Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 24
Текст из файла (страница 24)
В настоящем параграфе перечисле#ны некоторые перспективные направления развития на#ноэлектроники. Подробнее эти вопросы рассматриваютсяв главах 7 и 8.В окружающем мире всегда в изобилии существовалинаночастицы. По одной из правдоподобных версий, в на#чале эры вещества (~14 млрд лет назад), при охлаждениирасширяющейся Вселенной, преобладавший во Вселеннойводород образовывал кластеры («снежинки») наноразме#ров. Рассеяние в пространстве углерода и кремния приЧасть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ135взрывах сверхновых (~5 млрд лет назад) привело к обра!зованию космической пыли, наночастицы которой взаи!модействовали между собой, с излучением, с полями, вно!ся существенный вклад в динамику межзвездной среды.С появлением жизни на Земле (~4 млрд лет назад) рольнаноструктур стала массовой и определяющей. Например,структурные элементы клетки имеют наноразмеры.Человек в своей деятельности использовал наночасти!цы давно (неосознанным образом).
Так, уже в начале на!шей эры было создано художественное стекло, окраскакоторого определялась наличием в нем наночастиц сереб!ра и золота.Первое научно обоснованное указание на важность ис!следований и разработок в области нанообъектов былодано американским физиком, нобелевским лауреатом Ри!чардом Фейнманом.
Поэтому Фейнмана называют «отцомнанотехнологии». В 1959 г. в лекции «Внизу полным!пол!но места: приглашение войти в новый мир физики», про!читанной в Калифорнийском технологическом институ!те, Фейнман обратил внимание на то, что законы физикине запрещают манипулировать отдельными атомами, ук!ладывая их поштучно в нужном порядке, создавая ве!щественные структуры с заданными свойствами. Однакоуровень развития науки и техники 1950!х гг. не позволялреализовать такие технологии. Нанотехнологии сталивходить в электронику и другие области техники лишь вконце 80!х гг.
прошлого столетия.В различных сферах науки и техники возникли своипричины и свои методы продвижения в нанообласть. В на!стоящий обзор включены достижения естественных наук,заложившие фундамент современной наноэлектроники.В 1962 г. Л. В. Келдыш показал возможность созданияв кристалле особой периодической структуры, котораяназывается сверхрешеткой. Сверхрешетка — это кри!сталлическая структура, обладающая помимо периоди!ческого потенциала, свойственного кристаллической ре!шетке, дополнительным потенциалом, период которогосущественно превышает атомарные размеры, но соответ!ствует наномасштабам.
Сверхрешетки могут создаваться136НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьв проводниковых, магнитных и полупроводниковых ма териалах. Наиболее полно исследованы полупроводнико вые сверхрешетки, состоящие из чередующихся наносло ев вещества, различающихся по составу. В этом случаесверхрешетки могут рассматриваться как одномерные сис темы потенциальных ям, разделенных сравнительно уз кими потенциальными барьерами с заметной туннельнойпрозрачностью.
На основе сверхрешеток созданы прибо ры с отрицательной (N образной) вольт амперной харак теристикой (см. гл. 5), способные усиливать и генериро вать электромагнитные колебания, а также эффективныесветоизлучающие приборы и приборы другого назначения(см. гл. 7).В сверхрешетках может проявляться так называемыйрезонансный туннельный эффект. Этот эффект состоитв резком увеличении вероятности прохождения микрочас тиц, например электронов, сквозь двух или многобарьер ную структуру, когда исходная энергия частицы совпада ет с энергетическим уровнем в смежной потенциальнойяме (резонансный уровень). Этот эффект широко исполь зуется в наноэлектронике при разработке сверхбыстродей ствующих приборов.
Идея использования резонансноготуннелирования для создания быстродействующих при боров, предложенная еще в 60 е гг. прошлого столетия,была реализована лишь в 1970 г. (Л. Есаки) благодаря по явлению метода молекулярно лучевой эпитаксии. В на стоящее время молекулярная эпитаксия — самый эффек тивный метод наращивания на плоскую подложку слоевиного состава наноразмерной толщины. Такие слои явля ются квантовыми ямами для электронов.В 1986 г.
К. К. Лихаревым были теоретически пред сказаны кулоновская блокада туннелирования и одноэлектронное туннелирование, т. е. прохождение электроновчерез туннельный барьер по одному. Эти эффекты подтвер дились экспериментально. На их основе созданы одноэлек тронные транзисторы и элементы памяти (см. гл. 7).Вслед за сверхрешетками были теоретически описа ны и получены на практике одномерные (малые в двухизмерениях) и нульмерные (малые в трех измерениях)Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ137наноструктуры, называемые квантовыми проволоками(нитями) и квантовыми точками соответственно. В каждом слое сверхрешетки (двухмерная потенциальная яма)движение электронов ограничено лишь в одном измерении и реализуется в этом измерении за счет туннельногоэффекта. В квантовой нити движение электронов ограничено в двух измерениях (нить наноразмерной толщины).
В квантовых точках движение электронов ограничено в трех измерениях (наноразмерный кристаллик).В последнем случае реализуется предельный вариант размерного квантования, когда модификация электронныхсвойств наиболее выражена. Энергетический спектр электрона, принадлежащего квантовой точке, дискретен, подобно энергетическому спектру электрона в изолированном атоме. Однако реальная квантовая точка может содержать многие тысячи атомов.
Например, квантоваяточка в арсениде галлия размером в 14 нм содержит более 105 атомов.Квантовые ямы, квантовые нити и точки открываютширокие возможности создавать различные наноэлектронные приборы (см. гл. 7).Еще одним важным для наноэлектроники достижением явилось открытие особых молекул, образованных атомами углерода: нанотрубок и фуллеренов. Фуллерен объединяет 60 (C60) или более (C70, C76, C80,C84) атомов углерода.Фуллерен C60 построен из 12 пентагональных (пятиугольных) и 20 гексагональных (шестиугольных) симметричнорасположенных граней, образующих форму, близкую кшару диаметром ~1 нм. Открытие фуллеренов явилось внекоторой степени случайным результатом исследованийприроды межзвездной среды.
Ученые воспроизвели условия, в которых находятся пары углерода во внешних слоях особых звезд (красные гиганты), и в результате зафиксировали процесс образования фуллеренов C60 в подобныхусловиях.Фуллерены могут быть объединены силами ВандерВаальса в кристалл со значительными пустотами междуфуллеренами. Размещение в этих пустотах атомов щелочных элементов превращает первоначально диэлектрические138НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьсвойства фуллереновых кристаллов в полупроводниковые,а при низких температурах — в сверхпроводящие.После обнаружения (1984–1985 гг.) фуллеренов нача/лись интенсивные поиски других форм углеродных нано/частиц. В 1991 г. были обнаружены трубчатые структурыиз атомов углерода — углеродные нанотрубки.
Они обра/зуются свертыванием так называемой гексагональной плос/кости решетки графита, состоящей из шестигранных яче/ек, в вершинах которых располагаются атомы углерода.Углеродные нанотрубки могут быть одно/ и многослойны/ми. Их диаметры изменяются в пределах от ~0,4 (одно/слойные) до 100 нм (многослойные), длины — достигают100 мкм. Углеродные нанотрубки обладают необычнымиэлектрическими, механическими, магнитными и элек/тронными свойствами; эти свойства можно модифициро/вать технологическими воздействиями.
Углеродные на/нотрубки находят многочисленные применения на прак/тике (см. гл. 7). В настоящее время научились получатьнанотрубки и из других материалов.В 1980/х гг. были открыты магнитные полупроводни/ки. Список таких материалов растет, все детальнее иссле/дуются их свойства. Магнитные полупроводники — пер/спективные материалы для приборов спинтроники. Спинтроника — область наноэлектроники, в которой нарядус зарядом электрона используется для хранения и обработки информации его спин. В настоящее время обработ/ка информации производится полупроводниковыми ИМС,а для ее хранения массово используются твердые магнит/ные диски. Ферромагнитные полупроводники позволяютобъединять процессы обработки и хранения информации.К этой области примыкает открытое в 1988 г.
гигантское магнитосопротивление — наноразмерный эффектв металлах и полупроводниках, связанный с наличиемспина у электронов. Этот эффект проявляется, например,в снижении сопротивления последовательно чередующих/ся наноразмерных слоев магнитных и немагнитных ме/таллов под действием внешнего магнитного поля. Он ис/пользуется в считывающих магнитных головках для маг/нитных дисков, в элементах памяти.Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ139Вблизи нижней границы нанообласти существуют ма$териальные структуры, называемые молекулами (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
