Вход |  Регистрация
 
 
Время электроники Четверг, 16 августа
 
 


Это интересно!

Ранее

«Росэлектроника» проведет масштабную реструктуризацию активов

«Росэлектроника» приступила к серьезной реструктуризации своих активов. Холдинг ликвидирует более 50 неэффективных предприятий. В планах «Росэлектроники» – увеличить втрое свою выручку к 2020 г., а также переориентироваться в значительной мере на гражданский сектор.

Пекин не реагирует на замечания Вашингтона по юаню

Американские власти уже неоднократно предупреждали Пекин о необходимости укрепления юаня и недопустимости манипулирования его курсом в целях поддержки китайского экспорта.

Google Glass: очки, которые изменят мир

«Очки дополненной реальности» Google представили больше года назад. Устройство до сих пор находится в стадии тестирования, и купить их могут только разработчики приложений, чьи кандидатуры одобрит Google. Попытаемся разобраться, что же это за зверь такой – Google Glass?

Реклама

По вопросам размещения рекламы обращайтесь в отдел рекламы

Реклама наших партнеров

 

18 апреля

Ближайшие перспективы углеродной электроники

В статье кратко рассмотрены последние достижения мировой науки и технологий в области материаловедения углеродных наноматериалов и создания микро- и наноэлектронных устройств на их основе за последние 5–10 лет. Показаны перспективы использования графена, углеродных пленок, нанотрубок и нановолокон в электронике.



В

озможность замены кремния в полупроводниковой электронике еще 15 лет назад даже не рассматривалась, да и сегодня мнения по поводу: «кремний или углерод» расходятся очень сильно. Понятно одно – расставаться с кремнием еще рано.

Директор Института физики микроструктур РАН З.Ф. Красильник в своем докладе в рамках Вавиловских чтений в ФИАНе в конце 2013 г. утверждал, что путь к суперкомпьютерам будущего лежит через кремний. Корни основных проблем ИТ-отрасли – увеличение скорости передачи данных и рост энергопотребления – лежат, по его мнению, в электрических межсоединениях в процессоре, т.к. при миниатюризации, начиная с некоторых размеров, быстродействие уже определяется не полупроводниковыми элементами на интегральной схеме, а банальными медными проводами, которые уже достигли физического предела в скорости передачи данных. Преодолеть «потолок» скорости смогут оптические межсоединения, а оптимальным материалом для их создания многие специалисты считают кремний – самый дешевый полупроводник, который прозрачен, имеет низкие потери, и межсоединения на его основе совместимы с уже широко использующимися КМОП-технологиями. При этом предлагается использовать не чистый кремний, а создавать на его основе сложные наноструктуры методом молекулярно-лучевой эпитаксии.

Кремниевая элементная база оптических межсоединений практически создана. Компания IBM в 2013 г. начала производство процессоров с комбинированными электрическими и оптическими межсоединениями, содержащими компоненты кремниевой фотоники со скоростью передачи данных 25 Гбит/с [1].

Существующая кремниевая технология накопила широкий спектр готовых решений для реализации тех или иных приборов и схемотехнических задач. Имеющаяся на рынке продукция соответствует основным тенденциям миниатюризации, однако тенденции по расширению функциональности кремниевых электронных компонентов на сегодня достигают предела. Почетный сотрудник корпорации IBM Джон Кон в своем интервью в марте 2012 г. сказал: «В микроэлектронике уже более 50 лет работает закон Мура, гласящий, что количество транзисторов на чипе удваивается каждые 18 месяцев. Плотность упаковки транзисторов увеличивается за счет уменьшения их размеров. Сейчас минимальный элемент полупроводникового чипа имеет размер 22 нм. В ближайшие несколько лет мы подойдем к единицам нанометров, а это уже порядка атомных масштабов, и тогда закон Мура перестанет работать. Это будет конец кремниевой электроники, но на смену ей придет углеродная электроника на основе графена. Это будет очередная революция, которая увеличит количество транзисторов на чипе в 1000 раз с миллиардов до триллионов, в т.ч. за счет трехмерной архитектуры, которая позволит увеличить плотность упаковки элементов и объединить на одном чипе множество принципиально разных устройств».

За открытие углеродных наноструктур были присуждены три Нобелевские премии. За открытие фуллеренов – Гарольду Крото, Роберту Керлу и Ричарду Смолли в 1996 г., за открытие углеродных нанотрубок (УНТ) – Сумио Иидзима в 2008 г. и за открытие графена – Андрею Гейму и Константину Новоселову в 2010 г.

Графен и графеноподобные углеродные материалы

Графен – это планарная 2D-струк­тура макроскопического размера и атомарной толщины, составленная из атомов углерода, которые располагаются в узлах двумерной гексагональной решетки так, что каждый атом связан с тремя соседними атомами ковалентными химическими связями с sp2-гибридизацией (см. рис. 1), а 4-валентный электрон включен в сопряженную (π)-систему графена. Три связи, расположенные в плоскости, задают геометрическую структуру графена, а 4-я – его уникальные электронные свойства. Для химика графен – это конденсированная ароматическая макромолекула, а для физика – это структурная единица кристаллической решетки графита, которая представляет собой стопку графеновых плоскостей, отстоящих друг от друга на расстоянии 0,335 нм и связанных между собой ван-дер-ваальсовым взаимодействием [2].

Рис. 1. Структура графена

До настоящего времени отдельные макроскопические листы графена для научных исследований без сминания и скручивания получали либо с помощью обычной липкой скотч-ленты, либо прямым методом микромеханического расслаивания графита при трении графитового стержня по гладкой поверхности кремния, покрытого SiO2 толщиной ~300 нм [3]. Для получения графена используется и высокоориентированный пиролитический графит HOPG (Highly Order Pyrolytic Graphite) и HAPG (Highly Annealed Pyrolytic Graphite), который используется, в основном, в научных целях, в частности, в качестве сверхгладких подложек для исследования биологических объектов методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) [4].

Названные механические методы позволяют получать большие образцы, размером около 10 мкм, и, как правило, это – мультислои графена. Химические методы расслоения графита для получения монослоев графена отличаются большим процентом выхода материала, но малыми размерами пленок порядка 10…100 нм [5]. Используются еще и эпитаксиальные методы и метод термического разложения SiC-подложки.

Автор этой статьи предлагает формировать низкоразмерные углеродные 2D-структуры – наноразмерные пленки на основе Highly Order Pyrolytic Graphite, по толщине приближенные к графену, с применением фокусированного ионного пучка. А в работе [6] описан метод синтеза графена каталитической реакцией крекинга пропилена на поверхности тонких слоев Ni (111) и показано, что данный способ приводит к формированию графенового покрытия монослойной толщины на больших площадях.

ФГБНУ «Технологический институт сверхтвердых новых углеродных материалов» (ТИСНУМ) в Троицке производит синтез углеродных наноструктур в условиях высоких газовых давлений и методом осаждения из газовой фазы (CVD). На рисунке 2а, б приведены снимки алмазоподобных углеродных пленок для автоэмиссионных катодов, полученных методом тлеющего диодного разряда в ЦНИТИ «Техномаш» [7].

Рис. 2а, б. Алмазоподобная углеродная пленка для автоэмиссионных катодов: а) РЭМ Carl Zeiss Supra 40-30-87; б) АСМ Smena-A, платформа Solar компании NT-MDT, 6×6 мкм

Снимок 2а получен на растровом электронном микроскопе (РЭМ) Carl Zeiss Supra 40-30-87, а снимок 2б получен автором статьи – на атомно-силовом микроскопе (АСМ) Smena-A, платформа Solar компании NT-MDT (Зеленоград). Пленки состоят из пластинчатых изогнутых чешуек толщиной 15–30 нм высотой 1–1,5 мкм. В скрученном состоянии (см. рис. 2б) толщина чешуек может достигать 100–150 нм. Современные методы получения графена и других углеродных материалов пока еще трудоемки и нетехнологичны, поэтому сейчас исследователи ищут более подходящие методы получения макроскопических листов графена. Несколько эффективных методов получения графена из графита химическими способами описаны в работе [2]. Кроме химических методов применяют еще и радиочастотное плазмохимическое осаждение из газовой фазы и рост при высоком давлении и температуре, выращивание графена на подложках карбида кремния (SiC), на металлических подложках рутения и иридия.

В зонной структуре графена, который является полуметаллом, отсутствует запрещенная зона. В точках соприкосновения валентной зоны и зоны проводимости энергетический спектр электронов и дырок имеет вид:

Е = hνFk,

где νF – скорость Ферми; k – модуль волнового вектора в двумерном пространстве с компонентами (kx, ky); h – постоянная Планка. Таким спектром обладают элементарные частицы с нулевой массой покоя и распространяющиеся со скоростью света (например, фотоны). Отсюда следует, что эффективная масса электрона и дырки в графене равна нулю. Но электроны и дырки – фермионы и обладают зарядом. В настоящее время аналогов таких безмассовых заряженных фермионов ни в каких физических системах не существует. Кроме того, в графене наблюдается сохранение киральности (проекция спина частицы на направление движения), которое приводит к парадоксу Клейна, т.е. электроны и дырки в графене преодолевают с вероятностью, равной единице, любые потенциальные барьеры при нормальном падениии на границу раздела, и частицы в графене трудно локализовать, что приводит к высокой подвижности носителей.

Существенным преимуществом графена перед углеродными нанотрубками является повсеместное использование применяемых в электронике технологий. Так, графеновый транзистор с верхним затвором (top-gate transistor), представленный в 2006 г. в рамках проекта ALEGRA, был создан при помощи традиционной КМОП-технологии. Под действием электрического поля в нем можно изменять концентрацию носителей, которая может достигать величины 1013  см2 при сохранении высокой подвижности электронов и дырок –
до 2·104 см2В–1с–1 [8]. Уникальная способность графена состоит в том, что при стремлении к нулю концентрации носителей проводимость имеет конечное значение, равное по величине кванту проводимости.

Термо- и радиационностойкая наноэлектроника, скорее всего, может быть создана на основе различных форм углерода (если вспомнить термостойкие и радиационностойкие углеродные резисторы).

В России первые макеты нанотранзисторов, нанорезисторов и нановаристоров на основе углеродных нанотрубок и углеродных пленок нанометровой толщины (графеновые пакеты) были созданы в Зеленоградском МИЭТе с применением зондовых методов [9]. В 2001 г. исследователи компании IBM представили транзистор на основе углеродных нанотрубок, имеющих диаметр 1 нм и длину порядка единиц микрон. А уже в 2008 г. компания IBM сообщила о создании транзистора на основе графена (с частотой 26 ГГц).

В 2007 г. Андрей Гейм и Константин Новоселов создали графеновый транзистор, работающий как одноэлектронный полупроводниковый прибор. По каналу транзистора, имеющего ширину несколько нанометров, может проходить только один электрон, т.е. полупроводниковый прибор управляется только одним электроном, на порядок уменьшаются габариты и устраняются токи утечки. В работе [10] сообщается об изготовлении графеновых наносеток (моно- и бислои графена, в которых вырезаны отверстия диаметром 10 нм) с периодом 30 нм. Они представляют собой полупроводники с большой запрещенной зоной. Уменьшение периода сетки приводит к росту ширины запрещенной зоны. Сравнительная простота изготовления обуславливает перспективу их применения в интегральных цепях, биодатчиках и устройствах спинтроники.

На сайте «Нанометр» в январе 2014 г. появилось сообщение о том, что ученые Колумбийского университета с коллегами из Кореи создали графеновый NEMS-резонатор и даже собрали небольшой FM-радиопередатчик, используя графеновый осциллятор [11]. На основе графена уже создан и сенсор магнитных полей.

С помощью гидрирования графена (пропускание электрического тока через графен в среде газообразного водорода) получают новый материал – графан. Графан – это диэлектрик, который позволяет решить одну из главных проблем графеновой электроники – создание проводящих контуров (вместо нанолитографии) и может быть использован при производстве сверхминиатюрных транзисторов. Основным недостатком графана является его нестабильность при температурах выше комнатной.

В статье [2] подробно рассмотрен процесс получения нового стабильного соединения графена – флюорографена, который имеет гексагональную кристаллическую решетку, характеризуется термической устойчивостью вплоть до 400˚С, химически стабилен в воде, ацетоне, пропаноле, является полупроводником с большой (3 эВ) запрещенной зоной и удельным сопротивлением 1012 Ом·м (при комнатной температуре), обладает механической прочностью (модуль Юнга равен 0,3 Тпа) в 1,5 раза большей, чем у стали. Этот материал может быть использован в качестве изолятора в полевых транзисторах.

В [12] появилось сообщение о создании канадскими учеными самой длинной из известных цепи углеродных атомов (44 атома) – полина. Полины могут служить моделями для одномерной формы углерода, карбина, который, как предполагается, находится в звездной пыли, и до сих пор не был синтезирован в лаборатории. Химики полагают, что карбин может служить в качестве молекулярного провода в наноразмерной электронике.

В конце 2013 г. стартовал европейский мега-проект Graphene Flagship, в рамках которого планируется потратить 1 млрд евро только государственных средств в течение 10 лет на изучение и коммерциализацию графена. И это несмотря на то, что основные вложения в эту отрасль делают США и Япония.

Углеродные нанотрубки и нановолокна

После того как к трем известным аллотропным формам углерода – графиту, алмазу и карбину добавилась еще одна – фуллерены, сразу же появилось множество работ по нанотрубкам, нанокольцам и другим структурам на основе углерода. Появились и сообщения об открытии новых форм углерода (см. рис. 3), например, М-углерода, получаемого при холодном сжатии графита [13].

Рис. 3. Новая форма углерода

Первая публикация об углеродных нанотрубках (УНТ) появилась в 1991 г. К настоящему времени углеродные нанотрубки и углеродные нановолокна стали промышленным товаром, а их производство – отдельной отраслью промышленности. Отдельный раздел материаловедения посвящен исследованиям и разработке материалов на основе УНТ, которые сейчас подразделяют на две группы – нанокомпозиты с УНТ и материалы из УНТ [14].

Нанокомпозиты – это обширнейшая тема для отдельной статьи. А к материалам из УНТ (до 3–5% масс связующих веществ или без них) относятся нанобумага (нановойлок и нанофетр) – листовой материал из спутанных УНТ, тонкие покрытия из углеродных нанотрубок, нановолокна из переплетенных УНТ, аэрогели из УНТ. Материалам из углеродных нанотрубок, в которых нанотрубки выстроены перпендикулярно поверхности подложки («лес»), посвящен подробнейший обзор с библиографией из 679 ссылок [15], где подробно и глубоко проанализированы вопросы получения и применения «леса» нанотрубок, а также отражены вопросы исследования их свойств, морфологии и модифицирования.

Углеродные нанотрубки образуются из sp2 ковалентно связанного углерода, в котором графеновые плоскости сворачиваются в цилиндрические трубки, образуя либо одностенные, либо многостенные УНТ. Одностенные УНТ могут быть либо полупроводниками, либо металлами, в зависимости от способа их свертки, а многостенные УНТ – квазиметаллы или полуметаллы, как и графит. В настоящее время различными способами получают нанотрубки диаметром от 2 до 500 нм, и длиной от 50 нм до нескольких миллиметров.

Рис. 4. Углеродная нанотрубка (а) и АСМ – изображение соединения Au-электродов с помощью УНТ (б). (По материалам www.physics umd.edu/mfuher/intreseach.htm)

На рисунке 4а изображена одностенная УНТ, а на рисунке 4б – снимок, полученный методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), как пример применения УНТ в качестве межсоединения золотых электродов. В зависимости от способа укладки графеновых слоев образуются углеродные нановолокна различной морфологии (диаметром менее 100 нм). Расстояние между графеновыми слоями в них больше, чем в кристаллах графита. На рисунке 5 показаны различные морфологии УНТ (www.carbonchg.ru), а на рисунке 6, приведено полученное автором статьи изображение нановолокна «таунит», изготовленного в ООО «НаноТехЦентр» (Тамбов) методом каталитического пиролиза – CVD.

Рис. 5. Морфологические разновидности углеродных нановолокон: а) нановолокно «столбик монет»; б) нановолокно «елочная структура»; в) нановолокно «стопка чашек»; г) нанотрубка «русская матрешка»; д) бамбукообразное нановолокно; е) нановолокно со сферическими секциями; ж) нановолокно с полиэдрическими секциями

Рис. 6. АСМ-изображение нановолокна «таунит»

Углеродные нанотрубки получают несколькими способами: химическим осаждением из паровой фазы (или CVD), с помощью дугового разряда и методом лазерной абляции (конденсации атомов углерода при испарении твердого углерода) с применением нанокатализаторов. В работе [16] приводятся убедительные данные о том, что получение углеродных нанотрубок с использованием процесса каталитического пиролиза (например, этанола) больше всего подходит для производства изделий микро- и наноэлектроники, т.к. этот метод позволяет синтезировать нанотрубки с заданной ориентацией относительно других структурных компонент.

В этом процессе очень важным является роль катализатора. В Зеленограде разработана компактная и простая в эксплуатации установка для роста УНТ методом каталитического пиролиза этанола на подложках диаметром до 80 мм. ООО «Углерод Чг» занимается коммерциализацией результатов фундаментальных и прикладных исследований, выполненных в группе «Дисперсных углеродных материалов» ИПХФ РАН под руководством А.В. Крестинина. Компания выпускает однослойные углеродные нанотрубки методом электродугового синтеза для применения в конструкционных материалах, тонкопленочных электронных компонентах, модулях памяти, суперконденсаторах, автоэмиссионных катодах [17].

В Японии в 2011 г. запущено первое опытное производство «леса» УНТ с годовой мощностью до 10 тонн с использованием процесса суперроста на подложках размером 0,5×0,5 м. Предполагается, что к 2014 г. будет запущено производство с годовой мощностью до 50 тонн и реактором с конвейерной лентой длиной 20 м и шириной 1 м, что приведет к резкому снижению цены чистых УНТ до 12 долл. за 1 кг. Важным сейчас является то, что каждый из способов получения углеродных нанотрубок в том или ином виде используется при производстве электронных компонентов.

В таблице 1, позаимствованной из материалов лекций К. Симунина в НОЦ «Нанотехнологии в электронике» МИЭТ, приведены основные, известные в настоящее время, характеристики нанотрубок и показаны их преимущества по сравнению с другими материалами. Они имеют хорошую электропроводность, отличную механическую прочность и химически инертны. Электропроводность «леса» однослойных нанотрубок вдоль их осей не зависит от длины и составляет 0,56 Ом·мм–1, а в направлении, перпендикулярном осям, она на порядок меньше.

Таблица 1. Свойства углеродных нанотрубок

 

Cвойства

ОСНТ

Сравнение

Физические
предпосылки

Типичный диаметр Около 0,6–2 нм Предел электронной литографии 7 нм Диаметр трубок определя-
ется С-С связью
Плотность 1,33–1,4 г/м3 Плотность алюминия 2,7 г/м3 Полость в нанотрубке облегчает всю структуру по сравнению с цельным цилиндром. Атом углерода имеет малую массу
Напряжение разрыва 45 Гпа Прочнейший стальной сплав рвется при 2 ГПа Сила связей в графене – сильнейшая элементарная связь в природе, равная 10 эВ/атом
Предельная плотность тока Около ГА/см2 Медный провод перегорает при 1 МА/см2 Реализуется по аналогичным причинам
Автоэмиссион-
ный барьер
Около 2 В/мкм Молибде-
новые иглы коротко-
живущи и требуют 50…100 В/мкм
Характерное высокое аспектное соотношение
Тепло-
проводность
Предсказы-
вается около 6000 Вт/м·К
Совершен-
ный алмаз имеет 3320 Вт/м·К
Теплопровод-
ность нанотрубок определяется суммой большой электронной и фотонной составляющей
Термическая стабильность Менее 2800°С в вакууме и 800°С в атмосфере Металлизация в схемах плавится при 600…1000˚С Структура очень стабильна благодаря углерод-
углеродному взаимодей-
ствию. Температура плавления углерода 4000 К

Контактное сопротивление «леса» из УНТ длиной 100 мкм на Мо-подложке составляет 5·104 Ом·мкм2. При сжатии «лес» УНТ проявляет пьезорезистивный эффект (обратимое уменьшение сопротивления). Механические свойства «леса» зависят от длины, диаметра и поверхностной плотности УНТ. При длине порядка 200 нм и очень высокой плотности прочность «леса» на сжатие близка к 800 Мпа, но с увеличением длины до миллиметра прочность «леса» снижается до 1,8 Мпа [15]. Морфология и поверхностная плотность УНТ во многом определяют их свойства. Так, наибольшую электропроводность и плотность тока показал «лес» из многослойных УНТ, а наибольшую теплопроводность – из однослойных нанотрубок. Интенсивный видимый свет вызывает эмиссию электронов из «леса». По способности поглощать световые лучи «лес» является рекордсменом и представляет собой черное тело.

Расширение областей применения и улучшение свойств «леса» УНТ может обеспечить и модификация «леса» углеродных нанотрубок, т.е. изменение формы и состава «леса», а также перенос «леса» с первичной подложки на новую и создание своеобразной микроархитектуры «леса». Механическими, физико-химическими, химическими, электрохимическими и комбинированными способами можно производить модификацию «леса» нанотрубок. Такими способами можно получать разнообразные формы «леса» УНТ, представленные на рисунке 7 из статьи [15], для различных применений.

Рис. 7. Микрофотографии различных форм «леса», полученных капиллярным сжатием: a) концентрические цилиндры и конусы, радиально уложенные УНТ с «иголками» в центре; б) цветки и радиально ориентированные структуры из изогнутых УНТ; в) микроспирали с переменным диаметром; г) сложные решетчатые структуры.
Для увеличения нажмите на картинку

Поражает разнообразие форм, получаемых из «леса» нанотрубок капиллярным сжатием. Нанотрубки в «лесе» могут быть декорированы наночастицами (например, платины), иметь сплошное покрытие или содержать во внутренней полости металлы (например, никель). «Лес» УНТ удается переносить на гибкие полимерные подложки контактным методом и получать сложные трехмерные структуры.

Основное применение УНТ (по количеству представленных публикаций) ожидается в биотехнологиях (биосенсоры, биочипы, адресная доставка лекарств, анализаторы для клинических применений в медицине), электрохимии (сенсоры), для замены пористого углерода в электрод-биполярных пластинах топливных элементов на мембранах протонного обмена, в качестве материала анода в литий-ионных аккумуляторах, в области энергосберегающего освещения для замены вольфрамовых нитей на волокна из нанотрубок (китайские УНТ-лампы имеют сопоставимый с вольфрамовой лампой спектр видимого света, а средняя эффективность УНТ-нитей на 40% выше, чем у вольфрамовых нитей при той же температуре (1440…2300 К)).

В литературе описаны многочисленные попытки использования «леса» нанотрубок в качестве материала полевых эмиттеров, для изготовления электродов суперконденсаторов. Уже проведены испытания суперконденсаторов с однослойными и многослойными УНТ, а также из «леса» с прослойками графена. Некоторые типы конденсаторов выдерживают до 200 тыс. циклов зарядки-разрядки при температурах 25…100˚С. В настоящее время просматриваются перспективы применения углеродных нанотрубок и «леса» в композитах, горизонтальных и вертикальных межсоединениях в 3D-электронике, наноэлектромеханических системах для замены функциональных частей в электронных устройствах. «Лес» УНТ может служить компонентом MEMS-систем с различными функциями – вплоть до фильтра для транспортирования жидкостей. При длине УНТ 0,05 мкм и более их сопротивление ниже, чем сопротивление меди. Электропроводностью УНТ обусловлено применение «леса» в качестве электродов, гибких проводников, щеток электромоторов, электромеханических переключателей.

Минимальный размер микроэлек­тро­дов составляет на сегодня 2 мкм. Отмечается даже возможность ис­поль­зования «леса» УНТ в качестве интерфейса с живыми системами, в ячейках солнечных батарей, а теплопроводность углеродных нанотрубок позволяет использовать «лес» УНТ в тепловых стоках для кремниевых чипов и электронных устройств. Из этого материала уже изготовлены магнитные наноструктуры, своеобразные фотонные кристаллы, а из разреженного «леса» УНТ предложено изготавливать покрытия, делающие предметы невидимыми. Показаны перспективы использования «леса» углеродных нанотрубок с привитыми к ним редокс-активными молекулами для записи информации.

В связи с лавинообразно растущим потоком информации большие надежды возлагаются на разработку нового типа энергонезависимой памяти NRAM с высокой скоростью чтения и записи на основе углеродных нанотрубок, разработкой которой занимается компания Nantero. В исследовании корейских ученых Ян Вон Канг (Jeong Won Kang) и Кван Ян (Qing Jiang) «Многослойные карбоновые нанотрубки в качестве генератора гигагерцевых частот» (2002) изложен принцип работы памяти на базе телескопических УНТ. Авторы установили, что нанотрубка с вложенной в нее другой нанотрубкой меньшего диаметра (телескопическая связь) образуют осциллятор с частотой колебаний в несколько гигагерц. Высокая относительная скорость скольжения нанотрубок обуславливает быстродействие нового типа памяти, которая может быть использована не только как flash-память, но и для изготовления ОЗУ [18] (см. рис. 8).

Рис. 8. Принцип работы осциллятора с «телескопическими» нанотрубками

Как видно из рисунка, при подаче заряда на один из электродов, внутренняя трубка перемещается в ту или иную сторону под действием сил Ван-дер-Ваальса. Недостатком этой системы является работа при низких температурах. Уже созданы первые дисплеи высокого разрешения на основе авто­электронной эмиссии УНТ (Motorola), две азиатские компании строят заводы для производства дисплеев на основе углеродных нанотрубок по технологии FED (Field Emission Display). Основными конкурентами таких дисплеев являют-ся жидкокристаллические и плазменные дисплеи. УНТ перспективны для создания материалов с высокими возможностями настройки и очень низкими потерями в СВЧ-диапазоне (мобильные телефоны, спутниковые навигационные системы и т.д.)

Основным применением УНТ в наноэлектронике является создание полевых транзисторов с нижним затвором на основе отдельных однослойных углеродных нанотрубок (SWNT-FET). Их также используют для создания высокочастотных транзисторов, для создания «гибкой» электроники (электронные компоненты можно печатать на принтере, если в качестве чернил использовать материалы с углеродными соединениями), применения УНТ в межсоединениях и для модификации проводящих материалов. Уже разработан прототип чипа, где в качестве межсоединений использованы углеродные нанотрубки (Intel). Эта же компания проводит исследования по замене медных соединительных проводов на провода на основе УНТ с целью снижения их электросопротивления. Особенно это актуально для производства процессоров и других микросхем.

На сайте airbot.ru в декабре 2013 г. появилось сообщение о самовосстанавливающейся при разрыве электрической цепи электронике на основе УНТ, разработанной группой американских ученых в университете Иллинойса. Суть этой разработки заключается в том, что на контакты в электрической цепи будет наноситься специальное защитное покрытие из большого количества микрокапсул из непроводящего полимера, заполненного УНТ. Вместе с разрывом провода будет разрываться и покрытие, а высвобождающиеся нанотрубки будут новым проводником электрического тока в месте разрыва. Это отличное решение для устранения поломки электронных плат и электрических приборов.

Намного раньше (16 февраля 2007 г.) журнал «Physical Review Letters» извес­тил о том, что исследователи из университета Райса (Rice University) под руководством Б. Якобсона установили, что УНТ при критическом химическом воздействии и деформации, вызванных резкими изменениями температуры или радиоактивным излучением, способны самовосстанавливаться и ремонтировать себя. Кроме шестиугольных ячеек в УНТ присутствуют пяти- и семиугольные атомные ячейки, которые циклически передвигаясь вдоль поверхности нанотрубки, при возникновении повреждения принимают участие в «залечивании», перераспределяя энергию.

Все эти достижения углеродной электроники реализуемы при условии решения финансовых и основных технологических проблем – создания относительно дешёвой технологии получения УНТ с заранее прогнозируемыми свойствами, формой и габаритами, характеризующихся надёжностью, воспроизводимостью, однородностью и химической чистотой [19]. Обычно «лес» УНТ – это смесь углеродных нанотрубок разного диаметра и различной хиральности (ориентации углеродных многоугольников относительно оси трубки). Часть УНТ имеет металлический тип проводимости, часть – проводниковый (в зависимости от хиральности). Решение проблемы селективного получения полупроводникового «леса» УНТ с регулируемой запрещенной зоной открыло бы новые пути его применения в микро- и наноэлектронике. В работе [20] освещены все основные проблемы интеграции графена в технологические процессы микроэлектроники.

Все это говорит о том, что до создания универсального полупроводника из углерода еще очень далеко. Тем не менее, нанороботы, прозрачные дисплеи, телевизоры, которые можно будет скрутить в трубочку, уже не кажутся неосуществимой мечтой.

Литература

  1. www.fian-inform.ru.
  2. Разумов В.Ф. Графен – новый прорыв в области нанотехнологий// Российские нанотехнологии, т. 5, №11–12, 2010.
  3. Novoselov K.S. et all//Proc. Natl. Acad. Sci. USA,V.102.P.10451, 2005.
  4. Белецкий А.Г., Синицына О.В., Яминский И.В. Влияние механических деформаций на микроструктуру пиролитического графита//Сб. тезисов VI межд. конференции «Современные достижения бионаноскопии», 18–20 июня 2012. – М.: физ. ф-т МГУ им. М.В. Ломоносова.
  5. Бобринецкий И.И., Горшков К.В., Неволин В.К., Царик К.А. Формирование интегрированных наноразмерных графеновых структур при фокусированном ионном травлении//Российские нанотехнологии, т. 5, №5–6, 2010.
  6. Шикин Ф.М., Рыбкин А.Г., Марченко Д.Е., Попова А.А., Варыхалов А.Ю., Радер О. Графен. Синтез и особенности электронной структуры// Российские нанотехнологии, т.6, №9–10, 2011.
  7. Белянин А.Ф., Самойлович М.И. Поликристаллические пленки алмаза и алмазоподобные углеродные пленки//Наука и технологии в промышленности, №1, 2009.
  8. Novoselov K.S.et al.//Science.V306.N5696.P666, 2004.
  9. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике/Изд.2-е. – М.: Техносфера, 2006.
  10. BaiJ.et al//Nature Nanotech.T.5P.190, 2010.
  11. Смирнов Е.А. Графен – жизнь или смерть?//Нанометр, 15.01.2014.
  12. www.sci-chemistry.blog spot.ru/2013/ 11/blog-post_2118/html.
  13. Оганов А. Как открыть новые материалы для технологий будущего// Открытая лекция в Открытом ун-те Сколково, 23 мая 2012.
  14. Rakov E.G. Russ.Chem.Rev., 82, 27(2013).
  15. Раков Э.Г. Материалы из углеродных нанотрубок//Успехи химии, 82(6). 2013.
  16. Симунин М.М.. Разработка и исследование технологических основ создания углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза//Автореф. дисс. – М.: МИЭТ, 2009.
  17. www.carbonchg.ru
  18. www.ixbt.com/editorial/carbon.shtml.
  19. www.startbase.ru/knowledge/articles/6.
  20. Бобринецкий И.И., Комаров И.А., Лаврентьев К.К. и др. Особенности интеграции графенов в технологические процессы микроэлектроники//Известия вузов. Электроника, №3(101), 2013.

Читайте также:
Углеродные нанотрубки станут основой новой электроники
Углеродные транзисторы IBM перешагнули барьер производительности
Углеродные нанотрубки превратили паутину в сверхпрочные провода
Углеродные нанотрубки для энергоэффективных вычислений
Углеродные нанотрубки стали основой голограммы
Физики создали сверхпрочные нанопровода из углеродных нанотрубок
Углеродные транзисторы вырастили на нитях ДНК
Создан полностью углеродный фотоэлемент

Источник: журнал «Электронные компоненты»

Оцените материал:

Автор: Татьяна Каминская, к.т.н., научный сотрудник физического ф-та МГУ им. М.В. Ломоносова



Комментарии

0 / 0
0 / 0

Прокомментировать





 

 
 




Rambler's Top100
Руководителям  |  Разработчикам  |  Производителям  |  Снабженцам
© 2007 - 2018 Издательский дом Электроника
Использование любых бесплатных материалов разрешено, при условии наличия ссылки на сайт «Время электроники».
Создание сайтаFractalla Design | Сделано на CMS DJEM ®
Контакты