Создание баз данных в области наноэлектроники как элементов информационной составляющей инфрастр (стр. 15 из 19)

Механизм роста нанотрубок до сих пор неясен. Так как для роста однослойных трубок необходим металлический катализатор, механизм должен объяснять роль атомов кобальта или никеля. Одно из предложений, называемое «механизмом скутера», состоит в том, что атомы металлического катализатора присоединяются к оборванным связям на открытом конце трубки и обегая ее по краю, способствуют захвату атомов углерода из паровой фазы и их встраиванию в стенку трубки.

В другой модели роста углеродных нанотрубок активные радикалы углерода (либо атомы, либо ионы), диссоциированные из газообразного метана в металл-катализатор на подложке, растворяются в этом металле и прорастают вверх, поднимая при этом мельчайшие частицы металла-катализатора.

В случае одностенной нанотрубки на ее концах можно обнаружить металлические частицы, что свидетельствует в пользу каталитической роли атомов металла в формировании структуры трубки.

Как правило, имеет место селективный рост углеродных нанотрубок на металле-катализаторе, нанесенном на подложку. Учитывая эту особенность селективного роста, можно использовать нанотрубки в полупроводниках, где необходимо контролировать изготовление шаблона с размерами порядка нанометров.

Обычно при синтезе получается смесь нанотрубок разных типов с различным характером и величиной электропроводности, причем в зависимости от диаметра и хиральности две трети из них имеют полупроводящие свойства, и одна треть — металлические. Металлические трубки обычно имеют кресельную структуру. На рис. 15 приведены способы организации нанотрубок в зависимости от хиральности и угла сворачивания [184]. Однослойная нанотрубка может иметь диаметр 2 нм и длину 100 микрон, что делает ее квазиодномерной структурой, способной служить нанопроволокой.

Группа из IBM разработала метод отделения полупроводящих нанотрубок от металлических. Для разделения смешанные пучки нанотрубок осаждают на кремниевую подложку, а затем на эти пучки напыляют металлические электроды. Используя подложку как электрод, на него подают небольшое напряжение смещения, запирающее полупроводниковые трубки и эффективно превращающее их в изоляторы. Затем между металлическими электродами прикладывается высокое напряжение, создающее большой ток в металлических нанотрубках, что приводит к их испарению, после чего на подложке остаются только полупроводниковые нанотрубки.

1.2.7.2. Характеристики углеродных нанотрубок и требования для их применения в полупроводниковых приборах

На современном этапе исследований возможны два применения углеродных нанотрубок в полупроводниковых приборах. Одно из них состоит в использовании углеродных нанотрубок в качестве канала затвора в полевых транзисторах, учитывая, что характеристики, подобные характеристикам полупроводника, могут быть получены путем контроля вектора хиральности. Другое применение заключается в использовании углеродных нанотрубок в качестве межслойных контактов или многослойных пленок, принимая во внимание такие преимущества нанотрубок, как высокая плотность электрического тока, высокая электропроводность, высокая теплопроводность и высокое аспектное отношение. В таблице 3 приведены характеристики УНТ в сравнении с обычными материалами. Как видно из этой таблицы, плотность тока в нанотрубке выше, чем в кремнии и меди примерно в 2 раза. Также подвижность выше, чем в кремнии. Ввиду того, что теплопроводность углеродной нанотрубки в 10-20 раз выше, чем у кремния и меди и ее упругость очень высока, можно говорить о том, что углеродная нанотрубка является наилучшим материалом для межслойных контактов.

Табл. 3.

Углеродные нанотрубки	Кремний (транзистор)	Медь (разводка)
Плотность тока(А/см2)	1 х 109	1 х 107	1 х 107
Скорость переноса электронов (см/с)	2т8хЮ9	1 х 107
Удельное сопротив-ление (Ом х см)	4 х 10~4 2х 106	1,67 х 10"6
Тепропроводность (Вт/мК)	3000 Ч- 5500	150	398
Технология процесса	Самоорганизация	Литография	Литография

На рис. 16 приведена зависимость ширины щели полупроводящих нанотрубок от их наружного диаметра. Только одностенная углеродная нанотрубка демонстрирует характеристики, похожие на характеристики полупроводника. Можно видеть, что одностенная УНТ может иметь разную ширину запрещенной зоны: 1,5 эВ, как у арсенида галлия, приблизительно 1 эВ, как у кремния или 0,7эВ, как у германия, в зависимости от различий в диаметре. Однако, из вышеприведенных значений становится ясно, что ширина запрещенной зоны изменяется уже при возрастании диаметра нанотрубки всего на 0,1 нм, что вызывает необходимость жесткого контроля диаметра одностенной углеродной нанотрубки с точностью приблизительно 0,1 нм для того, чтобы получить желаемую ширину запрещенной зоны. Следует отметить, что большое внимание должно уделяться не только контролю числа стенок нанотрубки и наружного диаметра. Имеется и множество других параметров: типа хиральности, длины, направления, положения роста и других параметров, контролирующих характеристики углеродных нанотрубок. Поэтому для того, чтобы УНТ можно было применять в технологии полупроводников, необходимо тщательно контролировать каждый из этих параметров.

Для того, чтобы контролировать наружный диаметр углеродной нанотрубки, необходимо также иметь оборудование для изменения формы и толщины каталитической металлической поверхности, либо использовать мельчайшие частицы с заранее заданным диаметром. Необходимо иметь возможность выращивания точно заданного количества углеродных нанотрубок в точно заданном месте, и с точно заданными длиной и диаметром.

Таким образом, основными требованиями к технологии выращивания нанотрубок являются: 1- контроль положения; 2- контроль плотности; 3 - контроль направления роста; 4- контроль хиральности; 5 - рост при низкой температуре.

Технологии изготовления полупроводниковых приборов с использованием УНТ должны обеспечивать: 1 - сопротивление контакта; 2 – травление; 3 – легирование; 4 - пассивацию и т.д.

Что касается других применений нанотрубок, то, например, по сообщению фирмы IBM, углеродные нанотрубки обладают свойством электролюминесценции, что предполагает использование углеродных нанотрубок в качестве оптических элементов.

1.2. 8. Диагностика наноструктур

Современное развитие физики и технологии твердотельных наноструктур, проявляющееся в непрерывном переходе топологии элементов электронной техники от субмикронных размеров к нанометровой геометрии потребовало разработки новых и усовершенствования существующих диагностических методов, а также создания новых образцов оборудования для анализа свойств и процессов в низкоразмерных системах, в наноматериалах и в искусственно создаваемых наноструктурах. В этом плане особое внимание уделяется созданию и применению взаимодополняющих высокоразрешающих методов практической диагностики и характеризации наноструктур, обеспечивающих получение наиболее полной информации об основных физических, физико-химических и геометрических параметрах наноструктур и протекающих в них процессов.

В настоящее время существует огромное число методов диагностики, еще больше методик исследования физических и физико-химических параметров и характеристик твердотельных и молекулярных структур. Вместе с тем, получение наноструктур, низкоразмерных систем и новых наноструктурированных материалов с заданными свойствами, предназначенных для применения в современной электронике, ставит и новые диагностические задачи. Для решения современных задач диагностики наноструктур требуется адаптация к этим задачам традиционных методов (оборудования), а также развитие новых, прежде всего локальных (до масштабов 0,1 нм) методов исследования и анализа свойств и процессов, присущих объектам нанометровой геометрии и системам пониженной размерности.

Методы нанодиагностики должны быть по возможности неразрушающими и давать информацию не только о структурных свойствах нанообъектов, но и об их электронных свойствах с атомным разрешением. Для разработки нанотехнологий решающей оказывается также возможность контролировать атомные и электронные процессы insituс высоким временным разрешением, в идеале до времени, которое равно или меньше периода атомных колебаний (до 10^-13 с и менее). Необходима также диагностика электронных, оптических, магнитных, механических и иных свойств нанообъектов на «наноскопическом» уровне. Невозможность полного удовлетворения этих требований приводит к использованию комплекса методов диагностики нанообъектов, среди которых необходимо выделить следующие основные группы методов:

• электронная микроскопия высокого разрешения, которая исторически явилась первым методом, реально обеспечивающим визуализацию структуры объектов с атомным разрешением. К этому методу примыкают различные модификации электронной микроскопии, обеспечивающие проведение химического анализа нанообъектов, исследования insitu, поверхностно-чувствительные методы, такие как отражательная электронная микроскопия, микроскопия медленных электронов и другие. Во многих случаях электронная микроскопия высокого разрешения является единственным источником получения информации о внутренней структуре и структуре границ раздела таких нанообъектов,как квантовые ямы и квантовые точки;