Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Им. Р.Е. Алексеева 
 

Кафедра «Физика и технология материалов и компонентов электронной техники». 
 
 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа на тему:

«Нанотехнологии» 
 
 
 

  Руководитель

Водзинский В.Ю. ____________

«_____»  ______________2009 

Выполнил 

Тюрина А.А.  ______________

«______»  ______________2009 

Работа  защищена

с оценкой _____________________ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Нижний  Новгород

2009

    Содержание

Введение……………………………………………………………………………….....3

1. Особенности наноструктуры..………………………………………………………..4

2. Свойства наноматериалов. Размерные эффекты……..……………………………..6

     2.1. Общая характеристика…………………………..…………………………...6

     2.2. Электронное строение………………………………………………………..7

3. Актуальные проблемы технологии и материаловедения полупроводников……...9

     3.1. Выращивание монокристаллов…………………………..……………….....9

     3.2. Особенности дефектообразования в бездислокационных и малодислокационных монокристаллах …………………………………………..…..10

           3.2.1. Дефектообразование в бездислокационных монокристаллах...…11

           3.2.2. Дефектообразование в малодислокационных монокристаллах....12

4. Применение  наноматериалов………………………………………………………..14

5. Практическая часть. Технология полупроводников………....................................15

Выводы ………………………………………………………………………………….16

Список литературы……………………………………………………………………..17 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

Нанотехнология  сегодня представляется чрезвычайно  перспективной наукой, обещающей множество блестящих применений, от создания новых и высокоэффективных лекарств против тяжелейших заболеваний (включая раковые) до создания фантастических «молекулярных производств», позволяющих производить любые требуемые вещества буквально по принципу построения требуемых молекул из атомов исходных элементов. В связи с развитием нанотехнологий мы постоянно узнаем об удивительных открытиях и перспективах, например, о возможности создания компьютеров небывалой мощности, введении в человеческий организм удивительных микроскопических имплантантов (восстанавливающих, имитирующих или даже значительно расширяющих возможности человека) и о многих других, столь же удивительных перспективах. Более того, эти возможности перестали быть просто предметом дискуссий изобретательных дилетантов или авторов научно-фантастических произведений, а являются реальными разработками, предлагаемыми серьезными учеными и экспертами.

Новая наука  настоятельно требует простого и  ясного разъяснения основ теории и возможностей применения предлагаемых нанотехнологий в рамках привычных научных, технических и медицинских понятий. Описание и разъяснение нанотехнологий требуется не только сотрудникам и руководителям предприятий, которые уже имеют дело с нанотехнологиями или собираются этим заниматься, но и множеству людей, для которых эти научные исследования могут стать увлекательным и многогранным полем активной деятельности в ближайшем будущем.  
 
 
 
 
 
 

1. Особенности наноструктуры

Свойства наноматериалов, в том числе эксплуатационные характеристики, определяются их структурой; изучение последней является одной из важных задач наноструктурного материаловедения. Воспользуемся классификацией Г.Глейтера, чтобы охарактеризовать основные типы структур неполимерных наноматериалов (табл. 1).

По химическому  составу и распределению фаз  можно выделить четыре типа структуры: однофазные, статистические многофазные  с идентичными и неидентичными  поверхностями раздела и матричные  многофазные. Также выделяют три  типа структуры по форме: пластинчатая, столбчатая и содержащая равноосные включения. Эта классификация учитывает возможность сегрегаций на межкристаллитных границах (идентичные и неидентичные поверхности раздела). Однако реальное разнообразие структурных типов может быть и более широким за счет смешанных вариантов, наличия пористости, трубчатых и луковичных структур, полимерных составляющих и т.д. Наиболее распространенными являются одно- и многофазные матричные и статистические объекты, столбчатые и многослойные структуры; последние характерны в большинстве случаев пленок.

На рис. 1, 2 показаны типичные структуры консолидированных  наноматериалов. Эти снимки получены с помощью высокоразрешающих  и обычных просвечивающих электронных  микроскопов (рис. 1, а, д – з; рис. 2), высокоразрешающего сканирующего электронного микроскопа (рис. 1, б, в) и атомно-силового микроскопа (рис. 1, г) с увеличением в 20000-3500000 раз. Столбчатая и пластинчатая структуры пленок представлены на рис. 1, в-д; однофазные структуры – на рис. 1, а-г, ж; многофазные – на рис. 1, д, е, з; рис. 2.

В целом для  структуры наноматериалов характерно обилие поверхностей раздела (межзеренных  границ и тройных стыков – линий  встречи трех зерен).

2. Свойства наноматериалов. Размерные эффекты.

2.1. Общая характеристика.

Выявлением взаимосвязи  свойств материалов с характерными размерами их структурных элементов  различные науки (физика, химия, материаловедение, биология) занимаются давно. Зависимость  давления насыщенного пара жидкости от кривизны капли была предложена У. Томсоном (Кельвиным) еще в 1871 г. В начале XX в. Появляется еще одна теоретическая работа в области размерных эффектов, выполненная Д. Томсоном. Экспериментально наблюдаемые высокие значения электросопротивления тонких пленок, превышающие электросопротивление крупнокристаллических металлических образцов, связывались с ограничением длины свободного пробега электронов размером образца. Предложенная Д. Томсоном формула имеет вид:

где ρ₀ – удельное электросопротивление компактного крупнокристаллического металла; ρ – удельное электросопротивление изучаемого образца (пленки); κ = δ/l (κ ≤ 1); l – длина свободного пробега электронов; δ – толщина пленки.

Впоследствии  это выражение неоднократно уточнялось (например, учитывался коэффициент  отражения электронов от поверхности раздела и т.д.), но первоначальная идея влияния длины свободного пробега оставалась практически неизменной.

Основные особенности  проявления размерных эффектов в  наноматериалах могут быть сформулированы следующим образом:

• с уменьшением размера зерна значительно возрастает роль поверхностей раздела;

• свойства поверхностей раздела в нанометровом интервале  могут быть отличными от таковых  для обычных крупнокристаллических  материалов; разнообразие поверхностей раздела в нанокомпозитах, объединяющих неорганические и органические компоненты или органические и биологические компоненты и т.д., также весьма значительно;

• размер кристаллитов по мере их уменьшения может быть соизмерим  с характерными размерами некоторых  физических явлений (например, с длиной свободного пробега носителей в процессах переноса и т.д.);

• размерные  эффекты в наноматериалах могут  иметь квантовый характер, когда  размер зерна (или размер области локализации свободных носителей) становится соизмеримым с длиной волны де Бройля.

Трудность изучения размерных эффектов в наноматериалах обусловлена многообразным влиянием различных факторов на свойства последних. Помимо размера кристаллитов значительное влияние оказывают состав и распределение  основных компонентов и примесей, пористость, содержание дефектов и наличие остаточных напряжений, присутствие неравновесных и аморфных фаз и др. Следует также различать размерные эффекты на поверхностях раздела и в объеме нанокристаллитов. Выяснение природы размерных эффектов – одна из важнейших проблем материаловедения наноструктурных объектов. 

2.2. Электронное строение.

 Квантовые размерные эффекты начинают оказывать влияние на электронные свойства наноматериалов, когда размер области локализации свободных носителей заряда становится соизмеримым с длиной волны де Бройля λ_в:

Здесь m^* - эффективная масса электронов; E – энергия носителей; h – постоянная Планка.

Для металлов, в  которых эффективная масса электронов близка к массе свободных электронов m₀, а кинетическая энергия (энергия Ферми) составляет несколько электрон-вольт, де-бройлевская длина волны составляет 0,1-1,0 нм, т.е. влияние размера зерен нанометаллов на их электронные свойства может проявляться лишь для очень малых кристаллитов или в очень тонких пленках. Ситуация меняется для полуметаллов (Bi) и полупроводников (особенно узкозонных – InSb), отличающихся малыми значениями как эффективной массы (m^* ≈ 0,01 m₀), так и энергии носителей (E ≈ 0,1 эВ); соответственно значение λ_в составляет уже около 100 нм, т.е. проявление квантовых эффектов для этого типа наноматериалов вполне ощутимо.

Квантовые эффекты  наблюдаются и при достижении размеров, соизмеримых с радиусом других квазичастиц: экситонов, магнонов, поляронов и т.д., что может  проявляться в оптических и магнитных  свойствах вещества, связанных с возбуждением экситонных или магнонных состояний вещества.

В отличие от металлов и полупроводников, в которых  энергия межатомного взаимодействия велика и макроскопические кристаллы  рассматриваются как отдельные  молекулы, для молекулярных и ван-дер-ваальсовых кристаллов, энергия связи и взаимодействие между ближайшими соседями которых невелики, электронные свойства слабо зависят от размера частиц. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. Актуальные проблемы технологии и материаловедения полупроводников.

Полупроводниковые материалы по праву занимают одно из ведущих мест в ряду важнейших материалов, определяющих уровень развития мировой цивилизации. Они составляют основу элементной базы современной электронной техники, без которой сегодня немыслим научно-технический прогресс. С развитием твердотельной электроники (и, прежде всего, микроэлектроники) связано успешное решение проблем крупномасштабной компьютеризации и информатизации, создания современных систем связи и телевидения, эффективной передачи и преобразования электроэнергии, разнообразной бытовой, медицинской и специальной электронной аппаратуры. Большую роль играют эти материалы в решении задач развития экологически чистых энергетики и холодильной техники, создания современных систем мониторинга загрязнений окружающей среды, а также высокочувствительной сенсорной техники широкого функционального назначения.

3.1. Выращивание монокристаллов.

Выращивание монокристаллов – одна из наиболее ответственных  стадий на пути создания приборных  структур. Вырезаемые из монокристаллов пластины используются либо для непосредственного формирования на их основе интегральных схем и дискретных приборов, либо в качестве подложек в процессах получения тонкопленочных эпитаксиальных структур. В обоих случаях к качеству монокристаллических пластин предъявляются очень высокие требования.

Основной тенденцией в развитии технологии получения  монокристаллов широкого круга полупроводников  является увеличение диаметра выращиваемых слитков, при одновременном непрерывном ужесточении требований к совершенству кристаллической структуры и однородности распределения задаваемых электрофизических характеристик в объеме материала.

Наиболее универсальным  методом выращивания монокристаллов больших диаметров остается метод Чохральского. Увеличение диаметра выращиваемых монокристаллов и необходимость обеспечения высокой экономической эффективности технологического процесса в цепочке монокристалл-пластина требуют создания большегрузных, высокопроизводительных и полностью автоматизированных ростовых установок.

Однако решение  проблемы выращивания монокристаллов больших диаметров за счет последовательного  увеличения массы исходной загрузки и размеров используемых кварцевых  тиглей на каждом новом этапе увеличения диаметра слитка становится все менее  экономически эффективным, т.к. связано с существенным увеличением энергозатрат, удорожанием тиглей и повышением расходов на обеспечение безопасных условий труда. С этой точки зрения особого внимания заслуживает метод вытягивания расплава с непрерывной подпиткой гранулированным или измельченным поликристаллическим кремнием. Основным преимуществом этого метода является возможность выращивать кристаллы большой массы из относительно небольшой и постоянной по объему ванны расплава в тиглях меньшего размера. Есть и другие принципиальные преимущества: обеспечение повышения однородности распределения примесей по длине и в поперечном сечении выращиваемого кристалла; решается проблема поддерживания постоянной формы фронта кристаллизации и неизменных тепловых условий у границы раздела кристалл-расплав на протяжении практически всего процесса. В настоящее время этот метод доведен до уровня промышленного использования. 

3.2. Особенности дефектообразования в бездислокационных и малодислокационных монокристаллах.

Достигнутый в  последние годы прогресс в получении  бездислокационных и малодислокационных монокристаллов важнейших полупроводников  большого диаметра выдвинул на передний план проблему особенностей дефектообразования в такого рода структурно совершенных (с точки зрения существующих представлений) средах, и прежде всего роли собственных точечных дефектов (СТД) в этих процессах. Особую остроту этой проблеме придает переход микроэлектроники на создание ультрасверхбольших интегральных схем (УСБИС) и использованием технологий субмикронного уровня, требующих дальнейшего существенного повышения качества (в первую очередь, микрооднородности) используемых полупроводниковых материалов. Как показывают исследования последних лет, именно микродефекты ростового происхождения, содержащиеся в бездислокационных пластинах, оказывают наиболее существенное влияние на рабочие характеристики УСБИС. 

3.2.1. Дефектообразование в бездислокационных монокристаллах.

Основную роль в образовании «ростовых» микродефектов  в выращиваемых монокристаллах играют СТД – вакансии и междоузельные  атомы. В реальных условиях выращивания  монокристаллов, уже на достаточно малых расстояниях от фронта кристаллизации возникают значительные пресыщения по СТД, обусловленные резкой температурной зависимостью их равновесных концентраций в алмазоподобных полупроводниках. Образующиеся избыточные неравновесные СТД аннигилируют на стоках, в качестве которых выступают боковая поверхность слитка и присутствующие в его объеме более крупномасштабные дефекты, прежде всего, дислокации. По отношению к СТД дислокации являются практически ненасыщаемыми стоками. С учетом высокой подвижности СТД при высоких температурах сток на дислокации (при достаточно высокой плотности последних в кристалле) играет основную роль в снятии пересыщения. Однако бездислокационные монокристаллы лишены такого рода эффективных внутренних стоков, а боковая поверхность слитка в силу чисто диффузионных ограничений не может обеспечить снятия пересыщения. В результате, в объеме кристалла образуются пересыщенные твердые растворы СТД, которые в процессе посткристаллизационного охлаждения распадаются с образованием специфических агрегатов, получивших название «микродефект». Под этим термином мы будем понимать локальные нарушения периодичности кристаллической решетки, представляющие собой скопления точечных дефектов (собственных или примесных), не нарушающие фазового состояния основного вещества, а также дисперсные выделения второй фазы микронных и субмикронных размеров.

Другим источником ростовых микродефектов могут быть легирующие и сопутствующие фоновые  примеси, когда их концентрация в  выращиваемом монокристалле достаточна для образования в процессе посткристаллизационного  охлаждения (или при последующей термообработке) перенасыщенного примесного твердого раствора в данном полупроводниковом материале. 

3.2.2. Дефектообразование в малодислокационных монокристаллах.

Из всего многообразия нашедших достаточно широкое практическое применение полупроводниковых материалов задача получения бездислокационных материалов больших диаметров решается относительно просто лишь для кремния. Связано это, в первую очередь, с тем, что критические напряжения образования дислокаций в монокристаллах кремния существенно выше, чем в других полупроводниках. Для полупроводников с более низкими значениями критических напряжений величины плотности дислокаций в выращиваемых монокристаллах колеблются в пределах 10²…10⁵ см^-2.

Дислокации являются эффективными внутренними стоками для присутствующих в объеме кристалла неравновесных СТД. Сток СТД на дислокации сопровождается образованием вокруг них симметричных по отношению к линии дислокации областей с резко пониженной (в сравнении с основной матрицей кристалла) концентрацией дефектов. В этих областях практически полностью снимается пресыщение по СТД, что исключает образование в них микродефектов, обусловленных распадом соответствующих пересыщенных твердых растворов (в монокристаллах полупроводниковых соединений в определенных случаях возможно образование в непосредственной близости от дислокации или на самой дислокации выделений одного из компонентов соединения. Кроме того, так как СТД принимают активное участие в образовании электрически и рекомбинационноактивных центров во всех важнейших полупроводниках, то процесс их стока на дислокации сопровождается появлением в объеме кристалла, вблизи дислокаций, характерных микронеоднородностей в распределении электрических свойств.  

3.2.3. Изготовление пластин и возможности геттерирования загрязняющих примесей.

Основной тенденцией в развитии технологии производства пластин большинство полупроводниковых  материалов является увеличение их диаметра при одновременном непрерывном  ужесточении требований к качеству пластин (общая и локальная неплоскостность, уровень загрязнения поверхности, структурное совершенство и однородность распределения электрофизических свойств) и их стоимости. Особенно показателен в этом отношении кремний, требования к качеству пластин которого, в связи со стремительным прогрессом в создании кремниевых УСБИС, не имеют аналогов. В развитие производства пластин Si вкладываются огромные средства, поэтому уровень технологии и достигнутое качество кремниевых пластин намного опережают аналогичные показатели для пластин других полупроводниковых материалов. Сегодня производство пластин Si – это своего рода эталон высокого уровня технологических достижений.

Необходимость увеличения диаметра пластин продиктована, прежде всего, экономическими соображениями. Чтобы сделать процесс производства УСБИС рентабельным, необходимо, чтобы в пределах площади одной пластины умещалось по крайней мере сто чипов, размер которых возрастает по мере перехода к УСБИС все большей сложности.

Ужесточение других качественных показателей пластин связано, с одной стороны, с необходимостью удовлетворения требованиям современных процессов литографии, а с другой – с необходимостью резкого снижения уровня рабочих шумов в условиях существенного ограничения допустимых рабочих токов и напряжений в УСБИС повышенной сложности с постоянно уменьшающимися размерами и увеличивающейся плотностью «упаковки» рабочих элементов. 
 
 
 
 
 
 

4. Применение наноматериалов

Переход к наноструктурам в случае полупроводников сопровождается сдвигом люминесценции в коротковолновую область, увеличением ширины запрещенной зоны и другими явлениями, что находит интересные и важные технические приложения. Монокристаллические наночастицы CdSe в полимерных матрицах рассматриваются как возможные светодиоды и оптические переключатели для лазерных систем, а также сенсоры в биологических объектах.

Применение гетероструктур с квантовыми ямами и сверхрешетками типа AlGaAs/GaAs в полупроводниковых лазерах позволило значительно снизить пороговые токи, использовать более короткие волны излучения и улучшить другие эксплуатационные характеристики в быстродействующих оптиковолоконных системах передачи информации. Переход к гетероструктурам с квантовыми проволоками и точками приводит к еще более значительным результатам (дальнейшее уменьшение порогового тока, повышение температурной стабильности и др.), важным для лазеров, оптических модуляторов, детекторов и эмиттеров, работающих в дальней инфракрасной области. Полупроводниковые наноструктуры весьма перспективны для систем преобразования солнечной энергии. Таким образом, прогресс в области создания гетероструктур с квантовыми точками позволит качественно улучшить служебные характеристики многих устройств современной и будущей техники. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

5. Практическая часть. Технология полупроводников.

Для полупроводников характерно как получение наночастиц (типа CdS,CdSe, InP и др.), так и гетероструктур (сверхрешеток) на основе соединений A^IIIB^v (типа AlGaAs-GaAs, InAs-GaAs и др.), а также пористого кремния. Полупроводниковые наночастицы синтезируются коллоидными методами, гидролизной обработкой, газофазными методами (включая лазерное испарение) и др. Например, наночастицы сульфида кадмия осаждаются из растворов сульфида натрия и хлората кадмия:

Cd(ClO₄)₂ + Na₂S = CdS↓ + 2NaClO₄

При этом рост частиц CdS регулируется за счет контролируемого прерывания реакции. Нанооксид титана образуется при гидролизе тетрахлорида титана:

TiCl₄ + H₂O = TiO₂↓ + 4HCl

Получение наночастиц высокой чистоты с гарантированными размерами и узким распределением по размерам (т.е. практически монодисперсных) требует строгого соблюдения условий реакции и предотвращения поверхностных загрязнений. Так, наночастицы соленида кадмия среднего размера (4,5±0,3) нм синтезируются растворением диметилкадмия (Cd(CH₃)₂) и порошков селена в трибутилфосфине; образующийся раствор инжектируется в нагретый до температуры 340-360ºC оксид триоктилфосфина. Это поверхностно-активное вещество (сурфактант), с одной стороны, препятствует агломерации наночастиц, а с другой стороны – пассивирует их поверхность, защищая от окисления и т.д. Кристаллизация CdSe начинается при температуре 280-300 ºC. Различные добавки в растворитель могут приводить к кристаллизации не только округлых наночастиц, но и стержневидных нанокристаллов. Длительность нагрева составляет от нескольких минут до нескольких часов. Наночастицы осаждаются при добавлении метанола в охлажденную до комнатной температуры реакционную смесь, которая затем подвергается центрифугированию и сушке в азоте. За один опыт в лабораторных условиях удается получить порцию наночастиц массой от сотни миллиграммов до нескольких граммов. 
 

Выводы.

Полупроводниковые материалы по праву занимают одно из ведущих мест в ряду важнейших  материалов, определяющих уровень развития мировой цивилизации. Они составляют основу элементной базы современной электронной техники, без которой сегодня немыслим научно-технический прогресс. Полупроводниковые наноструктуры весьма перспективны для многих устройств современной и будущей техники. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список литературы

1. Нанотехнология. Физико-химия наноструктур и наноматериалов / И.П. Суздалев – М.: Ком Книга, 2005;

2. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства / А. И. Гусев. - Екатеринбург: УрО РАН, 1998;

3. Наноструктурные материалы / Р. А. Андриевский, А.В.Рагуля. - М.: Издательский центр «Академия», 2005;

4. Процессы самоорганизации в химии материалов / Ю. Д. Третьяков. - М.: Успехи химии, 2003;

5. Размерные эффекты в нанокристаллических материалах / Р.А. Андриевский, А.М. Глезер.- М.: Физика металлов и металловедение, 2000.