Материалы наноэлектроники

К этому моменту было известно, что скорость движения носителей  заряда в графене, или их подвижность, значительно выше, нежели у медных проводников. Однако при уменьшении размеров проводящих структур различие между графеном и медью только возрастает - при исследовании нанолент на основе графена ученые показали, что через них можно пропускать ток до 10 млрд Ампер на квадратный сантиметр, что в тысячу раз выше аналогичного параметра для медных проводнико

Свойства  графена.

1) Прозрачен, т.к. является  планарной углеродной структурой  из одного слоя атомов;

2) Обладает высокой подвижностью  зарядов (приблизительно в 100 раз  выше, чем у кремния, и в 20 раз выше, чем у арсенида галлия) при комнатной температуре;

3) Небольшим удельным  сопротивлением;

4) Обладает хорошей теплопроводностью  (коэф. теплопроводности приблизительно равен 5000 Вт/м*К);

5) Является самым прочным  из известных на данный момент  веществ, модуль Юнга

E=1,0 ± 0,1 ТПа

Исследователям из Корнеллского университета из листа графена создали мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надули ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер.

4. Графан

 

При химической реакции графена с атомарным водородом образовывается новое вещество – графан. Кристаллическая структура графана, такая же как и графена – двумерная гексагональная.

Свойства  графана.

1) Сростом температуры  T сопротивление уменьшается, как  и у полупроводников.

2) При переходе от температуры  300 К к температуре жидкого гелия (около 4 К ) графан становится диэлектриком.

Переход металл–изолятор  в гидрированном графене — графане. Красные круги и зеленые треугольники отображают температурную зависимость сопротивления чистого и отожженного графена соответственно. Синие квадраты — температурная зависимость сопротивления графана. Сплошная кривая — аппроксимация зависимости ρ(T) функцией exp[(T0/T)1/3].

Рис. 3. Зависимость сопротивления  от температуры.

3) Реакция гидрирования  графена является обратимой и графан можно снова превратить в графен.

5. Молибден

Швейцарцы создали прототип микрочипа из совершенно нового материала. Дисульфид молибдена по многим параметрам превосходит традиционный кремний, а его использование в электронных  устройствах позволит сделать их гораздо более миниатюрными и  гибкими.

Швейцарские ученые из Федеральной  политехнической школы Лозанны  заявили, что в их Лаборатории  наноэлектроники и наноструктур создана интегральная электронная схема, в которой вместо обычного для современной электроники кремния применено соединение молибдена. Испытания микрочипа, по их словам, подтвердили их прежние предположения о том, что молибденовая электроника способна преодолеть физические ограничения, наложенные на кремниевую в отношении таких характеристик, как миниатюризация, электропотребление и механическая гибкость.

Дисульфид молибдена MoS2, минерал, достаточно распространенный в природе, представляет собой полупроводник, идеально подходящий для изготовления транзисторов: по некоторым своим  характеристикам он потенциально превосходит  кремний, а по нескольким параметрам – даже такую "экзотику", как  графен.

Как заявили ученые , главное  преимущество молибденита MoS2 состоит  в том, что электроника на его  основе лучше поддается миниатюризации, чем кремниевая. Слой кремния невозможно сделать тоньше двух нанометров –  иначе он начинает окисляться, что  резко снижает его электронные  качества. Интегральная схема из молибденита  стабильно работает даже при толщине  в три атома, что потенциально позволяет делать гораздо более  миниатюрные чипы. Транзисторные MoS2-ключи  могут переключаться быстрее, чем  кремниевые. По механическим качествам  молибденит представляется весьма привлекательным  материалом для использования в  гибкой электронике, из него можно создавать  целые "простыни" из микрочипов, которые  впоследствии будут использовать, например, для производства компьютеров, сгибаемых  в трубку, или для приборов, наносимых  непосредственно на человеческую кожу. 

 

6. Пористый кремний

 

Пористый кремний впервые был  получен в 1956 г. А. Улиром в ходе исследований процесса электрохимической полировки поверхности кремния (Si) в водных растворах плавиковой кислоты HF. Внимание ученых и исследователей он привлек тем, что механизм его получения был совершенно не понятен. Особый интерес пористый кремний вызвал, когда в 1990 г. Л. Кэнхэм обнаружил его излучение при комнатной температуре в видимой области спектра (красно-оражевая область) при облучении лазером. 

Ни для кого не секрет, что одним  из наиболее распространенных материалов для создания приборов электронной  техники является монокристалл кремния. Он широко распространен в природе, технологичен, инертен в обычных  условиях, достаточно теплостоек, дешев, к тому же для создания диэлектрических  слоев не требуется привлечение  дополнительных материалов, т.к. кремний  имеет свой собственный окисел SiO2. Однако недостатком монокристаллического кремния является то, что его нельзя использовать для создания светоизлучающих  приборов. Поэтому использование  пористого кремния так привлекло внимание ученых и исследователей мира. 

Пористый кремний получается при  анодной электрохимической обработке  монокристаллического кремния в  растворах на основе плавиковой кислоты HF. Анодом служит пластина кремния, а  катодом – платиновый электрод. При контакте с водными растворами HF поверхность кремния насыщается водородом и становится химически  инертной по отношению к электролиту. При подаче разности потенциалов  на электроды дырки в кремнии, которые представляют собой положительный  заряд, начинают мигрировать к поверхности  раздела кремния и электролита, атомы Si освобождаются от блокирующего их водорода, начинают взаимодействовать с ионами и молекулами электролита и переходят в раствор. При высокой плотности тока к поверхности электрода поступает большое количество дырок. Они движутся к границе раздела сплошным фронтом и обеспечивают реакционную способность практически каждому атому Si. Микровыступы имеют большую поверхность, чем ровные участки. Поэтому они растворяются быстрее. А поверхность кремниевого анода постепенно выравнивается. Это и есть режим электрохимической полировки. При низкой плотности тока количества дырок не хватает для организации сплошного фронта, поэтому происходит локальное растворение кремния на поверхности. Зарождение пор может начинаться на микроуглублениях, дефектах структуры, механически напряженных участках или локальных возмущениях потенциального поля поверхности. С течением времени появившиеся поры продолжают свой рост в глубь электрода за счет дрейфа дырок к кончикам пор, где напряженность электрического поля выше. Необходимое количество дырок можно получать и за счет фотогенерации при подсветке кремниевого электрода, и также – лавинной генерации при анодировании в области высоких напряжений. Изменяя условия анодирования, можно получать пористый кремний с различной геометрией пор. На поперечный размер пор влияют плотность тока анодирования, время, дополнительная подсветка, состав электролита, уровень и вид легирования кремния и т.д. В результате всех этих факторов размер пор может меняться от 10 мкм до 1 нм. Пористая структура кремния может быть получена и другими способами, например при лазерном распылении кремния и его осаждении на расположенную рядом подложку.

Основным параметром любого пористого  материала является показатель пористости П. Он определяет, какая доля объема материала занята порами. Для пористого кремния значения пористости могут находиться в необычайно широком интервале от 5 до 95%. Поры имеют разнообразную форму. Это приводит к многообразию оптических, электрических, механических характеристик материала. Также стенки пор покрыты продуктами электрохимических реакций и адсорбированными атомами, химический состав которых заметно влияет на свойства пористого кремния. 

Исследования показали, что пористый кремний служит хорошей основой  для выращивания монокристаллических  пленок кремния, а также в качестве изолирующего слоя в структурах «кремний на изоляторе». 

В пористом кремнии в ходе электрохимического травления возможно получать квантовые  точки, квантовые нити, элементы с  различной фрактальной размерностью. Поэтому пористый кремний с П > 50% следует рассматривать как  один из материалов наноэлектроники. 

Пористый кремний перспективен в качестве датчика различных  биологических и химических веществ. При поглощении различных молекул  или биополимеров в порах кремния (такой процесс обычно называют сорбцией), происходит изменение его показателя преломления и, как следствие, оптических свойств. На основе это явления и  конструируются датчики. 

Технология изготовления пористого  карбида кремния аналогична технологии получения пористого кремния. Наиболее часто применяется упомянутый выше метод анодирования пластин в  электролитах, содержащих плавиковую кислоту. В зависимости от плотности  протекающего тока возможно получение  слоев с различной степенью пористости – от нанопористого до микропористого материала. 

Таким образом, создание структур на основе нанопористого кремния и карбида кремния одной из перспективных направлений современной оптоэлектроники и наноэлектроники. 

На основе нанопористого карбида кремния возможно создавать фотоприемные устройства ультрафиолетового диапазона. Причем для повышения эффективности приемников можно использовать кратковременное анодирование подложки с образованием тонкого нанопористого слоя.

 

Пористый кремний. Получен ионно-стимулированным  химическим травлением фтором.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение

Информационное  поле вокруг наноэлектроники, становится все более и более популярным и затрагивает практически все сферы не только науки, но и производства. Применение наноэлектроники является основополагающим направлением рынка.

Хочется отметить, что на данном этапе развития наноэлектроники в нашей стране становится все более и более прогрессивным, что в свою очередь выводит нас из роли потребителя западного рынка электроники и дает возможность вхождения в него на правах производителя и генератора идей.

Многие  ученые расценивают перспективы  наноэлектроники в России и общие перспективы наноэлектроники — как мощнейший прорыв во многих научных и промышленных отраслях.

Материалы наноэлектроники применяются, практически, во всех научных и производственных сферах и масштабы использования только наращиваются.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

1. http://www.chip-news.ru/archive/chipnews/200507/Article_04.pdf

2. Герасименко Н., Пархоменко Ю. Кремний — материал наноэлектроники. — М.: Мир Материалов и Технологий, Техносфера, 2007. — 352 с.

3. Г.И. Зебрев - Физиеское основы кремниевой наноэлектроники- М: БИНОМ, Лаборатория знаний, 2011

4. http://www.ixbt.com/editorial/carbon.shtml – Будик А., «Углеродное» будущее электроники, 2007.

5. http://elementy.ru/news/431012 – Ерин Ю., При взаимодействии с водородом графен превращается в графан, 2009.

6. Щука А. А. Наноэлектроника. — М.: Физматкнига, 2007. — 464 с.