Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 39
Текст из файла (страница 39)
С использованием первых двух методов образуются пучки переплетенных трубок на электроде или на подложке, что затрудняет манипулирование ими. Для последующего исследования и применения их отделяют от подложки и друг от друга ультразвуковой обработкой в дихлорэтане. Образовавшуюся суспензию наносят и высушивают на кремниевой или покрытой ЯО,-подложке.
Отбор и размещение нанотрубок на подложке осуществляют в атомном силовом микроскопе. Химическое осаждение из газовой фазы позволяет контролируемо формировать углеродные нанотрубки в определенных местах на подложке. Для этого газообразное углеводородное соединение пропускают над нагретым катализатором, на котором происходит его разложение на углерод и водород с последуюшей конденсацией атомов углерода и образованием нанотрубок. Ключевыми параметрами, контролирующими этот процесс, являются тип используемого углеводородного соединения и катализатора, а также температура разложения. Многостенные трубки формируют каталитическим разложением этилена или ацетилена на железе, никеле щук ~ох или кобальте при 500 — 700 'С.
При этих температурах атомы углерода сначала насыщают металл, а затем, осаждаясь на его поверхности, выстраиваются в нанотрубки. Их диаметр определяется размером металлических частиц, участвующих в катализе. Относительно низкие температуры катализа создают проблемы с совершенством структуры нанотрубок.
Ввиду этого использование метана и проведение процесса при 900 — 1000 'С лучше подходит для формирования бездефектных нанотрубок, в особенности одно- стенных. Среди углеводородов метан наиболее устойчив к разложению, что важно для предотвращения образования аморфного углерода и загрязнения им катализатора. Ориентированные пучки нанотрубок создают химическим разложением углеводородов на кремниевых подложках с заданной топологией элементов из каталитического материала. Пригодные для этого подходы схематически показаны на рис. 2.50. В одном из способов на поверхности подложки создаются кремниевые столбики, вершинки которых покрывают катализатором (рис.
2.50, а). На них зарождаются и растут как отдельные нано- трубки, так и целые гроздья нанотрубок. Постоянный газовый поток обеспечивает их ориентированный рост и исключает соприкосновение кончика растущей трубки с подложкой. Достигнув ближайшего соседнего столбика, нанотрубка закрепляется на нем за счет ван-дер-ваальсова взаимодействия. Так формируется сеть из нанотрубок, в которой они как мостики переброшены между кремниевыми столбиками. Контролируемый рост нанотрубок можно осуществить и на окисленной кремниевой подложке с элементами из каталитического материала (рис. 2.50, б). Механизм направленного роста в данном случае таков же, как и рассмотренный выше. Мостики из нанотрубок формируются между каталитическими элементами.
углоподнзя Кполнзвзор е напогрубха Угл годная Г-':~. Рис. 2.50. Приннипы контролируемого формирования углеродных нанотрубок: а — с использованием кремниевых столбиков, покрытых металлом-катализатором; б — с использованием островков из металла-катализатора на ЯОз 25. Формирование и свойства наноструктурированныкмате иолов 191 Лишние нанотрубки и их пучки удаляются с использованием атомного силового микроскопа. Типичная длина создаваемых таким образом нанотрубок составляет 1 — 1О мкм, но есть и примеры выращивания нанотрубок длиной до 200 мкм. Взаимодействие между нанотрубками и элементами, к которым они прикрепились, а также мехшу нанотрубками и подложкой достаточно сильно и сможет выдержать механические воздействия, связанные с проведением последующих литографических процессов.
Легирование материала полупроводниковых нанотрубок, как и в обычных полупроводниках, определяет тип основных носителей заряда в них. Замещая атомы углерода, бор выступает как акцепторная примесь, а азот — как донорная примесь. Присоединение щелочных или галогенных атомов к внешней поверхности трубки также может быть использовано для этих целей, хотя этот процесс с трудом поддается контролю. Контакты, соединяющие углеродные нанотрубки с остальными элементами интегральной схемы, могут быть созданы многими способами.
Один из них заключается в формировании электродов на подложке и последующем расположении на них нанотрубок. Другой предполагает помещение нанотрубки в необходимое место на подложке с помощью сканирующего туннельного или атомного силового микроскопа с последующим формированием контактов поверх нее с использованием стандартных литографических методов. Наиболее перспективным является контролируемое выращивание нанотрубок между электродами, изготовленными из металла-катализатора.
В этом случае трубка прикрепляется к контакту за счет сильного электростатического или химического взаимодействия. Среди металлов, подходящихдля этих целей, — титан, золото, алюминий. Титан обеспечивает наименьшее контактное сопротивление, поскольку между ним и углеродом существует сильное химическое взаимодействие, приводящее к образованию карбида титана в переходной области на их границе. Золото и алюминий не имеют стабильных карбидов и поэтому сопротивление их контактов к нанотрубкам выше. Комбинируя нанотрубки и снабжая их управляющими полевыми электродами, возможно создавать разнообразные наноэлектронные приборы.
Изготовлены прототипы выпрямительных диодов на контакте металлической и полупроводниковой нанотрубок, полевых транзисторов на полупроводниковых нанотрубках, одноэлектронных транзисторов на металлических нанотрубках. Поскольку атомы углерода в нанотрубке связаны между собой очень сильными связями, их очень трудно сместить относительно 192 Глава 2. Метавы мн вання нанозлектронных структур друг друга. Вследствие этого нанотрубки более устойчивы к злектромиграции, чем медные и алюминиевые межсоединения в интегральных микросхемах.
Плотность тока, пропускаемого по нанотрубке, может достигать 10ц А/смт. Малый диаметр и высокие плотности тока делают их перспективными для применения в качестве эмиттеров электронов. Механические воздействия обратимо меняют электронные свойства углеродных нанотрубок.
Это позволяет использовать их в качестве элементов злектромеханических приборов. 2.е.4.3. Фуллерены Фуллерен (гиПегепе) представляет собой сфероподобную молекулярную замкнутую наноструктуру, образованную атомами углерода в форме футбольного мяча — рис. 2.51. Свое название фуллерены получили в честь американского архитектора Р. Б. Фуллера, который в 1954 г. запатентовал метод строительства перекрытий больших помещений в виде ажурных куполообразных конструкций путем сочетания пяти- и шестиугольников, а в 1967 г. сконструировал соответствующий купол павильона США на Всемирной выставке в Монреале.
Следует отметить, что подобные конструкции рассматривались и ранее— Архимедом (287 — 212 гг. до н. э.), Леонардо да Винчи (1452 — 1519), Эйлером (1707-1783). Впервые фуллерены были обнаружены в !985 г. коллективом ученых Университета Райса (США) и Сассекского университета (Великобритания)аа при исследовании масс-спектров паров графита после лазерного облучения твердого образца. За это Р. Ф.
Керл, Рнс. 3.51. Структура фуллеренов Ст н См Н. И". 1Ггога, Я. Е Сиг1, Я. Е. Бтадеу, Х Гс Налгав, С-60 Ьпсгоп1пмегутгегепе, 1чаыт 318, 162- 163 (1985). дд Формирование и свойства наноструиту ироеаннихматериалов 193 Х. В. Крото и Р. Э. Смайли в 1996 г. были удостоены Нобелевской премии по химии. Фуллерены представляют собой самостоятельную аллотропную форму углерода в виде изолированных молекул, самоорганизованных в виде выпуклых замкнутых многогранников, составленных из четного числа трехкоординированных атомов углерода.
Валентные электроны в них образуют преимущественно вр2-гибридизированные связи в сочетании с типичными для алмаза зр2-гибридизированными связями, которые придают фуллеренам высокую механическую прочность и термостабильность. В противоположность алмазу и графиту фуллерены содержат фрагменты с пятикратной симметрией (пентагоны), которая в классической кристаллографии вообще считалась невозможной, запрещенной. Число атомов углерода (и) в фуллеренах подчиняется определенной закономерности, а именно и = 32, 44, 50, 58, 60, 70, 72, 78, 80, 82, 84 .... Наиболее устойчивый содержит 60 атомов углерода и обозначается Сев.
За ним следует фуллерен С, отличающийся от фуллерена С40 вставкой пояса из 10 атомов углерода в экваториальную область С40, в результате чего молекула См оказывается вытянутой и напоминает своей формой мяч для игры в регби. Высшие фуллерены, содержащие большее число атомов углерода (до 400), образуются в значительно меньших количествах и часто имеют довольно сложный изомерный состав. Из них наиболее изучены С7т См. С70 См С42 и С04. Среди фуллеренов наивысшей симметрией, и как следствие, наивысшей стабильностью обладает фуллерен Се .
Он образован 20 правильными шестиугольниками и 12 правильными пятиугольниками, в вершинах которых находятся атомы углерода. Еще одна структурная особенность этого фуллерена заключается в том, что его молекула имеет внутреннюю полость, диаметр которой равен приблизительно 0,5 нм. Внешний диаметр самой молекулы составляет 0,71 нм. Внутренний диаметр, естественно, меньше внешнего, поскольку атомы углерода и их электронные оболочки тоже имеют определенный размер. Каждый атом углерода в молекуле Свв находится в вершинах двух шестиугольников и одного пятиугольника и принципиально неотличим от других атомов углерода.
Атомы углерода, образующие сферу, связаны между собой сильной ковалентной связью. Толщина сферической оболочки составляет 0,1 нм, радиус молекулы Сев — 0,357 нм. Длина связи С вЂ” С в пятиугольнике — 0,143 нм, в шестиугольнике — 0,139 нм. Структуры других фуллеренов получаются путем добавления (для высших) либо исключения (для низших) шестиугольников в 7 — 1620 г94 Г я а в а 2. Методы формирования наноаяектронных структур фуллерен Саа. Низший из теоретически возможных фуллеренов С, представляет собой не что иное, как додекаэдр — один из пяти правильных многогранников, в котором имеется 12 пятиугольных граней, а шестиугольные грани отсутствуют.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
