Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 38

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 38)

Значительный практический интерес представляют гра4еновые панолепты (1)гарйепе папоПЬЬопл) — полоски графена шириной порядка 10 — !00 нм. По своим физическим свойствам они отличаются от более широких образцов, в которых опрелеляющим является линейный закон дисперсии (как в условно бесконечно большом листе графене). Наноленты характеризуются нелинейным законом дисперсии.

Это приводит к тому, что фундаментальные электронные свойства нанолент могут изменяться от полупроводниковых ло металлических в зависимости от расположения атомов углерода на границах ленты, наличия или отсутствия у граничных атомов пассивируюших их свободные связи примесей, от ширины ленты. На рис. 2.47 показаны примеры графеновых нанолент с границами типа «зпвзаг» (г)й-тузл), типа «кресло» (аппсЬа)г) и с комбинированными границами. Наноленты с зигзагообразными границами обычно не имеют запрешенной зоны, что обеспечивает им хорошие проводниковые свойства.

У нанолент с кресельными границами свойства могут изменяться от проводниковых, типичных лля металлов, до полупроводниковых в зависимости от их ширины. Если по ширине ленты укладывается ЛГ = Зг' — 1 (2 — целое число) элементарных ячеек графена, то она обладает металлическими свойствами. При других соотношениях ее свойства определяются появлением запрешенной зоны, типичной для полупроводников.

Структурные дефекты на границах лент с металлическими свойствами (оборванные связи, примесные атомы), как правило, приводят к изменению их свойств на полупроводниковые. Рис. 2.47. Графеноаме наноленты е различнмми типами границ: зигзагообразные (1), кресел ьные (2), комбинироаанн ые (3) 186 Г л а в а 2. Методы формирования наноалектроннык структур Графеновые наноленты обладают высокой плотностью состояний на уровне Ферми, что обуславливает их парамагнитное поведение, а при определенной укладке приводит к возникновению антиферромагнитных свойств.

Графен является первым и пока самым ярким представителем нового класса наноматериалов — двумерных кристаллов. Его получение и исследование свойств дали толчок к появлению новой научной концепции в физике — релятивистской физики твердого тела, в которой квантовые релятивистские явления (часть из них не реализуема даже в физике высоких энергий) теперь могут быть исследованы в обычных лабораторных условиях. Уникальность электронных свойств графена обусловлена тем, что носители заряда в нем подобны безмассовым релятивистским фермионам и описываются релятивистским уравнением Дирака, а не уравнением Шредингера. В электронике графен проявил себя в качестве реального претендента на роль одного из основных материалов посткремниевой микро- и наноэлектроники. В многочисленных исследованиях показаны возможности его использования для изготовления полевых транзисторов с баллистическим транспортом носителей, химических сенсоров с высочайшей чувствительностью, одноэлектронных транзисторов и других электронных приборов, в которых миниатюризация элементов реально доведена до атомарных размеров.

2.6.4.2. Углеродиые нвнотрубкн Угееродиаи иаиотрубка (сагЬоп папоги Ье) — естественная самоорганизованная наноструктура в вице трубки, состояшей из атомов углерода с замкнутыми друг на друге связями. Сушествуют две основные формы таких наноструктур: одиастеииые углеродиые иаиатрубки (з1пя1е-тра11 сагЬоп папогиЬез) и миагостеииые утерадиые иаиотрубки (ти1г(юа11 сагЬоп папошЬез). Структурно одностенная углеродная нанотрубка представляет собой трубку из листа графена. Такая трубка может обладать как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами — в зависимости от особенностей структуры.

В ней к характерным для графена зр'-гибридизованным связям атомов углерода примешиваются зр'-состояния, что связано с цилиндрической формой этой структуры. Для описания строения одностенных углеродных нанотрубок используют векторное представление расположения атомов углерода в графене, как это показано на рис. 2.48. В бесшовной трубке хоральный вектор (субга1 ресгог) С„должен представлять собой линейную комбинацию единичных векторов а, и а,: С„= па, + та„ где п и т — целые числа. Эти целые числа, указываемые в скобках дх Фо ми ованиеи свойствананострунтури иванн»тматериалов 187 Ось трубки при зигзагообразной сшивке е 1 $ а1 о ~а о а Сн \ о «Ф «~ а М 5 о М 1о о ь о О Рис. 2.48.

Расположение атомов углерода в трафене и типичные направления его «сшивая» в одностенные углеродные нанотрубки (и, т), служат для идентификации специфической структуры трубки. Угол между С„и а, называется хиравьньтм углом (сЫга( апй(е). Хирапьный вектор также определяет вектор трансляции, который характеризует периодичность структуры трубки в направлении, параллельном ее оси. Типичные разновидности структуры углеродных нанотрубок показаны на рис. 2.49. Если и = ш и хиральный угол составляет 30', трубка «ошивается» по кресельной границе графена. Если и или т равны нулю, а хиральный угол равен 0', трубка «ошивается» по зигзагообразной границе графена.

Все остальные нанотрубки с ненулевым значением и и т имеют хиральные углы между 0' и 30'. Считается, что они имеют хирапьную структуру. Существует зеркальное изображение их структуры при обмене и и лт. Соотношение между индексами и и т и диаметром одностенной нанотрубки задается выражением с( = (а/п)(п' + тт + ппс)цт, где а = 0,246 нм — постоянная решетки графена. Средний диаметр обычно синтезируемых одностенных углеродных нанотрубок составляет 1,2-1,4 нм. Электронные свойства одностенных нанотрубок, как и всех упорядоченных твердых тел, определяются их электронной зонной структурой, которая, в свою очередь, зависит от их атомного строения, т. е.

от соотношения чисел и и гп (см. рис. 2.49). Расчеты показывают, что трубки с конфигурацией кресла всегда демонстрируют проводниковые свойства, типичные для металлов. Это также имеет место для зигзагообразных и хираль- Г л а в а 2. Метоаы Формирования нанозлектронных структур Кресельная структура: и = и — проводник Зигзагообразная структура: и или го =О и-пг=ЗI-проводник т-визг — полупроводник Хнральная структура; л-т=Зг'- проводник о-т кзг — полупроводник Рис. 2.49.

Углероаные нанотрубки с различными хиральными векторами, определяемыми значениями н и «г, и их основные электронные свойства. С любезного разрешения профессора Л. Кавана ных трубок, у которых и — лг = 31, где г — целое число. В противоположность этому, зигзагообразные и хиральные трубки с л — лг и 31 демонстрируют полупроводниковое поведение. Фундаментальная ширина запрещенной зоны в полупроводниковых нанотрубках изменяется от 0,4 эВ до 0,7 эВ в зависимости от небольших вариаций диаметра и угла связи. В общем случае ширина запрещенной зоны обратно пропорциональна диаметру трубки.

Типичные полупроводниковые нанотрубки имеют диаметр 1,4 нм и ширину запрещенной зоны 0,50 — 0,65 эВ. В радиальном направлении трубки с моноатомной толщиной стенки на подвижные носители заряда действует квантовое ограничение. Фактически, одностенные нанотрубки ведут себя как одномерные структуры. Электроны могут перемещаться вдоль трубки на значительные расстояния без рассеяния. В баллистическом режиме переноса электронов вдоль одностенной нанотрубки ее теоретически достижимая проводимость определяется произведением проводимости одного баллистического канала 2ез/Ь на число таких каналов. В металлических нанотрубках их два, так как уровень Ферми пересекает две р-орбитали.

Проводимость же реальных структур ниже из-за дефектов, приводящих к рассеянию электронов и нарушающих баллистический характер их переноса. Условия баллистическою переноса электронов вдоль бездефектной нано- трубки реализуются только в трубках, длина которых меньше средней длины свободного пробега электронов, определяемой их рассеянием на фононах. Установлено так же, что короткие углеродные 25.

Формирование и свойства наност унту и Ванньск материалов 189 нанотрубки с металлической проводимостью ведут себя подобно квантовым точкам. Многостенные нанотрубки состоят из нескольких концентрически расположенных, вставленных одна в другую одностенных нанотрубок. Как правило, в диаметре они составляют 10 — 40 нм.

Межтрубочная связь внутри многостенной нанотрубки оказывает относительно слабое влияние на ее электронную зонную структуру. Как следствие, полупроводниковые и проводниковые трубки сохраняют свой характер, если они являются частью многостенной нанотрубкн. Согласно статистической вероятности большинство многостенных углеродных нанотрубок демонстрирует полностью металлическое поведение, так как для закорачивания всех трубок с полупроводниковым характером проводимости достаточно всего одной проводниковой трубки.

Длина фазовой когерентности в многостенных нанотрубках (при 4,2 К) составляет около 250 нм, а средняя длина упругого рассеяния — около 60 нм. Углеродные нанотрубки, также как и графен, обладают перечнем впечатляющих свойств. Они могут вести себя подобно металлам или полупроводникам, могут проводить электрический ток лучше, чем медь, могут проводить тепло лучше, чем алмаз. По механическим свойствам они составляют конкуренцию многим известным твердым материалам. Углеродные нанотрубки получают испарением углеродных электродов в дуговом разряде, лазерным испарением, химическим осаждением из газовой фазы.

Характеристики

Список файлов книги