Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 49

Они позволяют контролировать разность температурмежду матрицей и средой с точностью до 1°. На рис. 8.48показаны также увеличенное изображение секции матри!цы кантилеверов, ячейки отдельного П!образного канти!левера и зонд кантилевера при двух увеличениях. Пере!кладина в П!образном кантилевере представляет собойнагревательную платформу, выполненную из высокоом!ного кремния. Светлой точкой обозначено расположениезонда. «Ноги» П!образного кантилевера это х и увыво!ды, выполненные из низкоомного кремния.Процесс записи информации. На адресуемую строку вматрице кантилеверов на 20 мкс подается отрицательноесмещение, одновременно на столбцы подаются входныеРис.

8.48СЭМмикрофотографии чипа с матрицей 32´32 кантилеверов,секции матрицы и деталей отдельного кантилевераЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ277данные от мультиплексора. Для «1» — положительноесмещение, для «0» — земля. Таким образом, ток идет че&рез все кантилеверы строки. Но фиксируют «1» толькокантилеверы с положительным смещением. Ток, идущийчерез заземленные кантилеверы, недостаточен для размяг&чения резиста, и эти кантилеверы записывают «0». Затемпроцесс повторяется для следующей строки и т. д.Процесс считывания. Для считывания снова исполь&зуется нагреваемая часть кантилеверов.

Считывание ос&новано на зависимости ее сопротивления от температурыв диапазоне 20–700°С. При этом сопротивление нагрева&теля сначала увеличивается, а при дальнейшем нагрева&нии резко падает вследствие тепловой генерации собствен&ных носителей заряда. В режиме считывания резисторработает при температуре ~350°С. Эта температура недос&таточна для размягчения полимера.Теплообмен между нагревателем и средой храненияданных идет через воздух и зависит от расстояния междуними. Когда зонд идет в углубление, теплообмен через воз&дух становится более эффективным, в отсутствие углуб&ления — менее эффективным.

В результате, при подачеимпульса тока температура нагревателя будет выше, ко&гда под ним нет углубления. Так как сопротивление на&гревателя зависит от его температуры, то максимальноезначение сопротивления во время импульса меньше, ко&гда зонд идет в углубление.

Таким образом, во время про&цесса считывания сопротивление кантилевера принимаетразличные значения в зависимости от того, идет ли зонд вуглубление (бит «1») или над областью без углубления(бит «0»).Относительное изменение сопротивления по величинемало (~10–4). Поэтому цепь детектирования наличия илиотсутствия углубления должна иметь высокое разрешение.В процессе чтения на адресуемую строку подается от&рицательное смещение, а на столбцы — земля (через пре&дохранительный резистор ~10 кОм), и кантилеверы под&держиваются слабо нагретыми.

Во время сканированияизмеряются напряжения на резисторах, что позволяетсчитывать записываемые данные.278НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальность8.5.УГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИУже отмечалось (см. п. 6.9), что углеродные нанотруб#ки рассматриваются как один из наиболее перспективныхматериалов для нанотехнологий в различных областяхтехники.Углеродные нанотрубки представляют собой однослой#ные или многослойные полые наноскопические цилинд#ры диаметром от 0,5 нм (отсюда их название — нанотруб#ки). С момента открытия нанотрубок (1991 г.) вниманиеисследователей привлекают их необычные свойства —нанометровые размеры, высокая удельная поверхность,высокая электропроводность (выше, чем у графита), вы#сокая механическая прочность, химическая стабильность,способность присоединять к своей поверхности атомы ме#таллов и радикалы, что дает возможность целенаправлен#но изменять характеристики нанотрубок.Сейчас в лабораториях различных стран ведутся сот#ни разработок по применению нанотрубок в самых раз#личных областях: электронике, химии, измерительнойтехнике, производстве материалов, медицине, энергети#ке и др.

Диапазон возможных применений нанотрубоквесьма широк: это химические источники тока и экранытелевизоров, шестерни в наномеханизмах и сверхчувст#вительные химические сенсоры, искусственные мускулыи логические ячейки в процессорах, радиозащитные эк#раны и наноэлектронные схемы, «баки» с водородным то#пливом для двигателей автомобилей и весы (с чувствитель#ностью 10–18 г), композитные материалы и ткани, и т. д.Некоторые применения уже реализованы на практике.Сюда относятся, например, телевизионные дисплеи нананотрубках и разного рода композиционные материалыс особыми свойствами.В настоящее время ведется широкий поиск альтерна#тивных подходов для дальнейшей миниатюризации ИМС.Углеродные нанотрубки, благодаря своим электроннымсвойствам, открывают новое перспективное направлениеэлектроники будущего.

Уже продемонстрирована возмож#ность создания диодов, полевых транзисторов, одноэлек#279Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИтронных транзисторов, логических цепей на основе полу#проводниковых нанотрубок. Нанотрубки могут проявлятьтакже металлическую проводимость и исполнять роль под#водящих проводов. Таким образом, можно создавать эле#ментную базу электроники целиком на основе нанотрубок(«углеродная наноэлектроника»).

В компании IBM разра#батывается технология формирования массива транзисто#ров на основе нанотрубок, а также интеграции полупровод#никовых и металлических нанотрубок на одной подложке.Мировой объем производства нанотрубок с заданнымисвойствами исчисляется пока килограммами в год (1 граммоднослойных нанотрубок стоит сотни долларов). Широ#кое применение нанотрубок станет возможным только врезультате развития технологий получения нанотрубок впромышленных масштабах. Ниже рассматриваются свой#ства нанотрубок, представляющие интерес для электро#ники, и некоторые устройства на их основе.8.5.1.ФОРМА И СТРУКТУРА НАНОТРУБОКОднослойные нанотрубки. Минерал графит имеетслоистую структуру.

Каждый слой построен из гексаго#нальных ячеек — шестиугольников, в вершинах которыхрасположены атомы углерода (рис. 8.49а). Идеальная на#нотрубка — это свернутая в цилиндр графитовая плос#кость, причем цилиндр не имеет «швов» (рис. 8.49б). Диа#метры нанотрубок могут изменяться от 0,5 нм примернодо 100 нм, длина — от нескольких десятков нанометровдо миллиметров.абвРис. 8.49Модель структурыграфита (а); модельграфитовой плоскости,свернутой в цилиндр ввиде нанотрубки (б);модель закрытойнанотрубки,т.

е. с головкой наконце (в). Способысворачивания графитовой плоскости на рис. (б)и (в) различны280НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьРис. 8.50аСТМизображение нанотрубкис атомным разрешением (а);модель образования нанотрубокс различной хиральностьюпри свертывании графитовойплоскости в цилиндр (б)бНа рис. 8.50а приведено СТМизображение нанотрубки с атомным разрешением. Видны гексагональные ячейки атомов углерода и ориентация гексагональной сеткиотносительно оси трубки.

Меняя эту ориентацию, можнополучить много различных вариантов сворачивания графитовой плоскости в трубки.Взаимная ориентация гексагональной сетки и оси нанотрубки определяется основной характеристикой нанотрубки, которая называется хиральностью. Хиральностьзадается набором двух целых чисел — m и n. Они указывают координаты шестиугольника, который в результате сворачивания графитовой плоскости совпадает с шестиугольником в начале координат. На рис.

8.50б показаны примеры, соответствующие различным числам m и nЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ281(m = 6, 12, 18; n = 0, 2, 3, 6, 9). Числа m и n определяютдиаметр трубки D:3a0D 1 m2 2 n2 2 mn,3где a0 = 0,142 нм — сторона шестиугольной графитовойячейки.Особыми свойствами отличаются нанотрубки с хиральностью (10, 10). В них две связи С–С в ячейке параллельны оси трубки (см.

рис. 8.49б). Как показали эксперименты, такие нанотрубки имеют чисто металлическуюпроводимость, повышенную стабильность и при получении массива нанотрубок количественно преобладают надтрубками с другой хиральностью.В настоящее время нет способа выращивания нанотрубок с заданной хиральностью; в одном процессе синтеза образуются нанотрубки с различными хиральностями.Диаметр и длину трубок можно варьировать изменениемусловий синтеза.Нанотрубки существуют не только в форме прямыхцилиндров. Разработаны методы получения Т-образныхи У-образных нанотрубок.

Электронная микрофотографияУ-образной нанотрубки приведена на рис. 8.51.Головки нанотрубок. Нанотрубки после процесса получения обычно закрыты многослойными полусферическими головками, каждый слой которых состоит из5- и 6-угольных ячеек (см. рис. 8.49в). Химическая активность головки и стенок различна; головки менее устойчивы, поэтому специальной химической обработкойможно удалять головки и получать нанотрубки с открытыми концами.Многослойные нанотрубки.

Однослойные нанотрубки получают специальными методами синтеза. В остальных методах бо´льшая часть получаемых трубок — многослойные, онисодержат от двух до десятков слоев.Рис. 8.51Модели разновидностей структурЭлектроннаямикрофотографиямногослойных нанотрубок представУобразнойлены на рис. 8.52а, б, в. Для всехнанотрубки282аНАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьбвгРис. 8.52Модели многослойных нанотрубок (а, б, в);сечение многослойной нанотрубки (г)структур расстояние между слоями равно 0,34 нм — эторасстояние между слоями в кристаллическом графите(см. рис.