Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 51

Квантование сопротивления нанотрубок при ком)натной температуре экспериментально было обнаруженопри измерении сопротивления многослойных нанотрубокдиаметром 5–25 нм и длиной 1–10 мкм. В этих экспери)ментах многослойные нанотрубки укреплялись на зон)де СТМ, а вторым электродом служили ртуть или другойжидкий легкоплавкий металл (Ga, сплав Pb–Bi) в резер)вуаре под зондом. Обнаружено, что проводимость трубокизменяется скачками, равными кванту проводимости2e22 (12,9 кОм) 11.hСкачки происходили по мере погружения нанотрубки вжидкий металл, что было связано со вступлением в кон)такт с жидким металлом очередной внутренней трубки вмногослойной нанотрубке. Следовательно, сопротивлениеодной нанотрубки равно кванту сопротивления.В этих же экспериментах был получен еще один важ)ный результат.

Нанотрубки не повреждались при подаченапряжений до 6 В. Таким напряжениям соответствова)ли плотности токов ~107 А/см2, а рассеиваемая мощность~3 мВт. Если бы такая тепловая мощность распределяласьоднородно по длине трубки, то температура в серединетрубки имела бы значение ~2 × 104 К, и она бы испарилась.Это означает, что тепло выделялось вне трубки, в элек)тродах.

Следовательно, режим движения электронов внанотрубке является баллистическим. Установлено, чтоЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ289нанотрубки могут выдерживать токи до 109 А/см2. Однаиз причин высокой проводимости нанотрубки — малоеколичество дефектов кристаллической структуры, вызы'вающих рассеяние электронов. Пропусканию токов плот'ностью до 109 А/см2 способствует и высокая теплопро'водность нанотрубки (медный провод плавится при плот'ности тока ~106 А/см2). Таким образом, металлическиенанотрубки можно рассматривать как перспективный ма'териал для межсоединений.При температурах ~1 К обнаружены области кулонов'ской блокады (см. п.

7.6.2) на вольт'амперных характе'ристиках для нанотрубок и пики проводимости при опре'деленных напряжениях на затворе. Эти данные показы'вают, что проводимость осуществляется через дискретные,хорошо разделенные электронные состояния.Тщательные измерения показали, что величина элек'тропроводности одиночных нанотрубок зависит от струк'туры и условий их получения, от структурных дефектов внанотрубках, от примесей, адсорбированных на их поверх'ности, от качества контактов и способа их нанесения.Эмиссионные свойства. Современная технология ши'роко использует электронные токи в вакууме: в диспле'ях, вакуумной электронике, электронной микроскопии,при генерации рентгеновского излучения и т. д.

В настоя'щее время наиболее распространенный способ полученияэлектронных пучков — термоэлектронная эмиссия. Обыч'но источники электронов — вольфрамовые нити (или по'ристые матрицы, пропитанные материалом, понижающимработу выхода электронов), нагреваемые до температурпорядка 1000°С. Недостатки термокатодов — большие те'пловые потери, инерционность, изменение размеров принагревании, относительно небольшой срок службы, газо'выделение при нагреве, ухудшающее вакуум.Альтернативный способ получения электронных пуч'ков — полевая (или автоэлектронная) эмиссия.

Полеваяэмиссия — это испускание электронов с поверхности большой кривизны (острия) под действием электрическогополя. Напряженность электрического поля Е* вблизи ост'рия во много раз превосходит среднее по межэлектронному290НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьпромежутку значение Е. Величина g = E*/E называется коэффициентом полевого усиления. Полевая эмиссия — кван%товый эффект; электроны покидают твердое тело посред%ством туннелирования через потенциальный барьер на гра%нице с вакуумом.

Ток эмиссии экспоненциально растет суменьшением работы выхода электрона из эмиттера и сувеличением напряженности электрического поля Е* вточке, из которой идет эмиссия. Величина Е* пропорцио%нальна приложенному напряжению U и коэффициентуполевого усиления g, который зависит от радиуса острияэмиттера r (g ~ 1/5r).В настоящее время широко используются эмиссионныесвойства различных материалов для применения в такихустройствах, как плоские панельные дисплеи, электрон%ные пушки в микроскопах, микроволновые усилители.Для технологических приложений материалы полевыхэмиттеров должны иметь низкое пороговое поле и стабиль%ность относительно высоких плотностей эмиссионноготока.

При изготовлении стандартных полевых эмиттеровиспользуют острия из кремния и алмаза. Дороговизна та%ких эмиттеров компенсируется их преимуществами: малыеразмеры, высокая плотность эмиссионного тока, отсутст%вие нагревателей, небольшие затраты энергии при работе.Исследования эмиссионных свойств нанотрубок пока%зали, что они представляют собой перспективный мате%риал для полевых эмиттеров. Нанотрубки имеют высокуютепло% и электропроводность, химически стабильны. Бла%годаря малым поперечным размерам коэффициент поле%вого усиления нанотрубок на 2–2,5 порядка выше, чем уобычных эмиттеров.

Эмиттеры из нанотрубок имеют зна%чительно больший срок службы и существенно меньшеезначение порогового поля, чем эмиттеры из других мате%риалов.Эмиттировать электроны способны открытые и закры%тые, многослойные и однослойные нанотрубки, их верти%кально упорядоченные ансамбли и специальные конструк%ции из нанотрубок (см. рис. 8.53б), а также сростки и плен%ки из нанотрубок со случайной их укладкой.

Эмиссионныехарактеристики нанотрубок значительно различаются вЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ291зависимости от условий их синтеза и процесса изготовле!ния катодов. Одиночные нанотрубки!эмиттеры подходятдля электронных микроскопов высокого разрешения и длянанолитографии. В остальных приложениях используют!ся пленки из нанотрубок.

Они дают достаточные по вели!чине эмиссионные токи, просты в изготовлении, легкомасштабируются. Разработано два способа изготовленияэмиттеров — пленок из нанотрубок: 1) нанесение или ук!ладка на подложку предварительно полученных нанотру!бок; 2) выращивание нанотрубок непосредственно на под!ложке методом CVD (см. п. 8.5.2). Первый способ предпоч!тителен, когда используются однослойные нанотрубки,так как их наращивание методом CVD требует высокихтемператур, что ограничивает выбор подложек.

Наилуч!шей воспроизводимостью свойств и наибольшим време!нем жизни обладают эмиттеры из закрытых и многослой!ных, правильно уложенных нанотрубок. Подобные ан!самбли нанотрубок получают методом CVD на катодныхподложках с предварительно нанесенным рисунком ката!лизатора (см.

рис. 8.53б). Этот способ дает возможностьрегулировать в широких пределах размер и плотность рас!положения нанотрубок.Химическая модификация нанотрубок. Химическаямодификация расширяет возможности применения нано!трубок. Один из способов модификации — так называе!мая «прививка» функциональных групп. Например, окис!ленная поверхность нанотрубки покрывается в растворахгруппами (–СООН), (–СО), (–ОН). При обработке в кисло!тах «прививаются» кислотные группы (например, –HSO4).На «функционализированные» нанотрубки можно сорби!ровать ионы или наночастицы металлов, а также слож!ные молекулы, включая ДНК.

Посредством функциона!лизации можно добиться растворимости нанотрубок в рядеорганических растворителей (бензол, толуол и др.).Метод «прививки» используется для расширения воз!можностей АСМ. В настоящее время разработаны техноло!гии присоединения нанотрубок к зондам АСМ (см. п. 8.4.5,рис. 8.38). Функциональные группы прививают к кончи!кам нанотрубок, что дает возможность использовать АСМ292НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностькак химически чувствительный анализатор вещества наатомном уровне. Были созданы зонды с кислотными, ос&новными и гидрофобными свойствами, а также с биологи&чески активными группами.Особую роль в модификации нанотрубок играет фторирование. Атомы фтора можно «прививать» к боковым стен&кам нанотрубок.

Фторирование внешних боковых поверх&ностей нанотрубок влияет на их электронные свойства иможет менять проводимость нанотрубок от полупроводни&ковой до металлической и наоборот, вплоть до состояниядиэлектрика. Это свойство дает принципиальную возмож&ность получать гетеропереходы на одной нанотрубке посред&ством модифицирования отдельных ее участков.Внедрением примесей между слоями многослойныхнанотрубок (интеркалированием) им можно сообщатьp или nтип проводимости. Интеркалирование атомов&до&норов (K, Rb, Cs) сообщает nтип полупроводниковым на&нотрубкам.

Установлена корреляция плотности носителейзаряда с концентрацией атомов интеркалированного калия.При интеркалировании акцепторов (Br2, J2) также имеетместо перенос заряда, и трубки приобретают pтип прово&димости. Проводимость nтипа можно создавать напыле&нием щелочных металлов на поверхность нанотрубки.Заполнение нанотрубок.

Заполнение нанотрубок раз&личными веществами представляет большой интерес дляпрактических применений. Нанотрубка, заполненная ато&мами металла или полупроводника, может быть миниа&тюрным элементом схемы. Углеродную оболочку можноудалить окислением, и тогда получится нанопроволока.Возможность заполнения нанотрубок газом открываетперспективу создания эффективных устройств для сорб&ции и хранения газообразных веществ.Жидкости втягиваются в полость нанотрубки за счет ка&пиллярного эффекта, если их поверхностное натяжение непревышает некоторого критического значения, зависящегоот диаметра трубки. Жидкости, поверхностное натяжениекоторых превышает ~0,2 Н/м, не способны капиллярно втя&гиваться внутрь нанотрубки. На воздухе в нанотрубки мо&гут втягиваться расплавленные свинец и висмут.