Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 50

8.49а). Как правило, меньше дефектов содержатоднослойные нанотрубки.8.5.2.МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОТРУБОКРассмотрим основные методы получения нанотрубок.Разряднодуговой метод. Метод основан на термиче/ском распылении графитового анода в плазме дуговогоразряда, горящего в атмосфере гелия. В дуговом разрядепостоянного тока с графитовыми электродами при напря/жении 15–30 В, токе 100–300 А и давлении гелия ~104 Папроисходит интенсивное термическое распыление анода.Продукты распыления осаждаются на стенках камеры ина поверхности катода (до 90%). В катодном осадке содер/жатся многообразные наночастицы углерода, в том числеи нанотрубки.

Количество нанотрубок в оптимальных ус/ловиях составляет ~60%.В катодном осадке содержатся преимущественно мно/гостенные нанотрубки с различной хиральностью и диа/метрами в диапазоне от одного до нескольких десятковнанометров. Распределение нанотрубок по размерам ихиральностям определяется условиями горения дуги.Для выделения нанотрубок из катодного осадка ис/пользуется метод ультразвукового диспергирования. Да/Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ283лее, для удаления головок и внешних слоев нанотрубок,производится их окисление на воздухе или в других газо#образных и жидких окислителях (СО2, HNO3).Термическое распыление в дуге в присутствии катализаторов. Образованию длинных однослойных на#нотрубок способствуют металлы групп платины и желе#за.

В аноде высверливается продольное отверстие, кото#рое заполняется смесью порошков металла и графита.Наибольшая эффективность достигается при использо#вании смешанных катализаторов из двух металлов груп#пы железа. В прикатодной области образуется материал,содержащий преимущественно однослойные нанотрубкидиаметром 0,9–3,1 нм и длиной свыше 5 мкм.

В качествекатализаторов можно использовать и другие металлы,например иттрий и лантан.Лазерное распыление. Как и в предыдущем методе,нанотрубки получаются в результате термического распы#ления графита. Графитовый стержень#мишень находитсявнутри кварцевой трубки, помещенной в нагревательнуюпечь. Мишень обдувается потоком аргона (или гелия, во#дорода, азота) и облучается импульсами мощного лазерана неодимовом стекле. Сажа, образующаяся в результатераспыления, уносится потоком аргона и осаждается наохлаждаемый коллектор, а затем диспергируется ультра#звуком. Добавление в мишень металлических катализа#торов приводит к такому же эффекту, как и в предыду#щем случае.

Лазерный метод более производителен, чемдуговой.Химическое осаждение из пара, или chemical vaperdeposition (CVD#метод). Это один из перспективных мето#дов промышленного синтеза нанотрубок для устройствэлектроники, так как дает возможность получения ан#самблей однослойных нанотрубок на подложках (в томчисле упорядоченных ансамблей на профилированныхподложках). Метод дешев и легко масштабируется.В CVD#методе поток углеродосодержащего газа (ме#тан, ацетилен и т.

п.) пропускается над нагретой до оп#ределенной температуры подложкой, покрытой катали#затором (полностью или только на заданных участках).284аНАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьбРис. 8.53Углеродная нанотрубка 2, растущаяот частицы никеля 1 (а); матрицапризматических«башен» из нанотрубок, полученнаяCVDметодом наподложке пористогокремния (б)Углеродосодержащий газ может пропускаться в смеси сдругими газами, например водородом.

На подложке илиее участках происходит каталитическое разложение уг)леродосодержащего газа с выделением углерода. От час)тиц катализатора растут однослойные углеродные нано)трубки. На рис. 8.53а приведена электронная микрофо)тография однослойной нанотрубки, растущей от частицыникеля.

На рис. 8.53б изображена матрица призматиче)ских «башен» из нанотрубок. На подложку пористогокремния через теневые маски с квадратными отверстия)ми размером (38´38) мкм2 осаждалась пленка катализа)тора (железо) толщиной ~5 нм. От участков, покрытыхкатализатором, росли «башни» вертикально ориентиро)ванных многослойных нанотрубок диаметром 16 нм. Се)чение «башен» соответствует размеру квадратных участ)ков катализатора; высота ~130 мкм.Кроме рассмотренных, существуют и другие методыполучения углеродных трубок: электролитический син)тез, получение нанотрубок в пламени углеродосодержащихгазов (ацетилен, бензол и др.), конденсация углеродногопара, образующегося в результате резистивного нагреваграфитовой ленты, на подложку из графита.

Единичныеэкземпляры нанотрубок обнаруживаются в любой саже,например в печных дымоходах, на стенках выхлопныхтруб автомобилей и т. д.Характерным свойством нанотрубок является их аг)регирование с образованием сростков в виде пучков. На)нотрубки слипаются под действием сил Ван)дер)Ваальса,стремящихся минимизировать поверхностную энергию.Отдельные нанотрубки могут выделяться специальнымиметодами из переплетенных нанотрубок и пучков.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИа285бРис.

8.54Образец осадка, содержащего жгуты нанотрубок (а);сегмент отдельного жгута (б)На рис. 8.54а показаны жгуты из однослойных нано!трубок; на рис. 8.54б приведен сегмент жгута из нанотру!бок. Образец, содержащий нанотрубки, получен методомлазерного распыления.8.5.3.СВОЙСТВА НАНОТРУБОКЭлектронные свойства. Нанотрубки обладают рядомважных для электроники свойств.

Они могут быть полу!проводниками и иметь металлическую проводимость. Ве!личину и тип проводимости полупроводниковых трубокможно изменять при помощи внешних воздействий. Элек!тронные свойства нанотрубок, а также их наноразмеры,достаточно высокая электропроводность и хорошая теп!лопроводность дают основание рассматривать нанотруб!ки как перспективный материал для активных элементови межсоединений в наноэлектронике.Электронные свойства нанотрубок определяются ихструктурой (основная структурная характеристика — хи!ральность, см. п. 8.5.1). Теоретически обосновано и экс!периментально подтверждено, что при n – m = 3i (гдеi = 0, 1, 2, 3...) нанотрубка имеет металлическую прово!димость, при n – m ¹ 3i нанотрубка является полупровод!ником.

Ширина запрещенной зоны DEg имеет порядок не!скольких десятых эВ и уменьшается обратно пропорцио!нально диаметру нанотрубки D. Например, DEg = 0,6 эВпри D = 1,4 нм.286НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьабвРис. 8.55Схема изогнутой нанотрубки(а); АСМизображение изогнутой нанотрубки на кварцевойподложке (б); вольтампернаяхарактеристика перехода,возникшего на изгибе нанотрубки (в): на врезке приведена ВАХ(вольтамперная характеристика) верхней прямолинейнойчасти нанотрубкиЗависимость электронных свойств от структуры позво%ляет формировать на индивидуальной нанотрубке p–n игетеропереходы, т. е.

создавать активные элементы ИМС.Например, если в атомную сетку нанотрубки, состоящуюиз 6%угольных ячеек, внедрить дефекты в виде 5% и 7%уголь%ных ячеек, расположенных на противоположных концахдиаметра, то нанотрубка изогнется (рис. 8.55а). АСМ%изо%бражение изогнутой нанотрубки, расположенной на квар%цевой подложке и имеющей контакт с золотыми электро%дами, приведено на рис. 8.55б.

Вольт%амперная характе%ристика изогнутой нанотрубки нелинейна (рис. 8.55в).Верхняя прямолинейная часть нанотрубки (до изгиба)имеет металлическую проводимость; ее вольт%ампернаяхарактеристика линейна (см. врезку на рис. 8.55в). Про%водимость нижней и верхней частей изогнутой нанотруб%ки становится различной вследствие различия ориента%ций сеток ячеек относительно оси трубки. Так можно по%лучить трубки с полупроводниковой и металлическойчастями. Подобная нанотрубка работает, как выпрямляю%Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ287щий диод (диод Шоттки).

Нанотрубки Уобразной формы(см. рис. 8.51) также пропускают ток только в одном направлении, что обусловлено дефектностью структуры вместе соединения зубцов. Гетеропереходы полупроводник–полупроводник можно получить соединением нанотрубок разного диаметра (о других способах формированиягетеропереходов см. ниже).Эксперименты показали, что у нанотрубок есть ещеодно полезное для применения в электронике свойство.В структуре полевого транзистора (исток–затвор–сток) сполупроводниковой нанотрубкой в роли канала можноуменьшать проводимость нанотрубки с помощью электрического поля затвора на 6 порядков, то есть фактическипревращать нанотрубку в диэлектрик.

В этой же структуре можно переводить проводимость нанотрубки из pтипав nтип посредством отжига. Так создаются p и nполевыетранзисторы, а следовательно, и комплементарные МОПструктуры (КМОП), являющиеся основой логических элементов интегральных микросхем.При синтезе обычно получаются пучки нанотрубок сразличным типом проводимости (примерно 1/3 металлических и 2/3 полупроводниковых). Для разделения смешанные пучки нанотрубок осаждают на кремниевую пластину, покрытую слоем SiO2 толщиной 200 нм.

Затем наэти пучки литографическим способом наносятся золотыеполоски — электроды. Пластина кремния играет роль затвора. На затвор подается напряжение (~10 В), и электрическое поле затвора переводит полупроводниковые нанотрубки в непроводящее состояние. Электрическими импульсами, подаваемыми на электроды, металлическиенанотрубки разрушаются, на подложке остаются одни полупроводниковые. Существуют и другие способы разделения металлических и полупроводниковых нанотрубок.Электропроводность. Проводимость нанотрубки имеет квантовый характер, причем движение электронов внанотрубке может происходить как вдоль оси, так и попериметру нанотрубки. Однако движение по периметру(окружности) возможно при условии, что на длине окружности укладывается целое число длин волн де Бройля. Это288НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьограничивает число состояний электрона, в которых онможет двигаться по периметру.

Направлением свободно)го движения электрона — носителя тока является направ)ление вдоль оси трубки.Нанотрубку можно рассматривать как квантовый про)вод (нить). Как известно, если квантовый провод являетсяодновременно и баллистическим, то его электропровод)ность квантуется (см. гл. 7, п. 7.3.7). Квантование прово)димости удается наблюдать при сверхнизких температурахв одномерных дорожках, выделяемых из двухмерного газа.При комнатных температурах квантование проводимостинаблюдается в металлических проволоках длиной в не)сколько нанометров и шириной, соствляющей доли нано)метров.