишень только определенные ионы, которые подходят под параметры. Канал имеет конечную ширину, поэтому траектория может пройти не по радиусу загиба (он должен быть не слишком широким). Погрешность по каналу не должна превышать 1%, а толщина канала – нескольких миллиметров. Тепловое движение не может внести погрешность (по сравнению с размером щели), т.к. тепловое движение – энергия около 1 эВ, что ничтожно на фоне энергии, до которой разгоняются ионы. Система должна находиться в вакууме, качеством не хуже чем при термическом испарении в вакууме, то есть остаточное давление≤104 Па. Взаимодействие ионов с атомами мишени. При попадании ионов в мишень происходит взаимодействие между ними. Электронные оболочки атома пересекаются с электронными оболочками ионов, что вызывает силы отталкивания. Может быть искривление траектории иона из-за взаимодействия с атомами мишени. ..атом выбивается из своего устойчивого положения, соотв., возможны распыления по поверхности мишени, если ион растерял энергию при предыдущих взаимодействиях и движется слишком медленно – возможно образование химических связей. При каждом столкновении с атомом мишени он теряет некоторую часть энергию. Столкновения могут быть описаны как столкновения двух упругих частиц в квазиклассической модели; в зависимости от массы иона и наличия/отсутствия эффекта Мизбауэра атому передается меньшее/большее количество энергии, и ион её теряет. Эффект Мизбауэра – существует резонансное поглощение. Энергия и импульс делятся между множеством атомов и ионов, чем больше количество элементов, тем меньше энергия разности(???). Ион теряет достаточно малую часть энергии, что сравнимо с энергией химических связей. Можно оценить глубину проникновения. При взаимодействии ионов с монокристаллами глубина проникновения сильно зависит от ориентации электронного пучка относительно кристаллографических плоскостей. Если направление движения ионов совпадает с одним из кристаллографических направлений, то происходит явление каналирования, при котором ион достаточно свободно проходит между двумя атомными рядами, и поскольку не взаимодействует с атомами, проникает глубже, нежели при случайном направлении. Глубина каналирования конечна (сложно угадать угол, он достаточно мал); кристалл имеет дефекты, с ними возможно столкновение; в самых идеальных условиях размеры иона сопоставимы с размером канала, поэтому будут происходить пусть и слабые, но взаимодействия с электронными оболочками, что повлечет за собой потерю энергии и изменение траектории ("расшатывание"). Распределение ионов считается Гауссовым, причем, отклонение глубины внедрения от её средней величины… Это рассеяние будет минимальным, минимум – разброс такого же порядка. Бомбардировка ионами приводит к амортизации поверхности, для восстановления структуры используется термический отжиг. Он вызывает диффузию внедренных ионов, диффузия из тонкого слоя описывается уравнением Гаусса в зависимости от времени, но при этом, отклонение увеличивается. Достоинства и недостатки. Недостатки: повреждение быстрыми ионами структуры поверхности. Достоинства: 1) Универсальность по материалам мишени/ионов. При таких больших энергиях химическое взаимодействие не играет большой роли. Позволяет получить легирование, невозможное при диффузии в принципе. 2) Более низкая температура, более медленная диффузия. 3) Возможность легирования на малую глубину. 4) Возможность отказаться от масок/шаблонов за счет сканирования ионным пучком. 5) Возможность точной дозировки примеси. Углеродные и родственные наноструктуры в наноэлектронике. Углерод образует множество аллотропных форм (состоят из углерода, имеют разную структуру). Валентным является второй уровень. Когда углерод приходит в возбужденное состояние при связи с другими атомами (в том числе и с атомами углерода), s-электроны распариваются, и один из них оказывается на p-уровне. Однако, такое состояние неустойчиво, чтобы углерод мог в нем существовать, поэтому происходит гибридизация, или смешение s и p-состояний. При этом образуется специфическое гибридизованное состояние. В отличие от s-электронов, гибридизованный электрон находится достаточно близко к уровню Ферми, чтобы образовать хим. связи, но энергия ниже, чем у p-электронов. Гибридизации могут подвергаться все четыре электрона, тогда это называется sp3 гибридизация, могут подвергаться гибридизации три электрона, и оставаться один p электрон (sp2), либо могут оставаться два гибридизованных и два негибридизованных электрона (sp). Гибридизованные электроны образуют сильные связи, их называют сигма-связями. Негибридизованные электроны образуют более слабые пи-связи (значительно слабее). Возможность того, что два электрона находятся в разных видах связи объясняет многообразие аллотропных форм. sp2 позволяет образовывать гексагональные слои. Могут быть образованы объемные наноструктуры. sp гибридизация образует линейные цепочки углерода с кратными связями. Проявляют ряд уникальных свойств, связаны связями Ван-дер-Ваальса. Графит. Связь оптических и электрических свойств. Электрически является полуметаллом. Электронная структура разделяется на зоны, но имеется перекрытие валентной зоны и зоны проводимости. Значительная часть валентных электронов находится в зоне проводимости, что позволяет иметь проводимость больше полупроводников, но меньше металлов. В наноэлектронике графит интересен только как базовая структура для понимания других структур, которые могли бы быть применены. Графен – первый перспективный материал. Представляет собой один плоский лист графита, не связанный с другими. Поскольку у него образуются оторванные связи, то его электронная структура изменяется, имеется представление о том, что он может иметь следующие свойства: Касание зоны проводимости и валентной зоны. Нулевая эффективная масса => высокая подвижность электронов и дырок. Электроны и дырки могут двигаться без траты энергии. Останется ли это свойство при возможности графена как п/п – неизвестно. Высокая теплопроводность. Высокая механическая прочность. Оптическая прозрачность. В силу тонкости материала. Метод получения графена на сегодняшний день: очень тонкие слои механически вырываются из графита специальной клейкой лентой, которая используется в качестве подложки, с неё распыляют молекулы графена (сотни атомов). Эксперименты проведены на природных структурах, основанных на sp2 гибридизации. Первые из подобных структур, были фуллерены. Составленные многогранники происходят из формул Эйлера. Из-за вкраплений пятиугольных элементов возможны C60,C70. Свойства и применение фуллеренов: Фуллериты – Ван-дер-Ваальсовы кристаллы. Полупроводник, Eg = 1,5 эВ. Нелинейные оптические свойства. Фоторезист. ВТСП-соединения (высокотемпературные сверхпроводящие) Углеродные нанотрубки. Углеродные нанотрубки представляют собой свернутый в трубу графеновый лист. Многообразие форм нанотрубки принято описать с помощью понятия хиральности. Хиральность показывает, как проходит окружность, перпендикулярная оси сечения. α – угол между вектором трансляции и осью. Сворачивание влияет на кристаллическое строение нанотрубки, в некоторых случаях она остается шестиугольной, без образования пяти- и семиугольных элементов. Нанотрубки случайной хиральности могут быть с искажениями атомной структуры. Свойства нанотрубок: Зависимость от хиральности. Металлические и полупроводниковые нанотрубки Высокие эмиссионные свойства Влияние адсорбции, наносенсорика. Электрические свойства. Возникают большие механические напряжения, что приводит к искажению электронной структуры. В нанотрубке не очень много атомов (при хиральности = 1 сотни атомов), формируются не энергетические зоны, а отдельные состояния. Перекрытие свободных состояний описывается формулой: M – n = 3q (разница чисел хиральности, кратная трем). Известно, что нужно для придания металлических свойств нанотрубкам, а что для полупроводниковых свойств. Массового производства нет, потому что нет промышленного способа получить нанотрубку определенной хиральности. Эмиссионные свойства. Оказалось, что в силу своей специфической структуры нанотрубки обладают эмиссионными свойствами, в частности полевой эмиссии. Пороговые напряженности для них оказались на порядок-два меньше типичных металлических диоксидных катодов, применяемых сейчас. Полевая эмиссия описывается формулой Фаулера-Норгейма. При напряженностях порядка 106-107 В/м плотность тока начинает нарастать. Получение нанотрубок. Получение нанотрубок из п/п материалов или металлов с размерами порядка 10 нм сложно сделать управляемым. 1. Электродуговой метод. Зажигается искра, происходит распыление анода. Оно происходит кластерами, которые сворачиваются в нанотрубки. 2. Метод лазерной абляции с таким же принципом, как и у электродугового метода – отделение небольшого количества вещества и последующее сворачивание. Отделившиеся и собравшиеся в фурелены и нанотрубки конденсируются на охлаждающих частях установки, оставаясь в твердом состоянии. Ввиду образования достаточно сильных частей при сильном нагреве обратно в графит они не превращаются. 3. Химическое осаждение – газ органического вещества нагревается до такой степени, что начинает распадаться на отдельные элементы, и при выделении углерода при высокой температуре он собирается (сам) в нанотрубки. Могут применяться катализаторы либо химические реакции (HCl для отбирания водорода). Возможности создания приборов с применением нанотрубок. 1. Диод на изогнутой нанотрубке. К концам подводятся золотые электроды. Изогнутость вызывает смещение энергетических уровней, в итоге, в данном случае эффективная Хиральность меняется таким образом, что слева нанотрубка обладает металлическими свойствами, справа полупроводниковыми. В таком случае, в электрическом отношении нанотрубка должна вести себя как диод Шоттки. Такая система является выпрямляющим диодом. 2. Транзисторы. Применяют два различных варианта – на металлической и полупроводниковой трубке. Трубка не изогнута, но так же остаются два электрода (может быть три). Нанотрубка лежит на напыленных металлических электродах (платина, золото), расположена на достаточно тонком слое диоксида кремния, под диоксидом кремния расположена кремниевая подложка в качестве электрода. Вся эта конструкция сильно напоминает полевой транзистор, где нанотрубка выполняет функции канала. Поэтому, проще понять работу п/п нанотрубки. Электрическое поле изменяет проводимость нанотрубки. В полупроводниковой нанотрубке есть затвор, и слой подложки, который образует электрическое поле, которое изменяет проводимость канала. Таким образом, такая конструкция может работать в качестве полевого транзистора. Транзистор на металлической нанотрубке. Нанотрубка имеет конечные размеры, поэтому уровни, на которых в ней могут находиться электроны, дискретные, и возможность проводимости определяется туннелированием электронов. Перейти могут только на незаполненное состояние. Положением этих состояний можно управлять за счет поля, выделяемого на подложке, и таким образом определять проводимость. Расщепление уровней зависит от размеров нанотрубки. Если нанотрубка размером порядка 1 мкм, то 1..10 мкВ, температура 1..10 К. Если размеры нанотрубки порядка 1..10 нм, то 1..10 мВ, и есть возможность работы при комнатной температуре. Переключение транзисторов в нанотрубках возможно за пикосекунду, поскольку происходят более быстрые процессы, чем в кремнии. Помимо уменьшения размеров, увеличивается частота. У нанотрубок хорошая теплопроводность, и удельную мощность можно повышать. Y-образная нанотрубка. Напряжение на одном из электродов влияет на ток между остальными двумя, таким образом, нанотрубка выполняет функции транзистора. Дисплеи и осветительные приборы на нанотрубках. Нанотрубки способны к значительной эмиссии электронов, на 1-2 порядка меньше традиционных эмиттеров (105 – 106 В/м). Дисплеи на нанотрубках сочетают достоинства ЖК-дисплеев и ЭЛТ экранов. На катод наносится пленка из нанотрубок, значительная часть которых оказываются перпендикулярны поверхности подложки. Так же делается проводящий алюминиевый анод и сетка, на которую подается напряжение, вызывающее эмиссию (все это происходит в вакууме). На анод наносится люминофор, который светится при бомбардировке электронами. Если расположить сетку достаточно близко (современные технологии позволяют сделать это на 1..10 нм), мы можем формировать изображение управлением напряжением на сетке. Таки образом, мы можем иметь свечение люминофора без ограничения угла обзора, как в ЭЛТ экранах, и управлять излучателем, как в ЖК дисплеях. У них достаточно низкое поле, вызывающее эмиссию, позволяет при десятках вольт вызывать эмиссию. Свет определяется люминофорами – красным, синим, и зеленым. Красного цвета – Y2O3:Eu Зеленый – ZnS:Cu Синий – ZnS:Ag, Cl. Осветительные приборы – идея та же самая, но есть некоторая борьба – покрыть как можно большую поверхность люминофором, что повлечет большее расстояние и большее напряжение. Один из изготовленных образцов имел следующие характеристики: 50 мм длины и 42 мм в диаметре; 5,4 кВ напряжение питания, диаметр проволоки 1 мм, изготовленной из железа, алюминия и хрома, работа выхода из нанотрубок составила порядка 5 эВ, что сравнимо с типичными эмиттерами, и коэффициент усиления относительно формулы Фаулера-Норгейма порядка около 23000. Плотность тока на аноде – 0,06 А/см, что дает яркость 10000 кд/м2 (сравнимо с современными люминесцентными лампами). Подобная лампа может использоваться для подсветки телевизора. Достоинства – быстрое включение; потребляет меньше энергии, чем люминесцентные лампы; не содержит паров ртути для разряда. Недостатки – размеры и мощность ограничены, что для эмиссии нанотрубок необходима определенная величина электрического поля – чем больше размеры, тем большее напряжение для работы такой системы; быстрые электроны ведут к появлению рентгеновского излучения. Используются гибридные схемы на основе нанотрубок и ЖК-дисплеев. Методы ионизирующей и зондовой микроскопии. Основные методы: Сканирующая туннельная микроскопия Атомно-силовая микроскопия Ближнепольная оптическая микроскопия. Они все основаны на взаимодействии зонда, находящегося на расстоянии, сравнимым с межатомными, с поверхностью. Основы сканирующей туннельной микроскопии, принцип работы. Заключается в том, что на расстоянии порядка 1 нм к пов-ти подводятся атомарно тонкий зонд, соотв., между поверхностью и зондом подается напряжение, под действием которого возможен туннельный переход электронов между пов-тью и зондом. При туннелировании преодолевается энергетический барьер в виде работы выхода, и соотв., возникает туннельный ток. Плотность туннельного тока зависит от расстояния и поданного напряжения. Упрощено(для малых напряжений) можно представить в виде выражения: дельтаZ – расст. между зондом и поверхностью, ϕ* - потенциал между ними. Каждые пол ангстрема ток повышается в e раз. 1. ОСП часть взаимодействия приходится на два ближайших к зонду атома(либо с одним). Если напряжения смещения повышает работу выхода – то начинается полевая электронная эмиссия. Техника сканирующей туннельной микроскопии. Сложности возникают при перемещении иглы на нанометровых масштабах. Существует решение в виде пьезосканеров. Пьезотрубка способна изгибаться в любом направлении при приложении напряжения. Используются две трубки – одна рабочая, другая для компенсации температурной деформации. Для более грубого позиционирования используются координатные стойки и прочая исследовательская техника. Туннельный микроскоп может применяться как в вакууме, так и без него. Причины возможности применения в отсутствии вакуума: Концентрация молекул в газообразном воздухе – 10…, в среднем одна молекула находится в кубе со стороной 10 нм. Рабочий промежуток – область 1 нм, вероятность того, что молекула находится в этом промежутке – одна тысячная. Промежуток настолько маленький, что он "сам себе вакуум". Недостаток – воздух влияет на механическую точность системы, влияя на точность позиционирования. Иглы для СТМ. Получают из металлической проволоки, используется вольфрам, сплав платины с иридием. Методы получения – травление в каппилярном отверстии с одновременным вытягиванием, и механическое разрезание. Методы работы и получаемые результаты. Первое направление исследований – атомарная структура поверхностей. Исследуют двумя методами: Метод постоянной высоты. Используют, когда поверхность достаточно ровная. В этом случае происходят небольшие изменения высоты в тех точках, где расположены атомы, но поскольку мы говорили о экспоненциальной зависимости тока от высоты, то мы можем фиксировать повышения значения тока из-за изменения высоты (в местах расположения атомов). Метод постоянного туннельного тока. Заключается в том, что система обратной связи при сканировании располагает зонд таким образом, чтобы туннельный ток оставался постоянным. Сигналом при этом являются непосредственно координаты зонда, которые приходится задавать системе зонда; они повторяют форму поверхности. Второе направление исследований – измерение локальной работы выхода. Для измерения локальной работы выхода на пьезосканер придают периодически изменяемое напряжение, которое приводят к периодическим изменениям расстояния между зондом и поверхностью. При малых колебаниях: - можно мерить работу выхода. Третье применение – туннельная спектроскопия по вольтамперным характеристикам. В простом случае, когда барьер прямоугольный и низкие температуры, плотность состояния вблизи уровня Ферми в металле Зонда практически постоянна, и тогда можно записать упрощенное выражение: ВАХ. 1) Характеристика металл-металл. До тех пор, пока контакт остается туннельным, плотность состояний на поверхности у металлов остается примерно постоянной, а это является определяющим фактором. Превышается уровень барьера, начинается электронная эмиссия. 2) Случай контакта металл-полупроводник. При приложении напряжения в обратном направлении зависимость как у p-n перехода(до пробоя). Вид производной позволяет нам говорить о плотности состояний в полупроводнике. Можно по границам роста определять границы уровня Ферми,.., если проводник примесный – определять, на каком уровне находятся примеси. 3) Контакт металл-сверхпроводник. Для с/п состояния находятся в виде ..пар, а свободные состояния отделены от них энергетической щелью. Когда потенциал смещения достигает щели, то возникает туннельный ток. При обратном смещении происходит расщепление куперовских пар, один из электронов занимает состояние около уровня металла, а другой преодолевает величину энергетической щели, так что возникает другая ветвь, подобная первой. Сказанное верно для температуры вблизи абсолютного нуля, в остальных случаях все равно возникает ток. В местах преодоления энергетической щели производная будет иметь высокие, хорошо видимые, пики.</1>