Азаренков Н.А. - Наноматериалы (1051240), страница 26
Текст из файла (страница 26)
В этом случае простая и желательная структура устройства – это вертикальный диод для полевой эмиссии, содержащий углеродные нанотрубочные эмиттеры в области канавки (рис. 6.23).Процесс создания канавок использовался для того, чтобы сформировать триодные структуры на основе УНТ, включая осаждение несколькихтонкопленочных слоев, структурирование (фотолитографическое), травление и осаждение Fe-катализатора на дно канавок.
Несмотря на высокий119уровень контроля процессов CVD и усиленного плазмой CVD (PECVD),для роста УНТ требуются обработки при температурах выше 500° C, чтозначительно ограничивает выбор возможных материалов подложки и процессов интеграции. Для плоскопанельных дисплеев и вакуумной микроэлектроники УНТ должны быть осаждены на стеклянных или полимерныхоснованиях при температуре ниже 300° C. Недавно это демонстрировалось на примере низкотемпературного вертикального роста (120° С) ориентированных УНТ для полевых эмиттеров на пластмассовых подложках(каптоновая полимерная пленка) и на кремнии, используя процессPECVD.Рис. 6.22. Рост УНТ на планарной микроструктурированной Si-подложке:а – квадратные структурированные пленки Fe с боковым размером 5 × 5 мкм ирасстоянием между квадратами в 15 мкм (слева); б – картина квадратныхобластей с размером 10×10 мкм и расстоянием между ячейками в 20 мкм(в центре); в – изображение полос с размером 20 × 20 мкм и расстояниеммежду ячейками в 30 мкм (справа)Рис.
6.23. СЭМ-изображение системы канавок глубиной 10 мкм с углеродныминанотрубками, выращенными только на дне этих канавок: а – вид сбоку;б – вид сверху120Измерения выхода эмиссии показывают низкое поле включенияэмиссии, то есть поле, для которого j ≈ 10–9 A/cм2 (3,2 В/мкм) и низкоепороговое поле (4.2 В/мкм), при котором j ≈ 10–6 A/cм2.Другой многообещающий способ управлять ориентированным ростом УНТ – это их синтез на шаблонах. Когда процесс CVD-роста выполняется, например, в порах (несколько нм в диаметре) шаблона, углеродные нанотрубки формируются в пределах каждой поры. Шаблон можетбыть затем растворен, вытравлен, оставляя свободно стоящим множествоориентированных УНТ. Полимеры, металлы, полупроводники и другиематериалы были осаждены в поры различных шаблонов. Почти любойтвердый материал может, в принципе, синтезироваться в нанопорах шаблонов. Имеется несколько доминирующих методов, обеспечивающих синтез наноструктур в шаблонах: электрохимическое осаждение, электролизное осаждение, химическая полимеризация, золь-гель осаждение и CVDтехнология.
Техника шаблонов позволяет создание широкого диапазонановых оптических и электронных устройств, МЭМС, биомедицинскиххроматографов, датчиков, сенсоров и эффективных полевых эмиттеров.Синтетические минеральные кристаллы, алюминофосфат AlPO4-5,аэрогели кварца, мезопористый кварц и кремний, и анодные оксиды алюминия (ААО) являются очень пористыми материалами, которые нашлиширокое применение при синтезе ориентированных УНТ CVD-методом.Процедура синтеза регулярно расположенных ориентированных УНТ напористом кремнии и на пористом ААО к настоящему времени хорошо отработана в ряде лабораторий мира.
Наиболее широко сейчас используетсяпри синтезе наноматериалов шаблон на основе ААО. Самоорганизованнаямембрана анодного оксида алюминия, изготовленная при определенныхэлектрохимических условиях, обладает пористой структурой с однородными и параллельными нанопорами (рис. 6.24).Рис. 6.24. Вид сбоку СЭМ-изображения каналов в Al2O3 диаметром 500 нм,заполненных серебром121Диаметры этих пор являются электрохимически настраиваемыми вдиапазоне от нескольких нанометров до нескольких сотен нанометров.Это – идеальный материал шаблона для того, чтобы создать массивы ориентированных наноструктур. Получены плотности пор порядка1011 пор/см2, а типичная толщина мембраны может варьироваться от 10 до150 мкм.
После того, как CVD процесс завершен, мембрана из ААО можетбыть химически удалена (растворена) и выявлен ансамбль свободно стоящих табулярных наноструктур с внешним диаметром, близким к размерупор. Таким образом, используя эти мембраны, можно создать очень большие панели хорошо ориентированных УНТ, которые могут быть использованы в качестве плоскопанельных дисплеев с холодным катодом.Использование мягких литографических методов для изготовленияструктурированных ориентированных массивов УНТ открывает перспективы изготовления различных наноустройств для широкого круга применений. Выращивание трехмерных архитектур углеродных нанотрубок, которые могут быть интегрированы в микроэлектронные цепи или МЭМС,все еще остается задачей будущего.
Одно или двухмерные связи и/или переходы с нанотрубками были изготовлены in situ в процессе роста и последующего наноструктурирования. Однако соединение нанотрубок сподложкой и/или металлическими пленками – это до сих пор критическаяпроблема в реализации трехмерных приборов на основе УНТ. Примеромуспешной реализации такой архитектуры является выращивание МСУНТпод тонким слоем Ni, когда во время роста УНТ пленка никеля отрываетсяот подложки Si и остается на торцах трубок. Такое выращивание УНТ сподъемом пленки позволяет связать тонкопленочные металлические области и подложку Si через ансамбль нанотрубок, давая возможность создания трехмерных архитектур нанотрубок.Специалисты Политехнического института в Трое (США) разработали и сформировали нанотрубочные структуры на микроструктурированных областях на кварце (SiO2) и кремниевых поверхностях.
Микроструктурирование Si/SiO2-системы было произведено с использованиемстандартной фотолитографии, сопровождаемой комбинацией влажногои/или сухого травления. Шаблонный материал катализатора не использовался в этой процедуре. CVD рост УНТ диаметром 20 – 30 нм происходилпутем экспозиции подложек в среде паровой смеси ксилена/ферроцена(C8H10 / Fe(C5H5)2) при 800° C. На кремнии рост УНТ не обнаруживался,однако вертикально ориентированные нанотрубки превосходно растут наSiO2 – микроструктурированных областях (рис. 6.25).
Каждая из колоноксостоит из нескольких десятков нанотрубок, выращенных в вертикальномнаправлении, перпендикулярно к SiO2 ячейкам на Si/SiO2-шаблоне. Одновременная интеграция упорядоченных структур нанотрубок по различнымгеометрическим направлениям на общей подложке может быть важной визготовлении ряда микро- и наноэлектромеханических устройств.122Тот факт, что нанотрубки растут нормально к поверхности SiO2, открывает хорошие возможности одновременного роста массивов УНТ,имеющих взаимно ортогональную ориентацию и даже массивов, расположенных под углом друг к другу, например, области на поверхностикварцевой подложки, которые не ортогональны с основной поверхностьюподложки.Применение электрического поля при выращивании нанотрубок позволяет управлять их направленным ростом. Использование этого эффектаи микроструктурирование областей с твердым катализатором совместимос современными стратегиями полупроводниковой технологии и можетвнести свой вклад в интеграцию нанотрубок в сложные приборные архитектуры.Рис.
6.25. Ориентированный рост нанотрубок:а – СЭМ-изображение трех блоков цилиндрических столбиков(диаметром ≈ 10 мкм) систем ориентированных УНТ; б – вертикальныйи горизонтальный рост ориентированных УНТ, представленный на сеченииструктурированной Si/SiO2 пластины (ячейки масштаба ~ 100 мкм)Недавно был разработан контролируемый метод (каталитическоеразложение ацетилена) синтеза спиральных (катушкообразных) нанотрубок, в котором массивы ориентированных нанотрубок используются какшаблон, обеспечивающий условия асимметричного роста УНТ.
Эти спиральные нанотрубки с различным шагом и диаметром катушек выявляютпотенциальное использование их в наноэлектронике и наномеханике.1236.6. Пучки заряженных частиц низких и средних энергийв нанотехнологияхПроведение исследований физических, химических и механическихсвойств материалов и объектов, структурированных в наноразмерныхмасштабах, а также возможность влиять на эти свойства является необходимым условием при разработке перспективных нанотехнологий. В связис этим стоит проблема создания новых видов инструментов, которые могли бы обеспечить проведение как анализа структуры и элементного состава новых наноматериалов и нанообъектов, так и технологий их изготовления и использования.
Среди широкого круга физических принципов, наоснове которых должны разрабатываться новые инструменты, особоевнимание уделяется сфокусированным пучкам заряженных частиц низкихи средних энергий. В первую очередь это связано с тем, что размер сфокусированного пучка составляет от нескольких единиц до десятков нанометров.
Поэтому за счет взаимодействия частиц пучка с веществом можнолокально модифицировать его физические и химические свойства в наноразмерных масштабах.Сфокусированные пучки электронов, которые нашли широкое применение в растровой электронной микроскопии, в настоящее время так жешироко применяются в пучковой электронной литографии (EBL, e-beamlithography) [61, 62]. Сфокусированные пучки тяжелых ионов, которые ранее применялись в основном во вторичной ионной масс-спектрометрии,благодаря способности распылять атомы обрабатываемого образца используются в настоящее время в приборах FIB (Focusing Ion Beam) длясоздания трехмерных наноразмерных структур [63, 64]. Сфокусированныепучки легких ионов мегаэлектронвольных энергий первоначально применялись в ядерных сканирующих микрозондах для целей локального элементного микроанализа вещества.
В последнее время применение ядерных микрозондов достигло большого прогресса так же и в пучковой ионной литографии для создания трехмерных наноразмерных структур [65,66]. Такая технология получила название p-beam writing (PBW). Рассмотрению состояния развития этой технологии уделяется особое внимание.Рассматриваются как проблемы, стоящие при создании мегаэлектронвольтных нанопучков так и вопросы, связанные с метрологией определения параметров пучков, применением различных резистивных материалови общих принципов технологии PBW. Все аспекты рассматриваются всравнении с более развитыми технологиями EBL и FIB.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
