Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике, страница 52

При этомЧасть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ293диаметр образующегося свинцового провода может состав$лять 1,5 нм. Для втягивания других металлов применяютсяспециальные приемы: приложение внешнего давления; ис$пользование азотной кислоты в качестве растворителя ме$талла с последующим восстановлением металла (так былиполучены нанотрубки, содержащие никель, кобальт, желе$зо); втягивание расплавленных окислов и солей (галогени$дов и нитратов) с последующим восстановлением металла(так были получены проволоки серебра диаметром 4 нм идлиной 47 нм); заполнение нанотрубки металлами в процес$се каталитического синтеза (так были получены нанопрово$локи из хрома, никеля, гадолиния и других металлов).С помощью метода заполнения нанотрубок можно фор$мировать переходы металл–полупроводник и металл–ме$талл на индивидуальных нанотрубках.Как известно, ключевая проблема на пути развитияэкологически безопасного автомобильного транспорта наводородном топливе состоит в создании легких и надеж$ных систем для хранения водорода.

В принципе, в качест$ве перезаряжаемого «водородного бака» можно было быиспользовать массивы нанотрубок. В последнее время ве$дутся разработки по заполнению нанотрубок водородом.Нанотрубка — хороший сорбент канцерогенных диок$синов в промышленных газах$отходах. В этом отношениинанотрубки превосходят активированный уголь и порис$тый графит.Большой теоретический и практический интерес пред$ставляют структуры, называемые «наностручками». Этиструктуры представляют собой нанотрубки, внутри ко$торых находятся чужеродные молекулы, например фул$лерены C60.

В большинстве случаев диаметр нанотрубок(1,4 нм) вдвое превышает диаметр молекулы фуллерена(0,7 нм). Фуллерены внутри трубок способны перемещать$ся, образовывать па´ры и цепи. Наличие фуллеренов внут$ри нанотрубки влияет на ее электронные свойства; в буду$щем стручковые структуры могут стать основой сверхми$ниатюрных устройств.Фуллерены и другие формы углерода образуются на$ряду с нанотрубками в процессах синтеза. Обычно они294НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьудаляются специальной обработкой. Однако в некоторыхслучаях фуллерены оказываются в полости нанотрубок,проникая через дефекты в стенках или через открытыйконец. Разработаны условия процесса синтеза нанотрубокс повышенным выходом «стручковых» структур.

Удаетсясинтезировать нанотрубки с молекулами металлофуллеренов внутри, т. е. молекулами фуллеренов, в центре которых находится ион металла.Механические свойства. Углеродные трубки отличаются высокой механической прочностью. Так, предел прочности на разрыв у однослойной нанотрубки составляет45 ГПа, у стальных сплавов — 2 ГПа. Податливость материала на продольную деформацию характеризуется модулем Юнга (Е). У стали Е ~ 0,21 ТПа, у нанотрубки — в пределах 1,3–1,8 ТПа, т. е. почти на порядок больше, чем устали.

Углеродные нанотрубки могут служить идеальными упрочняющими наполнителями в композитах с матрицей любого состава. Особый интерес представляют высокопрочные композиты нанотрубок с полимерами. Онинайдут применение в авиа- и автомобилестроении.Углеродные нанотрубки не только прочны, но и упруги при изгибе. Нанотрубку можно свернуть в кольцо, иона распрямится без повреждений. Большинство материалов ломаются при изгибе из-за наличия таких дефектов,как дислокации и границы зерен. Стенки нанотрубки имеют мало структурных дефектов и, кроме того, углеродныеячейки в виде правильных шестиугольников при изгибеменяют свою структуру, но не рвутся.8.5.4.НЕУГЛЕРОДНЫЕ НАНОТРУБКИВ последнее время разработаны технологии полученияуглеродных нанотрубок с частично замещенными атомамиуглерода, а также нанотрубки из других веществ.

Спектрсвойств неуглеродных нанотрубок достаточно широк, чтоповышает возможности их применения. Например, боразотные нанотрубки — широкозонный полупроводниковый материал, электронные свойства которого, в отличиеот углеродных нанотрубок, не зависят от геометрии. Час-Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ295тичное заполнение трубки металлом дает гетеропереход«широкозонный полупроводник–металл», на основе ко&торого можно получать диоды, способные функциониро&вать при высоких температурах. Бор&азотные нанотрубкиперспективны для создания низковольтных полевых эмит&теров.

Углеродные нанотрубки с частичным замещениематомов углерода на атомы азота могут быть металлически&ми или полупроводниковыми с узкой энергетической зо&ной, в зависимости от расположения атомов азота и угле&рода. Синтезированы дисульфидные нанотрубки MoS2 иWS2 диаметром ~50 нм и длиной в несколько сотен нано&метров. В таких нанотрубках обнаружена высокая адсорб&ция водорода. Нанотрубки MoS2 могут найти применение вэлектрохимическом катализе и в производстве аккумуля&торов. Ведутся работы по синтезу нанотрубок карбида крем&ния, возможности применения которых очень широки, бла&годаря их твердости и высокой температуре плавления.8.5.5.ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОТРУБОКВ ЭЛЕКТРОНИКЕБлагодаря уникальным свойствам углеродных нано&трубок существует принципиальная возможность созданияэлементной базы электроники, целиком основанной на при&менении нанотрубок.

Как уже отмечалось, интерес к угле&родной наноэлектронике, многочисленные исследования иразработки в этой области связаны с приближающимсяпределом миниатюризации ИМС на основе кремния. Элек&тронные схемы на нанотрубках — это дальнейший этапминиатюризации, основанной на принципе «снизу вверх».Свойства нанотрубок, необходимые для применений вэлектронике, были рассмотрены в предыдущих разделах.В зависимости от структуры, существуют как полупроводниковые, так и металлические нанотрубки. В полупровод&никовых нанотрубках можно изменять тип проводимостис помощью легирования. При помощи тока в канале прово&димости вдоль нанотрубки можно управлять поперечнымэлектрическим полем, т. е.

на индивидуальных нанотруб&ках можно создавать аналоги n и pполевых транзисторов,296НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностькоторые служат основой современных микроэлектронныхсхем. На индивидуальных нанотрубках можно формиро&вать p–n&переходы. Есть способы создания гетероперехо&дов полупроводник–полупроводник (соединение нанотру&бок различного диаметра), а также металл–полупровод&ник (изгибание нанотрубки, частичное заполнение трубкиметаллом или химическая модификация ее фрагментов).Выпрямляющими свойствами (односторонней проводимо&стью) обладают трубки Т& и У&образной формы.

Металли&ческие нанотрубки имеют высокую электропроводность,пропускают токи без существенного нагрева, могут выпол&нять роль межсоединений.Безусловно, переход к электронике на нанотрубках неможет быть быстрым; она делает первые шаги, и многиепроблемы еще не решены. Предполагается, что сначала бу&дут создаваться гибридные схемы и приборы, действующиенаряду с традиционными. В настоящее время разработанметод разделения полупроводниковых и металлическихнанотрубок (см.

п. 8.5.3), найдены методы получения элек&трических контактов к нанотрубкам; исследованы сопро&тивления контактов нанотрубок с различными металлами.Разработаны методы получения нанотрубок Т& и У&образ&ной формы, «стручковых структур», методы заполнениянанотрубок атомами металлов. Необходимым условиемиспользования нанотрубок в схемах является возможностьмонтировать нанотрубки в заданные архитектуры, поме&щая их в требуемые положения с необходимой ориента&цией. С этой целью отработаны методы ориентированно&го осаждения нанотрубок из газовой фазы (метод CVD,см. п. 8.5.2) как в плоскости подложки, так и перпенди&кулярно к ней.

Примеры контролируемого роста нанотру&бок на подложках кремния показаны на рис. 8.56а,б.Еще одно достоинство углеродной электроники — ра&диационная стойкость.Рассмотрим примеры некоторых устройств на углерод&ных нанотрубках.Полевой транзистор на полупроводниковой нанотрубке. Схема транзистора на индивидуальной нанотруб&ке показана на рис. 8.57.

На этом рисунке: 1 и 2 — титано&297Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИабРис. 8.56Распределение нанотрубок на подложке кремния, покрытойостровками SiO2 (а); нанотрубки между полосками кремния,покрытыми катализатором, полученные в присутствии поля,перпендикулярного полоскам (б)вые исток и сток, 3 — однослойная нанотрубка (канал), 4 —затвор из алюминия или титана. При кратковременном от$жиге (Т = 850°С) между нанотрубкой и титановыми контак$тами образуется пленка соединения ТiC, улучшающая кон$тактное сопротивление. Толщина подзатворного слояSiO2 ~ 15 нм, что позволяет ис$пользовать напряжение на за$творе ~1 В, т.