Лозовский В.Н. - Нанотехнология в электронике (1051254), страница 35
Текст из файла (страница 35)
7.32б.Напряжение, которое удаляет электрон (–е–) вызываетокисление. Группа, содержащая атомы серы S, становит'ся положительно ионизованной и электростатически от'талкивается от группы, кольцо которой содержит ионыазота N. Это приводит к повороту кольца, расположенно'го в левой части молекулы рис. 7.32а.
Молекула приобре'тает форму, показанную на рис. 7.32б. Такая форма соот'ветствует замкнутому состоянию, так как электропровод'ность системы колец увеличивается.Подача напряжения обратной полярности (+е–) вызы'вает химическое восстановление, и молекула возвраща'ется в состояние, представленное на рис.
7.32а.Состояния, изображенные на рис. 7.32а, б, являютсястабильными. Под действием внешнего напряжения пере'ход происходит быстро и обратимо. Поэтому такая молеку'ла может быть использована для запоминания информации:«0» — состояние рис. 7.32а, «1» — состояние рис. 7.32б.1Существует много органических молекул, способных«переключаться» под действием напряжения или света.7.8.7.МОЛЕКУЛЯРНЫЕИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫИмея молекулы — проводники, изоляторы, диоды,транзисторы, логические элементы и переключатели, мож'но разрабатывать молекулярные интегральные схемы. Раз'мер молекулярного транзистора равен ~1 нм.
Если создать1 Опыты проводились с упорядоченными монослоями таких моле'кул; подавалось напряжение ~±2В.196НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьИМС из 109 таких транзисторов, то она будет размером спесчинку. При этом ее производительность возрастет в 102–103 раз, а энергопотребление уменьшится до весьма малыхвеличин.Специалисты предсказывают появление молекуляр4ных компьютеров примерно к 2015 г. Уже в настоящеевремя разработано много вариантов схем молекулярногокомпьютера.
На 1 см2 поверхности возможно размещение~1013 молекулярных логических элементов. Это в 104 разабольше плотности сборки в современных чипах. Теорети4чески время отклика молекулярного транзистора на внеш4нее воздействие равно ~10–15 с, тогда как в современныхустройствах оно составляет ~10–9 c.
В итоге эффективностьмолекулярного компьютера по сравнению с современны4ми должна повыситься ~ в 1010 раз.Однако ключевая проблема молекулярной электрони4ки — это интеграция молекул в схему. Молекулярное уст4ройство должно представлять собой сложные разветвлен4ные цепи из атомных группировок. Подходы к созданиюбазовых элементов схем хорошо разработаны, но пробле4ма их интеграции в порядке, обеспечивающем работу схе4мы, еще далека от решения.Принцип решения ясен — это должен быть процесссамосборки, основанный на молекулярном распознаваниивзаимно дополняющих структур. Такой принцип исполь4зует природа для создания сложных функциональныхструктур типа ДНК.В настоящее время разработаны технологии некото4рых простых процессов самосборки.
Это — формированиеупорядоченных самоорганизованных пленок; синтез пометоду Мэррифилда, в котором соединяются «выходы»одних молекул с «входами» других; получение трехмер4ных молекулярных структур типа «решеток», «лестниц»и крестообразных структур (из молекул ДНК).Молекулы ДНК могут быть присоединены к неорга4ническим и органическим частицам, кремниевым поверх4ностям. Это дает возможность создания «гибридных» уст4ройств. Например, разработаны приемы подсоединениянанопроволок к свободным концам ДНК. Созданы ДНК4Часть 3. ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ197чипы и ДНКматрицы — устройства, в которых цепиДНК закреплены на твердотельной подложке (стекло,кремний и др.).
ДНКматрицы могут включать от 102 до104 сайтов (участков) на поверхности чипа, размер сайтов — 10–100 мкм, каждый сайт содержит от 106 до 109аминокислотных последовательностей ДНК. ДНКчипыуже используются в микробиологических исследованиях.Разрабатываются электронноактивные матрицы ДНК,создающие регулируемые электрические поля на каждомсайте. Поля, образующиеся при реакции гибридизацииДНК, направляют самосборку молекул ДНК на определенных сайтах поверхности чипа.
Такие активные устройстваспособны переносить заряженные молекулы (ДНК, РНК,белки и др.) с заданного сайта на поверхность устройстваили наоборот (технология управляемой ДНКсамосборки). В принципе, эта технология дает возможность осуществлять самосборку молекулярных схем (2мерныхи 3мерных). Существуют и другие методы самосборкиагрегатов молекул на твердотельных подложках.Если использовать органические молекулы в качествебазовых элементов в рамках традиционных схемотехнических и технологических приемов, то ключевой проблемойявляется проблема контактов. В любом случае для проектирования молекулярных устройств необходимо знатьэлектрическое сопротивление контакта «молекула–соединительный проводник», характеристики молекулдиодов,триодов, переключателей.
Для экспериментального определения этих величин надо подсоединить источник тока,амперметр, вольтметр к концам индивидуальной молекулы. Некоторые методы создания контактов к молекуламрассмотрены в следующей главе.ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ1. Что такое квантоворазмерный эффект?2. Опишите простейшие виды квантоворазмерных эффектов.3. Каковы особенности энергетического спектра 3D, 2D, 1Dи 0Dэлектронного газа?4. В чем причина квантования энергии 2Dэлектронного газа вмагнитном поле?198НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальность5.
Какой режим переноса электронов электрическим полем в кри!сталлической решетке называется баллистическим?6. Как и при каких условиях возникает квантование сопротивле!ния в металлах и полупроводниках?7. Опишите механизм работы лазеров на двойной гетерострук!туре.8. Что такое резонансное туннелирование? Как работает резонанс!но!туннельный диод?9. Что такое полупроводниковая сверхрешетка? Какие видысверхрешеток вы знаете?10. Какие применения сверхрешеток и гетероструктур на кванто!вых ямах вы знаете?11. Что такое кулоновская блокада? Опишите кулоновскую бло!каду с двумя туннельными переходами.12.
Опишите работу одноэлектронного транзистора.13. Что такое спинтроника? Как возникает гигантское магнитосо!противление?14. В чем состоит эффект туннельного магнитосопротивления?15. Рассмотрите примеры применения спинтроники.16. Что такое макромолекулярная электроника?17. Что такое молекулярная электроника? Назовите примеры ееиспользования.•8•ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВАНАНОТЕХНОЛОГИЙ8.1.ДВА ПОДХОДАК ИЗГОТОВЛЕНИЮ СТРУКТУРВ НАНОТЕХНОЛОГИЯХСуществует два основных подхода к изготовлению наноструктур, которые условно называются технологиями «сверху вниз» и «снизу вверх» » (см. п. 2.5).В технологиях по принципу «сверху вниз» посредством химической, механической или других видов обработки из объектов больших размеров получают изделиянамного меньшей величины.
Пример — создание на поверхности кремниевой пластины схемных элементов ИМСлитографическими методами. Разрешающая способностьлитографии непрерывно совершенствовалась в течениепоследних десятилетий и в настоящее время приближается к 10 нм (см. п. 6.8, рис. 6.4).В технологиях по принципу «снизу вверх» производитсясборка макроструктуры из элементарных «кирпичиков» —атомов, молекул, кластеров, нанотрубок, нанокристаллов.Эти элементы в процессе сборки или самосборки должны укладываться в требуемом порядке. Пример — поштучное перемещение и укладка атомов зондом СТМ (см. п.
6.9).Однако сборка макроскопического объекта поштучнойукладкой атомов с помощью сканирующего туннельногомикроскопа или даже нанороботов в условиях массовогопроизводства нереальна, это потребовало бы слишкомбольшого времени. Методами создания макрообъектов попринципу «снизу вверх» должны стать управляемая самосборка и самоорганизация, когда атомы или молекулысами выстраиваются в заданном порядке, как это имеетместо, например, в биологических системах (см. п.
7.8.7).200НАНОТЕХНОЛОГИЯ В ЭЛЕКТРОНИКЕ. Введение в специальностьДвижущая сила самосборки — это стремление систе#мы к минимуму энергии. Если энергия системы уменьша#ется при соединении молекул друг с другом, то молекулыбудут соединяться. Если энергия системы уменьшаетсяпри переориентации молекул, они будут переориентиро#ваться без технологического воздействия извне. Процес#сы самосборки идут под действием сил Ван#дер#Ваальса,водородных связей, химических связей и других взаимо#действий. Пример — получение счетного количества мо#нокристаллических слоев и упорядоченных массивов на#нокристалликов (квантовых точек) при молекулярно#лу#чевой эпитаксии. Эти процессы рассматриваются в п. 8.2.Молекулярно#лучевая эпитаксия — промышленная тех#нология, которая широко применяется в современнойэлектронике.8.2.ЭПИТАКСИАЛЬНЫЕ МЕТОДЫПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУР8.2.1.МОЛЕКУЛЯРНОЛУЧЕВАЯ ЭПИТАКСИЯВ предыдущей главе рассмотрен ряд устройств на кван#товых ямах и плоских гетеропереходах — лазеры, сверх#решетки и другие многобарьерные структуры.
Для нор#мальной работы приборов на плоских наногетерострукту#рах необходимы резкие атомарно гладкие границы междуслоями, а толщина слоев во многих случаях должна вы#держиваться с атомарной точностью. Очевидно, что слое#вые гетероструктуры могут быть получены только эпитак#сиальным наращиванием слоев (см. п. 6.5). Но не все эпи#таксиальные технологии могут дать границы с нужнымисвойствами. Например, эпитаксии из газовой фазы проте#кают при высоких температурах, что приводит к замет#ной диффузии атомов в объеме и к размыванию границслоев. Жидкофазная эпитаксия не дает слоев, достаточнооднородных по толщине.Для формирования плоских гетероструктур и наноге#тероструктур используются в основном две технологии:молекулярно#лучевая эпитаксия (МЛЭ) и газофазная эпи#Часть 3.
ОСНОВЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ201таксия из металлоорганических соединений. Молекуляр#но#лучевую эпитаксию называют также молекулярно#пуч#ковой (МПЭ). Молекулярно#лучевая эпитаксия более до#рогая, чем газофазная, но более совершенная, обладаетболее широкими возможностями для контроля и управ#ления ростом.МЛЭ используется главным образом для получениявысококачественных тонких пленок и гетероструктур снанометровыми слоями на основе полупроводниковыхсоединений А3В5, А2В6, SiGe и ряда других полупровод#ников.Значение технологии МЛЭ для современной электроники.
В настоящее время оптоэлектроника, СВЧ#техника,светотехника, электронная техника для систем телеком#муникаций и связи работают в основном на полупроводни#ковых гетероструктурах и наногетероструктурах. В опто#электронике — это солнечные элементы, ИК#фотоприем#ники на сверхрешетках и многослойных структурах наквантовых ямах, светодиоды и фотодиоды на сверхрешет#ках, лазеры на сверхрешетках, квантовых ямах и кванто#вых точках.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
