реферат (Формирование полупроводниковых и металлических нановолокон и спиралей)

2017-12-26СтудИзба

Описание файла

Файл "реферат" внутри архива находится в папке "Формирование полупроводниковых и металлических нановолокон и спиралей". Документ из архива "Формирование полупроводниковых и металлических нановолокон и спиралей", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "основы наноэлектроники и нанотехнологии" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "рефераты, доклады и презентации", в предмете "основы наноэлектроники и нанотехнологий" в общих файлах.

Онлайн просмотр документа "реферат"

Текст из документа "реферат"


Московский ордена Ленина, ордена Октябрьской Революции,

ордена Трудового Красного Знамени

Г
осударственный Технический Университет им. Н. Э. Баумана

Формирование полупроводниковых и металлических нановолокон и спиралей

Факультет «Машиностроительные технологии»

Кафедра «Электронные технологии в машиностроении»


Тема 9

Выполнил:

Рубцов М.А.

Группа: МТ11-81

______________

Руководитель:

Сидорова С. В.

______________

Москва

2015

Введение

Нановолокно — объект, два характеристических размера которого находятся в нанодиапазоне (~1-100 нм) и существенно меньше третьего.

Под определение нановолокон попадают все нанообъекты, два характеристических размера которых (обозначим их Lx и Ly) находятся в нанодиапазоне (~1-100 нм). Поскольку под волокнами, как правило, подразумеваются протяженные объекты, то два поперечных размера имеют обычно один и тот же порядок (Lx ~ Ly), а третий (обозначим его Lz), наибольший размер, может значительно превышать Lx и Ly по величине и выходить за пределы нанодиапазона:

Lz >> Lx,Ly ; Lx ~ Ly

Согласно определению международной организации по стандартизации ISO, соотношение Lx и Ly не должно превышать 3:1. При этом нанообъекты, соотношение поперечных характеристических размеров которых превышает 2:1, чаще называют нанолентами. К классу нановолокон относят такие нанообъекты, как нанотрубки, нанопроволоки, нановискеры и наностержни. Нановолокна могут быть жёсткими (наностержни) или гибкими, проводящими или не проводящими электрический ток.



Основная часть

Направленное травление и ускоренное отсоединение от подложки напряженных пленок открывают новые возможности в создании нанообъектов. Рассмотрим использование многослойных структур для изготовления плотных массивов нановолокон. Для практических применений в наномеханике, магнитоэлектронике, вакуумной электронике и материаловедении необходимы нановолокна не только из полимеров, но и из полупроводников и металлов. Нановолокна из твердых тел привлекательны, прежде всего, целым рядом важных для практики свойств: высокой электропроводностью (сверхпроводимостью), механическими и магнитными свойствами, термостойкостью, прочностью. В отличие от традиционных методов производства полимерных нановолокон путем использования растворов полимеров и синтеза с использованием катализаторов мы предлагаем использовать ультра тонкие пленки. Получить нановолокна можно двумя принципиально разными способами. Первый способ предполагает наноструктурирование выращеной тонкой пленки с помощью электронной или механической литографии и ее последующее отсоединение в селективном травителе. Второй, предполагает выращивание, с помощью селективной эпитаксии, массива тонкопленочных нанополосок и их последующее отсоединение от подложки.

Рис. 1. Изображения полученные на сканирующем электронном микроскопе. Нановолокна образованны разрезанием тонкой бипленки Si/SiGe (15 nm /5 nm) с помощью электронной литографии

Первый способ формирования полупроводниковых нановолокон иллюстрируется на рис. 1. В верхней части схематично приведен литографический рисунок, выполненный на тонкопленочной структуре. В нижней части демонстрируется электронно-микроскопическое изображение полученных нановолокон. Обратим внимание на то, что данные волокна проявляют гибкость и прочность. На последнем этапе изготовления была применена сушка на воздухе, при этом действие капиллярных сил не разрушило волокна, а только несколько перемешало их.

Рис. 2. Si/SiGe (15nm/5nm) нановолокно, созданное с помощью механической литографии

На рис. 2 показан пример одиночного нановолокна, Si/SiGe (15 нм/5 нм) нановолокно, созданное с помощью механической литографии. Экспериментальные попытки сломать, при помощи изгиба, это волокно не дали результатов. Представленные на рис. 1, 2 нановолокна получены из одиночной би-пленки. В действительности можно использовать многослойные пленки, содержащие до 300 би-слоев с компенсированными напряжениями (чередующиеся сжатые и растянутые слои), что позволит создать плотный массив волокон (рис. 3). Помещая плотный массив таких трубок в полимер, мы можем получить новый композитный материал.

Рис. 3. Схематично показано формирование массива нановолокон. Процесс включает в себя литографическое структуирование многослойной структуры и, происходящие под действием упругих сил, отсоединение и изгиб нанополосок.

Выше мы рассматривали формирование трубок, колец, волокон не заостряя внимание на анизотропных свойствах кристаллов. В действительности в монокристаллах можно условно выделить «мягкие» и «жесткие» направления, для которых, соответственно, модуль Юнга (Е) имеет большую Emax и меньшую Emin величину. В кубических кристаллах механические свойства на плоскости (111) практически изотропны. Анизотропия модуля Юнга возрастает в пленках, выращенных на поверхностях (100) (для GaAs Emax/Emin = 1,4) или (110) (для GaAs Emax/Emin = 1,65). Даже такая незначительная анизотропия модуля Юнга на поверхности уже приводит к зависимости формы оболочек от ориентации исходной меза-структуры. Физической причиной этого является то, что устойчивую форму оболочка приобретает при условии минимума ее упругой энергии. Минимум упругой энергии в анизотропной пленке зависит от направления, вдоль которого формируется оболочка. Наши экспериментальные результаты свидетельствуют, о том, что узкая полоска, ориентированная вдоль «мягкого» направления сворачивается в кольцо, а такая же полоска, ориентированная под углом сворачивается в спираль рис. 4 а, причем шаг спирали линейно зависит от угла отклонения от «мягкого» направления.

а) б) в) г)

Рис. 4.

а) схематичное изображение формирования спиралей из напряженных бислойных полосок, ориентированных вдоль «жесткого» направления;

б) SiGe/Si-полоска частично свернута в спираль;

в) InGaAs/GaAs микроспираль;

г) широкая полоса, свернутая в трехвитковую винтовую трубку.

Рис. 5. Спиралеобразные SiGe/Si волокна.

a) деформированные и залипшие под действием капиллярных сил волокна (обычная сушка), волокна чрезвычайно гибкие, поэтому не разрушились;

б) сегмент InGaAs/GaAs спиралеобразных волокон, полученных без деформации в результате сушки в суперкритическом CO2,

Анизотропия механических свойств пленок определяет также хиральность сворачиваемых трубок рис. 4 г. Трубки, сворачиваемые на плоскости (100) в направлении («мягкое» направление), не имеют хиральности (направление сворачиваемой плоскости перпендикулярно оси трубки). Такие трубки прочные, направления атомных плоскостей совпадают во всех слоях многовитковой трубки, в результате чего происходит сращивание g слоев, образующих стенку. Если направление сворачиваемой плоскости не перпендикулярно оси трубки, формируется геликоидальная трубка. Такие трубки менее прочные, так как сращивание неполное. Очевидно, что хиральность трубок влияет и на другие физические свойства трубок – оптические, электрические, пьезоэлектрические и т.д. Экспериментально мы наблюдали, что в диаметре геликоидальные трубки больше (до 30%), по сравнению с трубками, сворачиваемыми вдоль «мягких» направлений. Примеры расчета формы оболочек, сформированных из анизотропных пленок, приведены в работе. Рис. 5 иллюстрирует гибкость и прочность спиралеобразных волокон. В верхней части фотографии изображены деформированные и залипшие под действием капиллярных сил спиралеобразные волокна (обычная сушка), волокна чрезвычайно гибкие, поэтому не разрушились. В нижней части риc. 5 - сегмент InGaAs/GaAs спиралеобразных волокон, полученных без деформации в результате сушки в суперкритическом CO2. Данная фотография иллюстрирует высокую периодичность спирали. Минимальный диаметр изготовленной нами InGaAs/GaAs наноспирали составлял 7 нм.

Выше был дан качественный анализ эффектов, вызываемых анизотропией. В действительности механические свойства кубических кристаллов, к которым принадлежат полупроводники арсенид галлия, германий и т.д. описываются тензором четвертого ранга.

Пространственное расположение атомов в кристалле приводит не только к анизотропии механических свойств, но и к анизотропии химических свойств, что также было использовано для формирования наноструктур. Например, плотно упакованные грани (111) в большинстве травителей травятся значительно медленней, чем другие грани. В нашей технологии мы используем анизотропию жидкостного травления. При изготовлении прецизионных нанооболочек мы с помощью анизотропного травления формировали нужные нам границы и окна, обладающие гладкими и ровными поверхностями.

Рис. 6. схематично изображена многослойная GaAs/AlGaAs/GaAs/AlGaAs гетероструктура с V-канавками. Боковые стенки канавок содержат полоски GaAs, разделенные полосками AlGaAs. В таких структурах возможна эпитаксия только на полоски GaAs.

Второй способ, за которым, несомненно, будущее, основан на селективной эпитаксии, позволяет изготовлять прецизионные волокна. В качестве исходных высокоточных строительных блоков используются, прецизионные тонкопленочные полоски, выращенные на боковых гранях многослойной структуры (см. рис. 6). Ранее мы показали, что ширина выращенных полосок может достигать наноразмеров и задаваться с высочайшей точностью. Важно, что данный метод можно применить для массового изготовления прецизионных нановолокон. Один из вариантов – использовать периодически профилированные многослойные структуры (например, массив V канавок).

Для целого ряда практических применений в наномеханике, магнитоэлектронике, вакуумной электронике необходимы нановолокна из металлов. Металлы привлекательны, прежде всего, высокой электропроводностью (сверхпроводимостью), механическими и магнитными свойствами. Для создания металлических и нанотрубок и нановолокон по вышеописанному методу необходимо изготовить металлическую бипленку, содержащую сжатые и растянутые слои, а также предусмотреть возможность отсоединения ее от подложки, используя жертвенный слой. Для создания нановолокон мы ориентируемся на дешевый стандартный способ – напыление металлических пленок на подложки большой площади. Известно, что тонкие металлические пленки могут быть созданы либо сжатыми, либо растянутыми. Причем величину и знак внутренних напряжений можно задавать во время напыления. Большинство тугоплавких материалов, таких как золото, никель, хром, медь, вольфрам, железо при напылении в чистых условиях на холодную подложку образуют напряженные растянутые пленки. Присутствие примесей при напылении приводит к формированию сжатых пленок. Например, никелевые и титановые пленки, напыляемые в вакуумной системе в присутствии кислорода или водорода, являются напряженно-сжатыми. Многообразие металлов с различными химическими свойствами позволяет обеспечить и процесс отсоединения бипленки от подложки, оптимально выбирая материал для жертвенного слоя (травитель жертвенного слоя не должен взаимодействовать с материалом бипленки). Следует заметить, что особых требований к материалу подложки не предъявляется, а одну и ту же подложку можно многократно использовать.

Толщина и ширина, полученного Si/Ge/Si нановолокна соответственно 20 nm и 100 nm, а длина составляет около 200 мкм. Это результат нановолокна, полученного из одной пленки, а современная эпитаксия позволяет на подложке выращивать тысячи слоев, что позволяет массово изготовлять нановолокона из полупроводника или металла длиной сравнимой с диаметром подложки. В настоящее время диаметр подложек достигает 30 см. Таким образом, на одной пластине можно получить 109 нановолокон длиной 30 см. В ближайшее время будут создаваться подложки существенно большего диаметра. Если такую пленку разрезать на непрерывное тонкое нановолокно размером 1 нм, то длина этого волокна будет сравнима с длиной окружности Земли.

Свежие статьи
Популярно сейчас
Как Вы думаете, сколько людей до Вас делали точно такое же задание? 99% студентов выполняют точно такие же задания, как и их предшественники год назад. Найдите нужный учебный материал на СтудИзбе!
Ответы на популярные вопросы
Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.
Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.
Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!
Да! На равне с готовыми студенческими работами у нас продаются услуги. Цены на услуги видны сразу, то есть Вам нужно только указать параметры и сразу можно оплачивать.
Отзывы студентов
Ставлю 10/10
Все нравится, очень удобный сайт, помогает в учебе. Кроме этого, можно заработать самому, выставляя готовые учебные материалы на продажу здесь. Рейтинги и отзывы на преподавателей очень помогают сориентироваться в начале нового семестра. Спасибо за такую функцию. Ставлю максимальную оценку.
Лучшая платформа для успешной сдачи сессии
Познакомился со СтудИзбой благодаря своему другу, очень нравится интерфейс, количество доступных файлов, цена, в общем, все прекрасно. Даже сам продаю какие-то свои работы.
Студизба ван лав ❤
Очень офигенный сайт для студентов. Много полезных учебных материалов. Пользуюсь студизбой с октября 2021 года. Серьёзных нареканий нет. Хотелось бы, что бы ввели подписочную модель и сделали материалы дешевле 300 рублей в рамках подписки бесплатными.
Отличный сайт
Лично меня всё устраивает - и покупка, и продажа; и цены, и возможность предпросмотра куска файла, и обилие бесплатных файлов (в подборках по авторам, читай, ВУЗам и факультетам). Есть определённые баги, но всё решаемо, да и администраторы реагируют в течение суток.
Маленький отзыв о большом помощнике!
Студизба спасает в те моменты, когда сроки горят, а работ накопилось достаточно. Довольно удобный сайт с простой навигацией и огромным количеством материалов.
Студ. Изба как крупнейший сборник работ для студентов
Тут дофига бывает всего полезного. Печально, что бывают предметы по которым даже одного бесплатного решения нет, но это скорее вопрос к студентам. В остальном всё здорово.
Спасательный островок
Если уже не успеваешь разобраться или застрял на каком-то задание поможет тебе быстро и недорого решить твою проблему.
Всё и так отлично
Всё очень удобно. Особенно круто, что есть система бонусов и можно выводить остатки денег. Очень много качественных бесплатных файлов.
Отзыв о системе "Студизба"
Отличная платформа для распространения работ, востребованных студентами. Хорошо налаженная и качественная работа сайта, огромная база заданий и аудитория.
Отличный помощник
Отличный сайт с кучей полезных файлов, позволяющий найти много методичек / учебников / отзывов о вузах и преподователях.
Отлично помогает студентам в любой момент для решения трудных и незамедлительных задач
Хотелось бы больше конкретной информации о преподавателях. А так в принципе хороший сайт, всегда им пользуюсь и ни разу не было желания прекратить. Хороший сайт для помощи студентам, удобный и приятный интерфейс. Из недостатков можно выделить только отсутствия небольшого количества файлов.
Спасибо за шикарный сайт
Великолепный сайт на котором студент за не большие деньги может найти помощь с дз, проектами курсовыми, лабораторными, а также узнать отзывы на преподавателей и бесплатно скачать пособия.
Популярные преподаватели
Нашёл ошибку?
Или хочешь предложить что-то улучшить на этой странице? Напиши об этом и получи бонус!
Бонус рассчитывается индивидуально в каждом случае и может быть в виде баллов или бесплатной услуги от студизбы.
Предложить исправление
Добавляйте материалы
и зарабатывайте!
Продажи идут автоматически
5076
Авторов
на СтудИзбе
455
Средний доход
с одного платного файла
Обучение Подробнее