ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

1. НАНОЭЛЕКТРОНИКА  НА УГЛЕРОДНЫХ  НАНОТРУБКАХ 3

1.1. Диоды 3

1.2. Транзисторы 4

1.3. Светодиод 5

1.4. Память на нанотрубках 7

1.5. Индикаторы и плоские  экраны 8

1.6. Выпрямитель 9

2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА  НА ФУЛЛЕРЕНАХ 10

3. ГРАФЕНОВАЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКА 13

3.1. Транзистор на  графене 13

3.2. Графеновая память 14

3.2. От графена к  графану 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ 18 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

     Углеродные  наноструктуры из-за своих размеров фактически являются переходным мостом между отдельными молекулами и кристаллами. Сейчас в литературе активно обсуждается возможность применения различных углеродных наноструктур в электронике (ансамбли квантовых точек, одноэлектронные транзисторы, ячейки памяти на один электрон, самые маленькие проводники тока, квантовые нити и др.), при создании квантовых компьютеров, спектроскопии, энергетике, конструировании различных перспективных композитных материалов.

     Тема  моего реферата «Углеродная наноэлектроника». На сегодняшний день тема очень актуальна. Много литературы по этой тематике, проводятся многочисленные исследования углеродных наноструктур и возможности их применения в наноэлектронике. 5 октября 2010 года совместно с А. Геймом К. Новоселов был удостоен Нобелевской премии за открытие и выделение свободного одноатомного слоя углерода и объяснение его выдающихся электронных свойств. Это открывает большие перспективы в области углеродной наноэлектронике. 
 
 
 
 
 
 
 

1. НАНОЭЛЕКТРОНИКА  НА УГЛЕРОДНЫХ  НАНОТРУБКАХ

     Одним из наиболее привлекательных направлений  использования нанотрубок является наноэлектроника. Благодаря малым размерам, разнообразным электрическим, оптическим и магнитным свойствам, механической прочности и химической стабильности нанотрубки являются уникальным материалом для производства рабочих элементов электронных устройств.

1.1. Диоды

     Цилиндрические  неизогнутые нанотрубки образуются из повторяющихся углеродных шестиугольников. Если два углеродных шестиугольника заменить пятиугольником и семиугольником, как показано на рис. 1, нанотрубка изогнется. С разных сторон относительно изгиба ориентация углеродных шестиугольников оказывается различной. Но с изменением ориентации шестиугольников по отношению к оси нанотрубки меняется ее электронный спектр, положение уровня Ферми, ширина оптической щели и т. п.

     Таким образом, эта изогнутая нанотрубка должна представлять собой молекулярный гетеропереход металл-полупроводник.

Рисунок 1. Влияние дефекта  семиугольника-пятиугольника  на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных  электронов (б).

«Одностороннее» прохождение тока через нанотрубку с изгибом используется для создания выпрямляющего диода — одного из основных элементов электронных схем (рис. 2).

Рисунок 2. Изображение изогнутой нанотрубки на кварцевой подложке в контакте с двумя золотыми электродами, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии.

1.2. Транзисторы

     На  основе полупроводниковых и металлических нанотрубок удалось сконструировать транзисторы, работающие при комнатной и сверхнизкой температуре. Транзисторы (триоды) — электронные устройства, на перенос заряда через которые оказывает сильное влияние внешнее управляющее электрическое поле, что используется в усилителях электрического сигнала, переключателях и т. п.

     Обсудим сначала первый реализованный транзистор на полупроводниковой нанотрубке (рис. 3) . В таком транзисторе электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний.

     В полупроводниковой нанотрубке состояния  валентной зоны отделены от   зоны проводимости энергетической щелью  — запрещенной зоной. Из-за наличия этой щели при обычных условиях концентрация носителей в зонах

Рисунок 3. Схема первого полевого транзистора на полупроводниковой нанотрубке. Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой.

мала  и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод (затвор) электрического потенциала V₃ в области нанотрубки возникает электрическое поле, и меняется изгиб энергетических зон. Включение отрицательного потенциала затвора V₃ приводит к возрастанию, а положительного — к убыванию тока через нанотрубку, что говорит о том, что дырки являются основными носителями заряда в транзисторе.

     Присутствие дырок обусловлено несовпадением  работы выхода нанотрубки и металлических электродов и, как следствие, перетеканием электронов с нанотрубки на электроды, а также влиянием заряженных центров на поверхности и в объеме кварцевой подложки. При изменении V₃ концентрация дырок в валентной зоне и, соответственно, электропроводность возрастают по экспоненциальному закону, в зависимости от величины смещения края зоны относительно уровня Ферми.

     Анализ  характеристик полупроводникового транзистора свидетельствует о том, что дырки, участвующие в процессе переноса, присутствуют именно в нанотрубке, а не инжектируются на контактах между электродом и нанотрубкой, и, следовательно, можно ожидать высокую однородность распределения дырок вдоль трубки независимо от напряжения на затворе. Концентрация дырок в трубке равна примерно одной дырке на 250 атомов углерода (для сравнения, в графите только одна дырка на 10⁴ атомов). Подвижность носителей, оцененная по крутизне вольтамперной характеристики, почти совпадает с подвижностью в сильнолегированном кремнии р-типа при аналогичной концентрации дырок, но значительно ниже подвижности дырок в графите.

1.3. Светодиод

     Удалось заставить светиться углеродные нанотрубки. Светоизлучающая нанотрубка в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Это самое миниатюрное твердотельное светоизлучающее устройство. Наиболее перспективной сферой его применения является оптоэлектроника, в частности, системы передачи данных по волоконно-оптическим сетям. В основе этого устройства — амбиполярный транзистор на полупроводниковой одностенной нанотрубке (рис. 4).

Рисунок 4. Схема амбиполярного  транзистора на полупроводниковой нанотрубке.

Для создания транзистора была взята нанотрубка толщиной 1,4 нм. Нанотрубку размещали на кремниевой подложке с поверхностным слоем диоксида кремния толщиной 150 нм.

     Зависимость тока через нанотрубку от подаваемого  на затвор напряжения V при напряжении смещения V_CM = 1 В приведена на рис. 5. Это характерная для амбиполярного транзистора зависимость: при отрицательных значениях V носителями заряда являются электроны, а при положительных значениях V > 10 В — дырки. Она объясняется тем, что в зависимости от знака и величины поля затвора облегчается туннелирование электронов или дырок через барьеры Шотки, образующиеся на границе нанотрубка — металл.

Рисунок 5. Зависимость тока через нанотрубку от подаваемого на затвор напряжения V₃ при напряжении смещения V_CM = 1 В. 

     Возможно  и одновременное инжектирование носителей заряда обоих знаков в нанотрубку. Это достигается в том случае, когда напряжение смещения превышает напряжение затвора. Например, если исток заземлен, напряжение на стоке 10 В, а напряжение затвора 5 В, разность потенциалов истока и стока относительно затвора будет одна и та же (5 В), но знак поля затвора на контактах будет противоположный. Поле на истоке будет облегчать прохождение электронов в нанотрубку, а поле стока — дырок. Вблизи истока и стока образуются области материала п- и р-типа, соответственно.

     В условиях одновременного инжектирования электронов и дырок наблюдается свечение нанотрубки в инфракрасной области, обусловленное рекомбинацией электронов и дырок в середине нанотрубки с генерацией фотонов. Принцип работы такого излучающего устройства — светодиода — поясняет рис. 6. Стоит отметить, что подобным же образом получают свет и в современном оптоволоконном оборудовании, но чтобы противоположные заряды встретились, его компоненты подвергаются специальному химическому процессу легирования. Нанотрубки же настолько тонки, что никакого легирования не требуется.

Рисунок 6. Схема работы излучателя света на базе углеродной нанотрубки.

1.4. Память на нанотрубках

     На  основе полупроводниковых углеродных нанотрубок создаются элементы памяти, потенциально пригодные для записи и длительного хранения информации.

     Нанотрубки промывали в однопроцентном водном растворе литий додецилсульфата и центрифугировали. Затем нанотрубки осаждали на легированную сурьмой кремниевую пластину, покрытую слоем Si0₂ толщиной 100 нм. Методами электронно-лучевой литографии поверх нанотрубок на расстоянии 150 нм размещали электроды, в качестве которых служили провода из сплава AuPd толщиной 15 нм. Кремниевая пластина служила в качестве затвора. Примерно на половине одностенных нанотрубок при комнатной температуре наблюдаются эффекты памяти в виде гистерезиса зависимости тока через нанотрубку 1_С от потенциала затвора V_з по мере того, как этот потенциал варьируется от 0 до +3 В, а за тем до -3 В и снова до 0 В. Проводимость двух состояний при V₃ = О В различается более чем на два порядка. При подаче напряжения V₃ = ± 5 В наблюдается обратимое переключение этого устройства между состояниями с высокой и низкой проводимостью. Если такое устройство отключить, его состояние высокой или низкой проводимости сохраняется при комнатной температуре не менее 12 суток.

1.5. Индикаторы и плоские экраны

     Оказалось, что углеродные нанотрубки могут  быть полезны также и для создания дисплеев нового поколения, работа которых основана на эффекте эмиссии электронов под действием электрического поля. Углеродные нанотрубки имеют идеальную геометрию для создания эмиттеров — атомарные размеры заостренных участков эмитирующей поверхности, обеспечивающие создание высоких электрических полей. К тому же они, как и графит, обладают высокой устойчивостью к агрессивным средам, высокой механической прочностью, высокой температурой плавления, свойственной углеродным материалам. Наконец, они могут работать в условиях технического вакуума. Холодные эмиттеры на нанотрубках — ключевой элемент плоского телевизора будущего, они заменяют горячие эмиттеры современных электронно-лучевых трубок, позволяют избавиться от гигантских и небезопасных разгонных напряжений 20-30 кВ. При комнатной температуре нанотрубки способны испускать электроны, производя ток такой же плотности, что и стандартный вольфрамовый анод при почти тысяче градусов, да еще и при напряжении всего 500 B.

1.6. Выпрямитель

     Эффект  автоэлектронной эмиссии из нанотрубок используется для создания выпрямителей. Берут два плоских электрода, один из которых покрывают слоем углеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно ко второму электроду. Если на электроды подается такое напряжение, что нанотрубка заряжается отрицательно, из нанотрубки на второй электрод излучается пучок электронов: ток в системе идет.

     При другой полярности нанотрубка заряжается положительно, электронная эмиссия из нее невозможна, и ток в системе не идет. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА  НА ФУЛЛЕРЕНАХ

     Фуллериты как полупроводники с запрещенной  зоной порядка 2,2 эВ можно использовать для создания полевого транзистора, фотовольтаических приборов, солнечных  батарей. Однако они вряд ли могут  соперничать по параметрам с обычными приборами с развитой технологией на основе Si или GaAs. Гораздо более перспективным является использование фуллереновой молекулы как готового наноразмерного объекта для создания приборов и устройств наноэлектроники на новых физических принципах.

     Молекулу  фуллерена, например, можно размещать  на поверхности подложки заданным образом, используя сканирующий туннельный микроскоп или атомный силовой микроскоп, и использовать это как способ записи информации. Для считывания информации используется сканирование поверхности тем же зондом. При этом 1 бит информации — это наличие или отсутствие молекулы диаметром 0,7024 нм, что позволяет достичь рекордной плотности записи информации.

     Интересны для перспективных устройств памяти и эндоэдральные комплексы редкоземельных элементов, таких как тербий (Тb), гадолиний (Gd), диспрозий (Dy), обладающих большими магнитными моментами. Фуллерен, внутри которого находится такой атом, должен обладать свойствами магнитного диполя, ориентацией которого можно управлять внешним магнитным полем. Эти комплексы (в виде монослойной пленки) могут служить основой магнитной запоминающей среды с плотностью записи до 10 бит/см (для сравнения оптические диски позволяют достичь поверхностной плотности записи 10 бит/см ).

     Разработаны физические принципы создания аналога  транзистора на одной молекуле фуллерена, который может служить усилителем тока наноамперного диапазона (рис. 7). Два точечных контакта, между которыми расположена молекула С₆₀, являются соответственно истоком и стоком. Третий электрод, представляющий собой маленький пьезоэлектрический кристалл

Рисунок 7.Принципиальная схема одномолекулярного транзистора на молекуле фуллерена С_60.

подводится  на ван-дер-ваальсово расстояние против молекулы С₆₀ (как затвор против канала в МОП-транзисторе). Входной сигнал подается на пьезоэлемент (острие), деформирующий молекулу, расположенную между электродами — истоком и стоком, и модулирует проводимость интрамолекулярного (intra — внутри) перехода. Прозрачность молекулярного канала токопротекания зависит от степени размытия волновых функций металла в области фуллереновой молекулы. Простая модель этого транзисторного эффекта — это туннельный барьер, высота которого модулируется независимо от его ширины, т. е. молекула С₆₀ используется как природный туннельный барьер. Предполагаемые преимущества такого элемента — малые размеры а очень короткое время пролета электронов в туннельном режиме по сравнению с баллистическим случаем, следовательно, более высокое быстродействие активного элемента. Рассматривается возможность интеграции, т. е. создания более чем одного активного элемента на молекулу С₆₀.

     В области наноэлектроники наибольший интерес с точки зрения возможных приложения вызывают квантовые точки {guantum dots). Такие точки обладают рядом уникальных оптических свойств, которые позволяют использовать их, например, для управления волоконной оптической связью, либо в качестве элементов процессора в проектируемом в настоящее время оптическом суперкомпьютере. Фуллерены являются во многих отношениях идеальными квантовыми точками, они имеют шанс стать самой маленькой микросхемой в компьютерном нанопроцессоре. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. ГРАФЕНОВАЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКА

3.1. Транзистор на  графене

     В конце 2008 года компания IBM объявила о  разработке графенового полевого транзистора (GFET), работающего в гигагерцевом диапазоне. Транзистор был изготовлен на основе наноленты графена шириной 20 нм с помощью метода механического отслаивания чешуек графита и размещения их на слое термического оксида кремния толщиной 300 нм, нанесенного на высокоомную кремниевую подложку (>10 кОм·см). Электродами стока и истока служили 10 нм/50 нм слои Pd/Au, которые наносились поверх слоя титана толщиной 1 нм, выполняющего роль адгезива. Изолятором затвора служила пленка оксида алюминия толщиной 12 нм, осажденная методом атомно-слоевой эпитаксии (Atomic Layer Deposition, ALD) при температуре 250°С. Электроды формировались с помощью электронно-лучевой литографии и взрывного травления. Электроды истока перекрывали всю графеновую чешуйку, чтобы минимизировать неопределенность при ее извлечении для измерения S-параметров транзистора. Расстояние между электродами истока и стока составляло 500 нм, верхний затвор длиной LG полностью не перекрывал это расстояние. Ширина затвора (или ширина обоих каналов) составляла ~40 мкм.

     В созданных компанией IBM графеновых полевых транзисторах заряд переносят  электроны и дырки при положительных  и отрицательных значениях напряжения соответственно. Минимальная проводимость соответствует точке Дирака, где вклад электронов и дырок в перенос заряда одинаков. Напряжение верхнего затвора транзистора слабо влияет на значение минимальной проводимости или ток, указывая на то, что металлизация электродов верхнего затвора не изменяет свойства графенового канала. Было установлено, что в полевых транзисторах с верхними затворами зависимость тока стока от напряжения ID(VD) почти линейная до напряжения 1,6 В. Отсутствие насыщения тока – следствие нулевой запрещенной зоны графена. Вероятно, насыщение тока в графеновых транзисторах возможно при более высоких значениях напряжения смещения. Но для достижения требуемой скорости насыщения при представляющих интерес значениях напряжения стока подвижность носителей очевидно должна быть более высокой.

     В дальнейшем планируется выращивать графен на пластинах карбида кремния  и уменьшить ширину канала графенового  наноленточного транзистора до 2 нм.

3.2. Графеновая память

     Необычные свойств графена привлекают и  разработчиков высокопроизводительных компонентов компьютерной техники, в том числе энергонезависимой оперативной памяти. И здесь внимание привлекают работы ученых Университета Райса (США) Джеймса Тура, Юйбао Ли и Александра Синицкого, создавших ячейку памяти на основе диэлектрических наностержней – сердцевины из двуоксида кремния с графеновой оболочкой толщиной 5–10 нм. Изучение характеристик таких стрежней показало нелинейность их вольт-амперной характеристики: при низких значениях напряжения сила тока монотонно растет с увеличением напряжения, но при некотором пороговом значении напряжения V_пор происходит резкий переход в непроводящее состояние. Более того, такая структура обладает памятью: если наностержень перевести в непроводящее состояние импульсом, превышающим V_пор, это состояние после снятие напряжения не изменяется. Восстановление проводящего состояния возможно лишь при некотором значении напряжения V<V_пор.

     По  утверждению разработчиков, объем  графеновой памяти может превысить объем наиболее перспективной на сегодняшний день энергонезависимой флеш-памяти в пять раз, поскольку размер ее ячейки памяти меньше 10 нм, тогда как в флеш-памяти минимальный размер ячейки по-видимому не будет меньше 25 нм. Кроме того, новая ячейка памяти может иметь два контакта, а не три, как в современных устройствах памяти, что позволит послойно наращивать графеновые матрицы и, соответственно, увеличивать объем памяти с каждым слоем. К достоинствам графеновой памяти относится и достаточно широкий диапазон рабочей температуры – -75…200°С. Испытания предложенной памяти показали также ее стойкость к радиационному облучению, что делает ее перспективной для применения в системах, работающих в экстремальных условиях.

     Кроме того, испытания показали высокую  надежность графеновой памяти – 20 тыс. циклов записи/считывания не привели к изменению скорости переключения ячейки, измеренное значение которого составляло 1 мкс. Правда, это значение ограничено возможностями лабораторной измерительной аппаратуры, поэтому предполагается, что пропускная способность графеновых ЗУ может быть выше.

     К недостаткам предложенной графеновой памяти относится достаточно большое  время выборки – 100 нс (в десять раз больше, чем у современных  СОЗУ). Но разработчики уверены, что  по мере совершенствования новой  структуры им удастся уменьшить  это время.

3.2. От графена к графану

       Здесь первенство принадлежит ученым Университета Манчестера, в том числе А.Гейму и К.Новоселову, которые обнаружили, что графен может взаимодействовать с другими веществами, в результате чего образуются новые соединения с различными свойствами. Ими, опять впервые, была показана возможность контролируемого превращения графена, материала с высокой электропровдностью, путем обработки его потоком водорода в диэлектрик – графан.

     Графан, как и графен, имеет двухмерную гексагональную кристаллическую структуру. При этом атомы водорода присоединяются к атомам по обе стороны плоскости углерода. Графен, полученный традиционным методом отшелушивания и отожженный при температуре 300°C в атмосфере аргона (для избавления кристаллов исходного материала от возможных примесей и загрязнений), в течение двух часов подвергался воздействию плазмы, образованной смесью аргона и молекулярного водорода (доля Н₂ составляла 10%), находящейся при низком давлении (~10 П).

     Измерения проводимости графана подтвердили  теоретические предсказания его полупроводниковых свойств. С ростом температуры сопротивление графана, как и у полупроводников, уменьшалось. При температуре жидкого гелия (~4К) сопротивление графана увеличивалось на два порядка, а подвижность носителей по сравнению с графеном уменьшалась более чем в 1000 раз. При отжиге графана при температуре 450°C в течение 24 ч он вновь превращается в графен, его сопротивление слабо зависит от температуры, а подвижность носителей практически становится прежней.

     С появлением графана открылись новые  возможности для создания печатных плат наноэлектронных схем непосредственно на листе нового материала с последующим формированием контактных площадок путем испарения водорода в требуемых участках с помощью лазера. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были  рассмотрены основные приборы и  устройства на основе углеродных наноструктур.  Все эти устройства пока только показывают возможности углеродных структур в электронике. Но говорить о промышленном производстве пока еще рано, имеются только единичные образцы приборов для научно-исследовательских целей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применение. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006 г.
2. И. В. Сухно, В. Ю. Бузько. Углеродные нанотрубки. Часть 1: высокотехнологические приложения. Краснодар 2008 г.
3. Старостин В. В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008 г.