авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |

Физико-технологические основы создания функциональных элементов наноэлектроники на основе квазиодномерных проводников

-- [ Страница 3 ] --

В качестве подтверждения выдвинутых во второй и третьей главах положений был реализован маршрут формирования структур с полевым эффектом на основе тонких углеродных плёнок. Отличительной особенностью углеродных плёнок является образование летучих компонентов при ЛАО, что позволяет создавать идеальные барьерные слои. Тем не менее, используемые в работе плёнки аморфного углерода являются термически менее стабильными в атмосфере воздуха по сравнению с плёнками металлов, покрытых слоем оксида. Применение низкоразмерных структур, обладающих кристаллическим совершенством, таких как графены и нанотрубки, позволит улучшить параметры стабильности элементов наноэлектроники на основе углерода.

Результатом третьей главы является разработка физико–технологических основ формирования функциональных структур на основе металлических и углеродных квазиодномерных проводников, и результаты исследования их статических электрических характеристик.

Четвёртая глава посвящена разработке и исследованию физико-технологических принципов интеграции углеродных нанотрубок в состав функциональных элементов с использованием групповых методов микроэлектроники, а также развитию методов зондовой микроскопии для визуализации и исследования квазиодномерных проводников в составе функциональных элементов.

Отличительной особенностью углеродных нанотрубок является возможность манипулирования отдельными молекулами при формировании структур на их основе. Методологически выделяются два процесса при интеграции нанотрубок: непосредственный рост нанотрубок в предопределенных точках схемы и манипулирование нанотрубками, созданными a priori. При этом в случае роста нанотрубок преимущество в виде предопределенного положением катализатора центра формирования наноструктур нивелируется ограничением в выборе функциональных параметров получаемых структур и проблемами совмещения с традиционными технологическими процессами. Классификация основных методов позиционирования нанотрубок в составе электронных компонентов приведена на рис. 9. В работе рассматриваются вопросы манипулирования углеродными нанотрубками с использованием механических и электрокинетических методов.

Сила связи между подложкой и нанотрубкой составляет несколько десятков наноньютонов. Аналогичный порядок величины имеют и силы, возникающие между подложкой и зондом кантилевера. Таким образом, варьируя параметры силового взаимодействия между кантилевером и нанотрубками при планарном микромеханическом манипулировании нанотрубок, возможна реализация двух процессов: перерезание и передвижение макромолекулы. Полученные данные о силах взаимодействия между нанотрубкой и поверхностью позволили разработать методы электрокинетического позиционирования и манипулирования углеродными нанотрубками при формировании интегральных структур наноэлектроники, основанные на возможности поляризации углеродной нанотрубки во внешнем электрическом поле [3]. Предложенные технические решения и конструктивные модели позволяют организовать условия, при которых возможно осаждение нанотрубок из растворов в предопределенных заданным шаблоном участках интегральной схемы. На рис. 10а представлена схема реализованной установки для диэлектрофореза нанотрубок на пластине, содержащей два краевых электрода, соединённых с набором токоведущих шин.

 Основные методы позиционирования-20

Рис. 9. Основные методы позиционирования углеродных нанотрубок при создании элементов наноэлектроники

Была рассчитана физическая модель и предложена соответствующая топология электродов (рис. 10б, г), позволяющая контролируемо высаживать одиночные нанотрубки (пучки) (рис. 10в) или сетки пучков нанотрубок (рис. 10д). Управление процессом осаждения нанотрубок осуществляется за счёт регулирования параметров диэлектрофореза (частоты и амплитуды приложенного напряжения), а также геометрии электродов. При этом возможно получение одиночной нанотрубки между электродами за счёт самоостановки процесса электрофореза при возникновении токового канала и уменьшении соответственно величины электрофоретической силы в зазоре.

На основе предложенного технологического базиса была разработана конструкция тестовой структуры на основе нанотрубок для оценки радиуса закругления острий кантилеверов, проведены испытания на нескольких типах зондов АСМ: промышленных кантилеверах, сверхострых кантилеверах вискерного типа и зондов, полученных электрохимической заточкой вольфрама. При исследовании в атомно-силовом микроскопе наноразмерных объектов, таких как нанотрубка, возникает ситуация, когда на изображение нанообъекта накладывается изображение острия иглы АСМ. В случае, если размер объекта меньше размера радиуса острия зонда, может происходить полная конволюция острия зонда, и размер острия может быть вычислен на основе изображения полученного нанообъекта. Таким образом, нанотрубки с a priori известными геометрическими размерами могут служить тестовым образцом для определения радиуса закругления острия кантилевера.

а)

Рис. 10. Схема лабораторной установки диэлектрофореза углеродных нанотрубок на пластине (а). Диэлектрофорез углеродных нанотрубок в зазоре шириной 4 мкм (б – расчёт напряженности поля, в – АСМ-изображение) при приложении разности потенциалов 5В и частоте 100 кГц; в зазоре шириной 16 мкм (г - расчёт напряженности поля, д - АСМ-изображение) (амплитуда – 20 В, частота 100 кГц)

Одной из проблем при визуализации углеродных нанотрубок в составе интегральных структур является не только искажение изображения нанотрубок вследствие конволюции острия зонда, но и их физическая модификация в результате силового воздействия кантилевера. Разработанная методика микроскопии индуцированного электрического поля на воздухе позволяет производить визуализацию нанотрубок с минимальным разрушающим воздействием со стороны кантилевера. Методика решает задачу проводника, внесённого в зазор между обкладками конденсатора, и учитывает присутствующий адсорбат на поверхности исследуемой структуры. В этом случае амплитуда резонансных колебаний кантилевера, инициированная переменным электрическим полем с частотой, равной половине резонансной, будет пропорциональна:

, (4)

где d - совокупная толщина адсорбата между остриём зонда и поверхностью образца, U1 - амплитуда приложенного напряжения между зондом и основанием образца, Z - расстояние между остриём зонда и поверхностью образца, Cz, Cx,y – ёмкость образца и поверхности соответственно.

При сканировании структуры, содержащей нанотрубки, радиус сечения которых меньше радиуса зонда и меньше шага сканирующего зондового микроскопа, возможна визуализация («засвечивание») в микроскопии электрического поля изображения нанотрубки, тогда как в режиме топографического контраста нанотрубка остаётся, практически, не заметна для иглы АСМ (рис. 11).

В результате разработки физических принципов зондовой нанотехнологии в формировании и исследовании структур на основе углеродных нанотрубок были впервые обнаружены зондовыми методами углеродные нанотрубки, полученные при холодной деструкции графита (рис. 12). Данные нанотрубки могут быть как в виде отдельных волокон, так и виде разветвлённых структур, что связано с расщеплением графита в процессе получения не только на отдельные атомарные плоскости, но и с разрывом С-С связи внутри графена с образованием механических напряжённостей, приводящих к образованию нанотрубок ветвящегося типа.

Методы зондовой микроскопии позволяют определять электрофизические характеристики углеродных нанотрубок. В работе развиты методы сканирующей туннельной микроскопии для определения геометрических параметров (угол хиральности и диаметр) отдельных нанотрубок, находящихся в стандартных условиях (атмосферное давление и состав, комнатная температура) (рис. 13).

а б

Рис. 12. АСМ- изображения нанотрубок, полученных методом холодной деструкции графита: одиночная (а) и ветвящаяся нанотрубка (б)

Рис. 13. Измерение угла хиральности для одиночных нанотрубок
N W, нм H, нм dWH, нм dN, нм
1.5 8 2,5 0,43 1,04 1,36
2 4 1,8 0,22 0,62 0,63

Таблица 1. Параметры атомарной структуры углеродных нанотрубок

В случае сканирования нанотрубки в туннельном режиме, силы, как было показано ранее, составляют десятки наноньютонов, что приводит к деформации трубочной основы, которая усугубляется за счет давления иглы через адсорбат – «самосжатый» режим туннелирования. В таблице 1 приведены значения, полученные непосредственным измерением ширины и высоты видимой части нанотрубок на подложках, где - угол хиральности, N – число видимых атомов, W – ширина изображения, H – высота изображения, dWH – диаметр нанотрубки, рассчитанный из эллиптического сечения, полученного при «самосжатом» режиме сканирования, dN – диаметр нанотрубки, рассчитанный исходя из числа атомов. Полученные расчётные результаты согласуются между собой с точностью до 30%, что в условиях размеров наблюдаемых структур составляет менее 0,3 нм.

В пятой главе описаны разработанные конструктивно-технологические основы создания элементов наноэлектроники на основе углеродных нанотрубок. Разработан технологический маршрут изготовления простейшего активного элемента на основе углеродной нанотрубки и пучка нанотрубок, приведены конструктивные варианты реализации схем инверторов, проанализированы физические механизмы, лежащие в основе работы данных устройств.

При реализации технологического маршрута с использованием процессов традиционной технологии необходимо обеспечить надежный интерфейс между углеродной нанотрубкой и токоведущей шиной. В зависимости от условий эксплуатации прибора должны быть обеспечены: либо надёжный омический контакт, либо контакт, реализующий активные функции прибора (Шоттки, туннельный, эмиссионный). Надежность и стабильность в данном случае являются критическими параметрами.

На рисунке 14 приведена схема сечения по топологическим слоям тестового кристалла для исследования основных параметров УНТ в составе электронных схем. Роль управляющего нижнего затвора может выполнять либо высоколегированная подложка, либо сформированный тонкий слой металла под диэлектриком, контакты к нанотрубкам реализованы за счёт тонких металлических (не более 20 нм) или углеродных (до 10 нм) плёнок. На данных структурах были проведены измерения электрических свойств различных нанотрубок: однослойных, двухслойных, многослойных и их пучков.

Отличительной особенностью пучка углеродных нанотрубок является возможность присутствия в нём, как нанотрубок металлического, так и полупроводникового типа. Использование предложенных конструктивных методов повышения качества СТМ–визуализации атомарной структуры углеродных нанотрубок позволило определить электрофизические параметры углеродных нанотрубок в пучке (рис. 15).

" width="900" >

Рис. 15. СТМ изображение атомарной структуры нанотрубок в пучке. На вставках: СТС зависимости соответственно нанотрубок 1 и 2

Впервые методами сканирующей туннельной спектроскопии (СТС) в стандартных условиях было продемонстрировано, что углеродные нанотрубки в пучке могут обладать различными электрофизическими свойствами: полупроводниковыми или металлическими. Таким образом, при контакте туннельного зонда с металлической нанотрубкой вид зависимости тока от приложенного напряжения имеет принципиально омический закон с небольшой нелинейностью в области нуля, обусловленной туннельным барьером; при контакте с нанотрубкой полупроводникового типа - нелинейность более существенна, что связано с присутствием запрещенной зоны в энергетическом спектре нанотрубок.

На основе пучка однослойных углеродных нанотрубок реализован макет полевого транзистора (рис. 16). Предложен механизм токового удаления нанотрубок металлического типа, за счет импульсного пропускания больших плотностей тока. Проводимость полученного элемента изменяется на три порядка, при изменении потенциала внешнего поля на затворе от -10 до +10 В, что связано с большой толщиной диэлектрика (рис. 17). Из рис. 17 можно определить пороговое напряжение VПОР = 2В и при нулевом потенциале на заторе (приводимость G(VЗИ=0В) = 90 нСм) для структуры с длиной канала 2 мкм подвижность может быть рассчитана как = 1800 см2/В·с.

а б

Рис. 16. АСМ - изображение макета полевого транзистора на основе пучка ОСНТ (а) и вид его вольтамперных характеристик (б)

Основываясь на полученных данных можно рассчитать функциональные свойства транзистора, например, предельную тактовую частоту, используя традиционное приближение кремниевой технологии для МОП-транзисторов [4]. Тогда для напряжения питания 10 В имеем предельную тактовую частоту:

,

где cн – ёмкость нагрузки (Ф). И для ёмкости нагрузки 0,5 пФ получаем предельную тактовую частоту транзистора на нанотрубке 0,2 ГГц.

Реализация элементарного логического вентиля – инвертора на основе полевого ОСНТ-транзистора с линейной нагрузкой демонстрирует перспективы применения нанотрубок в качестве основных компонентов элементов наноэлектроники (рис. 18). Тем не менее, на данный момент высоки потери на контактном сопротивлении между нанотрубкой и электродом. В случае логического уровня единицы U1вх =2В ни в одном из логических уровней не происходит полного переключения, тем не менее, коэффициент передачи в этом случае максимален для предложенной схемы реализации и равен 0,75. Однако в обоих логических состояниях через элементы текут токи, что увеличивает их потребляемую мощность. При переходе к динамическим исследованиям, несмотря на малую емкость, вносимую непосредственно нанотрубкой, ограничения на частотные характеристики оказывают элементы традиционной разводки.

Основной механизм функционирования приборов в данном конструктивном исполнении основан на формировании барьеров Шоттки между нанотрубкой и материалом электрода. При уменьшении потенциала на затворе Uзи (считаем, что потенциал истока заземлен) барьер Шоттки становится тоньше в области контактов стока и истока. Одновременно происходит поднятие зон в теле нанотрубки. Рассеяние в проводнике выражается в падении напряжения по всей длине трубки. Соответственно при приложении положительного потенциала, смещение энергии Ферми происходит в противоположную сторону, что приводит к запиранию тока через контакты.

Интегральные схемы на основе углеродных нанотрубок могут обладать существенными достоинствами в ряду специальных приложений. Результаты проведённых в диссертационной работе исследований продемонстрировали стабильность характеристик при воздействии облучения электронами с дозой 106 рад и нейтронами 5·1012 нейтрон/см2, что связано с малыми размерами углеродных нанотрубок и стабильностью из кристаллической структуры. Тем не менее, заряды могут накапливаться в приповерхностных слоях диэлектрика, что влияет на полевой эффект и изменяет основные электрические параметры элементов на основе углеродных нанотрубок.

В шестой главе рассмотрены вопросы применения углеродных нанотрубок в составе чувствительных слоёв сенсорных элементов.

Одно из непосредственных преимуществ углеродных нанотрубок как квазиодномерных проводников - возможность организации интерфейса между отдельными молекулярными структурами и схемами обработки информации. Данное свойство позволяет рассматривать нанотрубки в качестве перспективного материала сенсорных систем. В работе реализованы элементы на основе одиночных нанотрубок, их пучков и сеток и исследованы их электрофизические свойства в зависимости от температуры окружающей среды, влажности, а также концентрации различного рода примесей в атмосфере (аммиака, хлора и спиртов).

Проведены комплексные исследования температурных свойств структур на основе одиночных полупроводниковых однослойных нанотрубок, их сеток и многослойных нанотрубок. Сопротивление структур на основе многослойных УНТ и сеток УНТ, лежащих на тонких углеродных электродах, уменьшается на ~25% при увеличении температуры от 25 до 210 С, имеет активационный характер и определяется контактным сопротивлением между нанотрубками и электродами. Сопротивление структур на основе однослойных УНТ полупроводникового типа, лежащих на тонких углеродных электродах, уменьшается на 80 % при увеличении температуры от 25 до 210 С при потенциале затвора 10 В. На рис. 19 приведена зависимость нормированного сопротивления структуры (где R(T) - значение сопротивления при температуре T, R(Tкомн) - при комнатной температуре) от обратной температуры.

Предложена модель транспорта в системе нанотрубка / электроды на основе термоэлектронной эмиссии (эмиссии Шоттки): когда два объекта расположены очень близко друг к другу, высоту барьера можно значительно снизить перекрытием потенциалов сил изображения, благодаря чему сопротивление уменьшается экспоненциально в зависимости от высоты потенциального барьера между проводящими объектами. Если расстояние между нанотрубкой и электродом достаточно мало (доли нм), то энергия активации Ea, может оказаться достаточно малой. При наложении внешнего поля E между нанотрубкой и электродами (эмиссия Шоттки) энергия активации станет еще меньше. Таким образом, эмиссия Шоттки между нанотрубкой и электродом приводит к экспоненциальной зависимости сопротивления от величины, обратной температуре. Это означает омическое поведение в области слабых полей и зависимость вида exp() при больших напряженностях поля.

 Изменение сопротивления структур-36

Рис. 19. Изменение сопротивления структур на основе нанотрубок в зависимости от температуры (для каждой кривой указана расчётная величина энергии активации). Напряжение сток-исток UСИ =30 мВ



Pages:     | 1 | 2 || 4 | 5 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.