Лекции6
advertisement
Физика, технология и элементная база современной электроники Квантовые точки и нити Плюснин Николай Иннокентьевич, д.ф.-м.н., проф. кафедр: ИСКТ ВГУЭС, и КПРЭА ДВГТУ, зав. лаб. ИАПУ ДВО РАН 1 Квантовые точки 2 Квантовые точки 3 Квантовые точки 4 Квантовые точки 5 Квантовые точки 6 Квантовые точки 7 Квантовые точки 8 Ансамбли квантовых точек 9 Ансамбли квантовых точек 10 Ансамбли квантовых точек 11 Ансамбли квантовых точек 12 Ансамбли квантовых точек 13 Квантовые нити 14 Квантовые нити 15 Квантовые нити 16 Квантовые нити 17 Квантовые нити 18 Квантовые нити 19 Квантовые нити 20 Квантовые нити 21 Квантовые точки и нити 22 Электроника на нанотрубках Как показали наблюдения с помощью электронных микроскопов, большинство нанотрубок состоит из нескольких графитовых слоев, либо вложенных один в другой, либо навитых на общую ось. Расстояние между слоями практически всегда составляет 0,34 нм, что соответствует расстоянию между слоями в кристаллическом графите. Нанотрубки обычно заканчиваются полусферической головкой, структура которой включает в себя наряду с шестиугольниками также правильные пятиугольники и напоминает половину молекулы фуллерена. 23 Электроника на нанотрубках Углеродные нанотрубки, так же как и фуллерены, обычно образуются в результате термического распыления графитового анода в электрической дуге в атмосфере гелия. Новая дешевая технология была предложена исследовательской группой профессора Хироси. Они поместили электронагреватель и лист никеля в стеклянную бутыль с парами алкоголя. При нагреве до около 2000 градусов Цельсия на листе никеля образовалась сажа. Часть этой сажи оказалась углеродными нанотрубками. 24 Электроника на нанотрубках Нанотрубки могут быть большие и маленькие, однослойные и многослойные, прямые (Рис.2а, б) и спиральные (Рис.2в). они не "рвутся" и не "ломаются", а просто-напросто перестраиваются. Модуль Юнга однослойной нанотрубки достигает величин порядка 1-5 ТПа, что на порядок больше, чем у стали. Длина нанотрубок, получаемых в лаборатории, постепенно увеличивается - сейчас ученые уже вплотную подошли к миллиметровому рубежу. Исследователи обратились к углеродным нанотрубкам из-за очень высокой электропроводности этих структур, которая оказалась выше, чем у всех известных проводников. Кроме того, они приобретают полупроводниковые свойства при скручивании или сгибании. 25 Электроника на нанотрубках Для изготовления соединения полупроводниковых и проводящих нанотрубок надо в процессе роста нанотрубки заменить один из углеродных шестиугольников, например, пятиугольником. Тогда одна часть нанотрубки будет металлической, а другая полупроводниковой ( в общем случае с Eg= от 0,01 до 0,7 эВ). Электрические свойства индивидуальной нанотрубки определяются ее хиральностью, то есть углом ориентации графитовой плоскости относительно оси трубки. Если в идеальной однослойной нанотрубке создать дефект в виде пары пятиугольник-семиугольник, то хиральность трубки в области существования дефекта изменяется. Нанотрубка с хиральностью первого типа является полупроводником, тогда как нанотрубка с хиральностью второго типа является полуметаллом. Другими словами, соединение двух нанотрубок, имеющих различную хиральность, а следовательно, и различные электронные характеристики, представляет собой p-n-переход размером в несколько нанометров и может быть использовано в качестве основы электронных устройств. 26 Электроника на нанотрубках Здесь показан фрагмент электронной схемы, где между двумя шинами расположен жгут из углеродных нанотрубок. 27 Электроника на нанотрубках Корпорация IBM объявила о создании самой маленькой логической схемы на основе двух транзисторов, построенных из нанотрубки углерода материал, который в 100 тысяч раз тоньше человеческого волоса. 28 Электроника на нанотрубках 29 Электроника на нанотрубках IBM удалось сначала изготовить первый транзистор pтипа на основе углеродных нанотрубок. Но для логических схем требуются транзисторы, как минимум, двух типов: p-типа и n-типа. Способ изготовления транзисторов n-типа, как оказалось, сравнительно прост: нагревание транзистора p-типа в вакууме превращает его в транзистор n-типа. Попутно был найдена технология изменения типа целой нанотрубки или её части. В настоящее время учёные пытаются увеличить производительность отдельных нанотрубочных транзисторов, а также создать более сложные схемы, объединяющие большее количество транзисторов. По словам учёных IBM, в ближайшие 10 лет нанотрубки станут одним из главных кандидатов на 30 замену кремнию. Электроника на нанотрубках Инженеры NEC использовали углеродные нанотрубки особой рогоподобной формы ( "nanohorns") в качестве электродов топливного элемента. Получился источник питания нового поколения с потрясающим КПД, когда энергия химической реакции водорода и кислорода превращается в электричество напрямую. 31 Электроника на нанотрубках Полученная электрическая энергия в 10 раз превышает энергию, выделяемую литий-ионной батареей того же объема. К 20032005 годам будет создан аккумулятор для ноутбука, позволяющий ему работать непрерывно на протяжении нескольких дней и батарею для мобильного телефона, которая не будет садиться при использовании "мобильника" в течение месяца. 32 Электроника на нанотрубках Компания IBM объявила о создании сверхбыстрых транзисторов на основе атомов углерода. Нанотрубки позволяют увеличить скорость движения электронов. Молекулярные трубки углерода являются наиболее перспективным заменителем кремния. Южнокорейский электронный гигант Samsung уже использует нанотрубки в своих продуктах в качестве проводников, а не электронных компонентов. Специалисты Samsung представили плоский монитор, в котором нанотрубки используются в излучающих элементах. В частности, на картинке вы можете видеть прототип плоскопанельного дисплея от , в котором использовались одностеночные углеродные нанотрубоки. На второй половине изображены типы трубок. 33 Электроника на нанотрубках На картинке прототип плоскопанель ного дисплея от , в котором использовали сь одностеночны е углеродные нанотрубоки. На второй половине изображены типы трубок. 34 Электроника на нанотрубках Созданы и опробованы прототипы тонких плоских дисплеев, работающих на матрице из нанотрубок. Под действием напряжения, прикладываемого к одному из концов нанотрубки, с другого конца начинают испускаться электроны, которые попадают на фосфоресцирующий экран и вызывают свечение пикселя. Получающееся при этом зерно изображения будет фантастически малым: порядка микрона! Созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: прикладывая запирающее напряжение в несколько вольт, ученые научились изменять проводимость однослойных нанотрубок на 5 порядков! 35 Электроника на нанотрубках В настоящее время усилия ученых направлены на разработку технологии получения углеродных нанотрубок, заполненных проводящим или сверхпроводящим материалом. Итогом решения этой проблемы стало бы создание токопроводящих соединений, которые позволят перейти к производству наноэлектронных приборов, размеры которых будут на один или два порядка меньше ныне существующих. Углеродные нанотрубки с открытым концом проявляют капиллярный эффект и способны втягивать в себя расплавленные металлы и другие жидкие вещества. Реализация этого свойства нанотрубок открывает перспективу создания проводящих нитей диаметром порядка нанометра, которые могут стать основой электронных устройств нанометровых размеров. 36 Электроника на нанотрубках Единичные нанотрубки можно использовать в качестве тончайших зондов для исследования поверхностей с шероховатостью на нанометровом уровне. В этом случае используется чрезвычайно высокая механическая прочность нанотрубки. Кроме того, однослойные нанотрубки, например, могут упруго удлиняться на 16%. Зонд из нанотрубки со сверхупругими свойствами при превышении некоторого усилия будет изгибаться упруго, обеспечивая тем самым контакт с поверхностью. На основе нанотрубки можно создать микроскопические весы. Например, было обнаружено, что груз уменьшает ее частоту колебаний с 3.28 МГц до 968 кГц, откуда была получена масса груза 228 фг (фемтограмм, т.е. 10-15 грамм!). 37 Электроника на нанотрубках Благодаря чрезвычайно малому поперечному размеру нанотрубка изменяет распределение электрического поля в окрестности вершины. Это проявляется в эффекте усиления поля, согласно которому напряженность электрического поля вблизи вершины может в сотни раз превышать среднее по объему значение. В результате воздействия такого поля нанотрубки обладают высокими эмиссионными характеристиками. Это открывает возможность использования нанотрубок в эмиссионной электронике. Высокие значения тока эмиссии были получены, когда однослойные нанотрубки диаметром 0,8-1 нм скручивали в жгуты диаметром 10-30 нм (в процессе роста) и наносили на кремниевую подложку. В качестве анода использовали молибденовый стержень, отстоящий от поверхности пленки на расстоянии 15 мкм. Автоэлектронная эмиссия (0,5 А/см2) наблюдалась при напряженности электрического поля E *, равной 1,6 " 104 В/см. Оценки показали, что работа выхода электронов из нанотрубок в этом случае равна 1 эВ. Полученные данные позволяют рассматривать углеродные нанотрубки как лучший материал для автоэмиссионных катодов. 38 Электроника на нанотрубках Команда химиков Райсовского Университета, возглавляемая нобелевским лауреатом профессором Ричардом Смоли (Richard Smalley), обнаружила, что углеродные нанотрубки, после поглощения света видимой и ультрафиолетовой длины волны, выделяют ближний инфракрасный свет. Эти свойства могут получить применения в нанотехнологиях и в биомедицине. Нанотрубки различных диаметров по-разному поглощают и испускают свет. Профессор Райсовского Университета Брюс Вайсман (Bruce Weisman) отметил: "Открытие флюоресценция открывает много новых возможностей и применений этой технологии. Очень обширное применение открытие получит в биомедицине." Кроме того, он отметил, что нанотрубки могут выделять свет в интегральных схемах следующего поколения, так называемой нано-оптоэлектронике. 39 Электроника на нанотрубках In the Chemistry Department at Harvard University, for example, you see two thin lines under the microscope, one nanotube crossing another at right angles. A wisp of electric current bends the top tube down to meet the bottom one, forming a switch about a hundred times smaller than those in the fastest existing computers. Lieber is considering devices that would marry silicon nanowires with carbon nanotubes. Such a hybrid could make it easier to connect together switches on the same chip and chips in the same computer 40
