Физические основы нанотехнологий, получение наноматериалов  

Нано-электроника появилась в процессе естественной микроми­ниатюризации элементной базы современных электронных устройств и систем, где каждый шаг дается с большим трудом и часто диктует необхо­димость привлечения новых (иногда принципи­ально) физических путей и методов. В нано-электронике за ее масштаб принято значение в 100 нм. Это определение планарного элемента наноэлектроники можно обобщить, считая нано-объектом (наноструктурой) все, что имеет харак­терный размер <100 нм, хотя бы в одном измере­нии (направлении).

Физическая электроника в самом общем смысле этого слова представляет собой раздел физики, который занимается изучением явлений, связанных с движением заряженных частиц и, в первую очередь, электронов (отсюда и само на­звание «электроника») в различных материальных средах, включая физический вакуум.

Это, прежде всего, вакуумная электроника, изучающая процес­сы, которые происходят при движении заряжен­ных частиц в вакууме и в основе которых лежат законы этого движения.

Сюда относятся вся элек­тронная оптика, электронная и ионная микроско­пия, а также физика явлений, происходящих в различных радиотехнических устройствах типа электронных ламп и приборов, применяющихся для генерации или усиления электромагнитного излучения, в том числе и СВЧ-диапазона. По­следнее направление в настоящее время оформи­лось в самостоятельное - радиофизику СВЧ (или микроволн).

Во-вторых, это явления испускания электронов и атомарных частиц, чаще всего ио­нов, различными средами, в основном твердыми телами и плазмой, которые составляют обширный раздел физической электроники, называемый эмиссионной электроникой.

С появлением полу­проводников интенсивно начала развиваться по­лупроводниковая электроника и на ее основе - электроника твердого тела. В дальнейшем полу­проводниковая электроника также стала разви­ваться самостоятельно и является в настоящее время междисциплинарным разделом физики. К области же собственно физической электроники продолжают относиться такие разделы твердо­тельной электроники, как физика поверхности, тонких пленок и пленочных структур ~ элемент­ной базы современной микроэлектроники.

Исторически одним из основных разделов физической электроники являлась так называемая газовая электроника, изучавшая процессы в раз­личных газоразрядных радиотехнических устрой­ствах, таких как тиратроны, разрядники, стабили­троны и т.п. На основе изучения физики газового разряда оформился и в дальнейшем получил са­мостоятельное развитие такой крупный раздел физики, как физика плазмы. Тем не менее, наука о плазменных средах является важнейшей состав­ной частью физической электроники, поскольку она изучает большой круг проблем, связанных с поведением газа заряженных частиц - электронов, ионов и дырок, атомов и молекул, в том числе, находящихся в возбужденном состоянии, а также квантов излучения (э.-м. поля) и нейтральных частиц в самых разных материальных средах: собственно плазме как газовой среде и газе носителей заряда (электронов и дырок) в твердых те­лах, которые при этом принято называть плазмо-подобными (или плазменными) средами. С разви­тием лазерной физики из этой науки выделился крупный раздел, связанный с изучением законов поведения газа возбужденных атомов, молекул и квантов излучения, получивший название кванто­вой электроники.

Ваку­ум, газы и конденсированные среды мо­гут контактировать друг с другом. Для конденси­рованных сред при этом вводят понятие границы раздела этих сред или понятие поверхности. Тра­диционно под поверхностью понималась область резкого, скачкообразного изменения свойств ве­щества. Реально вблизи собственно геометриче­ской границы материальной среды существует некоторая область конечной толщины, в которой ее свойства существенно отличаются от свойств вещества в объеме.

Действительно, в объеме лю­бая частица взаимодействует только с частицами этой среды, а вблизи границы, с одной стороны - с частицами этой же среды, а с другой - с части­цами той среды, с которой она граничит. Если вторая среда - вакуум, на границе твердого тела должны существовать разорванные атомарные связи. При этом толщина погранично­го слоя определяется тем расстоянием от поверх­ности, начиная с которого частицы среды пере­стают «ощущать» влияние частиц за ее границей. Толщина такого слоя, по крайней мере, порядка дебаевского радиуса r_D, который для твердого тела имеет порядок величины от 1 до 100 нм. Следует также учесть, что в этот слой проникают частицы среды - соседки за счет взаи­модиффузии нейтральных атомов, ионов, элек­тронов или дырок или бомбардировки другими частицами (контакт с газом или вакуумом). При учете всех этих процессов характерная толщина такого слоя в направлении нормали к границе может достигать размеров порядка нескольких сотен нанометров.

Итак, поверхность твердых тел - это естественный нанообъект, в котором проявляются новые качественные свойства. Эти свойства можно направленно изменять путем ис­пользования плазменных, лучевых (потоки частиц) и радиационных (поток квантов излучения) нано-технологий направленного изменения свойств по­верхности или, другими словами, модификации свойств поверхности.

Поскольку в конденсированных средах пове­дение образующих их частиц - атомов, ионов, электронов и дырок - подчиняется законам кван­товой механики, т.е. описывается их волновыми функциями, в них проявляются новые свойства, обусловленные квантоворазмерными эффектами - зависимостью свойств наносистемы от соотно­шения ее характерных размеров и характерных размеров области корреляции различных физиче­ских взаимодействий и явлений, происходящих в системе частиц. В связи с этим поверхность можно считать, пожалуй, самой распространенной естест­венной наносистемой, причем пленочного типа.

Следующим шагом модификации свойств по­верхности является осаждение на ее поверхности тонких пленок либо слоистых пленочных структур, толщина которых может быть от микрон до долей микрона, т.е. может удовлетворять условию d < 100 нм. Такие пленочные структуры служат осно­вой для построения элементной базы современной микро-, а в пределе d < 100 нм, наноэлектроники.

Это двумерные наноструктуры, причем ин­теграция элементов происходит в их плоскости. Тонкие пленки могут выполнять и функциональ­ные задачи упрочнения поверхности, изменения ее смачиваемости, коэффициента трения и др. Новое качество может быть достигнуто путем осаждения на поверхность твердого тела атомов тех элемен­тов, которые могут образовывать различные веще­ства, отличающиеся по своим структуре и свойст­вам, т.е. различные аллотропные модификации. Ха­рактерный пример - углерод, который может суще­ствовать в виде четырех аллотропных форм, отли­чающихся типом гибридизации: sp³ и sp²- этим ти­пам соответствуют устойчивые модификации алмаз и графит, а также sp¹ и sp°, которым отвечают метастабильные модификации линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ), и гранецентрированного (ГЦК) углерода. При этом метод управляемого осажде­ния атомов углерода в настоящее время является практически единственным методом синтеза по­следних двух форм углерода.

Экспериментальная установка получения углеродных пленок представляет собой вакуумную систему, обеспечивающую импульс­ное осаждение углерода из плазменных сгустков, формируемых вакуумной дугой, с плотностью ионов 10¹³...10¹⁴ см³ и степенью ионизации 95%. Частота импульсов варьируется в пределах 1...30 Гц, длительность импульса 100 мкс.        

Ионный пучок формируется ионным источником низкого давле­ния. Энергия ионов Аг⁺, облучающих поверх­ность растущей пленки, варьируется в пределах 0-300эВ и зависит как от напряжения экстракции, так и от параметров углеродной плазмы. В ниже­описанных экспериментах эта энергия была равна 150эВ. В качестве материалов подложки исполь­зовались NaCl (для электронномикроскопических исследований), Si (для электронной спектроско­пии), а также сталь, полимеры, керамика и т.д. Рабочее давление в камере - 10⁴ Па.

 

 

Рисунок 8.1 Схема метода получения углеродных пленок:

1 - подложка; 2 - поток углерода; 3 - ток ионов аргона; 4 - графитовая мишень

 

Нанообъекты могут существовать и в виде частиц соответствующего размера (наночастицы), а также нанокомпозиты, образованные ансамблем таких частиц. Многообразие возможных видов наночастиц весьма велико.

Од­ним из основных физических признаков принад­лежности к наномиру является равенство или превышение поверхностной энергии наночастицы по сравнению с ее объемной энергией. Поэтому отличительным свойством наночастиц является их активность за счет наличия на их поверхности оборванных связей. В общем случае обычно это трехмер­ные объекты (3D).

Естественно, что право на существование имеют одномерные ( ID ) и нульмерные системы (0D). К первым относят так называемые квантовые нити (квантовые провода), которые формируются в условия сильной анизотропии свойств вещества сильным проявлением квантово-размерных эффек­тов и с диаметром < 100 нм (важный пример кван­товой нити - полупроводниковые нанотрубки). На­конец, характерным примером нульмерной систе­мы или квантовой точки может служить экситон.

Наносистемы могут либо организоваться в природе естественным путем - поверхность, нанокластеры карбина, нанотрубки и др. - либо модифицируются путем управляемого выращивания (тонкие пленки и пленочные наност­руктуры) с помощью осаждения на поверхность частиц нужного свойства. Такие частицы могут осаждаться из плазмы или других источников пуч­ков атомов, ионов, молекул, причем важным эле­ментом такой технологии является предваритель­ная подготовка поверхности таким образом, чтобы она стимулировала рост необходи­мой структуры осаждаемой пленки. Это, например, управление процессом эпитаксиалъного роста, при котором межатомные расстояния выращивае­мой пленки повторяют геометрию создаваемых на поверхности центров зародышеобразования. Для реализации такого процесса нужно детально знать физику взаимодействия ионов и электронов с по­верхностью твердого тела.

Описанный процесс ионно-стимулированного эпитаксиального роста пленок на командной поверхности является важным примером само­сборки, которая является неотъемлемым свойст­вом нанотехнологий.

В настоящее время проводится обширный цикл иссле­дований процессов взаимодействия пучков заря­женных частиц (электронов и ионов в широком диапазоне их энергий) с поверхностью твердых тел:

• распыление материала поверхности;
• вто­ричная ионно-ионная;
• ионно-электронная;
• элек­трон-ионная эмиссия;
• внедрение частиц пучка в поверхность;
• напыление частиц пучка на поверх­ность;
• изменение фазового состава поверхности;
• активация поверхности и т.п.

Все эти процессы реа­лизуются также при контакте газоразрядной плазмы с поверхностью, и так или иначе исполь­зуются в различных технологических циклах, та­ких, как травление, имплантация, интеркалирование, осаждение пленочных структур, литография и других технологических циклах современной микро-, а с переходом к характерным размерам < 100 нм, наноэлектроники.

Установлено, что важную роль играют неуп­ругие процессы при взаимодействии ионов ма­лых энергий с поверхностью твердых тел. Выяв­лен основной механизм такого взаимодействия, а именно, - резонансная перезарядка. Этот процесс лежит в основе большинства нанотехнологий мо­дификации свойств поверхности.

Среди про­цессов, сопровождаемых (вызываемых) на поверх­ности твердых тел пучками заряженных частиц: электронов и, в первую очередь, ионов для пони­мания магистрального направления развития исследовательских работ являются процессы электронной и ионной стимуляции направленного выращивания (напыление, осаждение) на ней пленок различных углеродных метастабильных фаз и, в первую оче­редь, двумерно-упорядоченного линейно-цепо­чечного углерода (ДУ ЛЦУ).

В настоящее время хорошо известно, что в при­роде и в лабораториях мира давно изучается метастабильная аллотропная фаза углерода, так называемый линейно-цепочечный углерод. Впервые он был открыт в России в 1960 г. учеными из Института элементоорганических соединений Сладковым A.M. и Кудрявцевым Ю.П. После длительного отжига в вакууме при темпе­ратуре 1000 °С в продукте, содержавшем 99,9% углерода, было обнаружено наличие кристалли­ческой фазы со средними размерами кристаллов порядка 100 нм. Этот материал обнаруживал на­личие линейных цепочек углеродных атомов, и был назван карбином. Полученный результат долго подвергался сомне­нию в среде химиков, поскольку линейная цепоч­ка углеродных атомов неустойчива до 6...8 ато­мов, после чего она должна замыкаться на близ­лежащие цепочки с образованием графитовых связей - сшивок цепочек.

С использовани­ем физических методов анализа электронной структуры карбина (Оже-спектроскопия) было доказано, что он представляет собой доста­точно протяженные отрезки линейных цепочек углерода (ЛЦУ), стабилизированных в районе развития неустойчивости сшивания изгибами це­почек, либо присутствием постороннего атома. Тем не менее, для этой структуры характерным оказалось наличие упомянутых выше сшивок. Этот материал мог синтезироваться в виде ниток (волокон), ваты, войлока, порошка. 

В 1992г. был синтезирован пленочный кристалл, образованный цепочками углеродных атомов, ориентированных нормально к подложке, так называемый двумерно-упорядоченный углерод (ДУ ЛЦУ).

ДУЛЦУ представляет собой плотно упако­ванную гексагональную решетку из линейных це­почек углерода, которые стабилизированы чере­дующимися произвольно ориентированными изги­бами, образующими слои, расположенные на рас­стоянии от 2-х до 8 атомов углерода (самосборка). Технология позволяет выращивать сплошные пленки, не имеющие островковой структуры и полностью покрывающие подложку, повторяя ее исходную топографию, начиная с толщин « 5 А. При этом пленка по данным атомно-силовой мик­роскопии имеет атомно-гладкую поверхность.

Важной особенностью структуры ДУ ЛЦУ является ее сильная анизотропия, из которой вы­текает и анизотропия ее физико-химических свойств. На разрыв цепочки ЛЦУ имеют очень высокую механическую прочность (выше, чем у нанотрубок), в противоположном направлении пленка очень эластична и допускает расстояние более, чем в 3 раза, без нарушения сплошности. Наличие оборванных связей на концах цепочек приводит к ее необыкновенно сильной адгезии к подложке, которая оказывается выше ее объемной прочности. Это позволяет снижать коэффициент трения за счет покрытия трущихся поверхностей пленками ДУ ЛЦУ.

Анизотропны и электрофизические свойства пленки, проводимость которой вдоль цепочек и в поперечном направлении отличается на шесть по­рядков. Вдоль цепочки движение электронов но­сит баллистический характер, т.е. подобно дви­жению электронов в вакууме; в поперечном направлении пленка проявля­ет свойства диэлектрика, а проводимость носит прыжковый характер. Это открывает принципи­ально новые возможности в создании наноэлектронных систем.

В силу слабой связи цепочек ЛЦУ, находя­щихся на значительном расстоянии друг от друга, пленки ДУ ЛЦУ прозрачны для электронных пуч­ков, более того, они коллимируют и усиливают электронные пучки (из-за взаимодействия с плазмонами).

Материалы, содержащие линейно-цепочечный уг­лерод, в силу отмеченных выше уникальных физи­ко-химических свойств находят самое широкое применение в различных областях практического применения от наноэлектроники до медицины.

⇐ Предыдущая24252627282930313233Следующая ⇒

Поделиться: