Линн Фостер - Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности

Этот эффект наглядно иллюстрируется данными рис. 15.4, описывающими механизм действия так называемого одноэлектронного транзистора, состоящего из двух туннельных переходов, соединенных проводящим «островком» или «квантовой точкой» с вторичным источником напряжения Vg, присоединенным к системе через дополнительную емкость затвора Cg . Как показано на рисунке, «включение» кулоновской блокады при повышении напряжения на затворе происходит лишь при целочисленных значениях количества электронов, туннелирующих через структуру, что и позволяет осуществлять «поштучное» управление движением электронов. К настоящему времени удалось экспериментально доказать возможность создания множества одноэлектронных вычислительных устройств (транзисторы, устройства накачки, или «насосы», простейшие логические схемы, запоминающие устройства и т. п.), работающих на этом принципе. Более того, некоторые из этих устройств уже сейчас способны функционировать даже при комнатной температуре, что представляется исключительно важным для практического применения, поскольку позволяет отказаться от очень сложной, дорогой и капризной системы криогенного охлаждения. Организация производства одноэлектронных устройств (как и описанных выше структур с квантовой интерференцией) связана с множеством технологических сложностей, вызываемых как случайными флуктуациями, так и очень высокими требованиями к литографической методике. Напомним, что для успешной работы устройств такого типа необходимо, прежде всего, чтобы энергия одноэлектронной «зарядки» структуры превышала тепловую энергию (25 мкэВ при 300 К).

Рис. 15.4. Схема устройства одноэлектронного транзистора (single-electron transistor, SET), состоящего из двух туннельных переходов, соединенных проводящим «островком», на который через емкость затвора подается смещающее напряжение V. Как показано на рисунке слева, в обычном (нерезонансном) состоянии такой системы туннелирование электронов невозможно из-за широкой запрещенной зоны. Подача через затвор на проводящий «островок» требуемого смещающего напряжения создает в системе резонанс (правая часть рисунка), при котором электроны по одному туннелируют через барьер, в результате чего возникают характерные пики проводимости

Другим направлением быстрого и перспективного развития функциональных электронных наноустройств стала самосборка (самоорганизация) разнообразных структур из полупроводниковых нанопроволок (ПНП) и углеродных нанотрубок. Особое внимание в последнее десятилетие вызывали именно ПНП, поскольку выяснилось, что они обладают очень интересными особенностями проводимости (вольт-амперными характеристиками), позволяющими использовать их в качестве резонансных туннельных диодов, одноэлектронных транзисторов и структур с полевым эффектом. В самое последнее время интерес к изучению ПНП дополнительно усилился после того, как была доказана возможность направленной самосборки ПНП в процессе эпитаксиального выращивания.

На рис. 15.5 приведена полученная на сканирующем электронном микроскопе микрофотография характерной структуры такого типа, изготовленной методом сложного эпитаксиального выращивания, в котором принимают участие компоненты, находящиеся в газовом, жидком и твердом состоянии. Изготовляемые этим методом нанопроволочные структуры могут относиться как к классу простых, одноэлементных полупроводников (Si, Ge), так и к интерметаллическим полупроводникам (типа III–V). Этот факт является исключительно важным с точки зрения коммерциализации и производства, поскольку он сразу позволяет использовать при их изготовлении стандартные, давно разработанные и высокоэффективные технологические приемы существующей полупроводниковой промышленности (контролируемое легирование в процессе роста, изменение состава, позволяющее создавать так называемые резкие D-гетеропереходы, и т. п.). Используя методы самоорганизации ПНП, некоторые группы исследователей (в частности, в Гарвардском и Лундском университетах) смогли синтезировать и продемонстрировать возможности целого ряда интересных в коммерческом плане структур, таких как нанопроволочные полевые транзисторы, биполярные устройства, инверторы на дополняющих структурах и т. п. На основе ПНП со специально изготовленными гетероструктурами уже созданы резонансные туннельные диоды, одноэлектронные транзисторы и другие наноэлектронные устройства. Кроме того, исследователи все чаще задумываются о возможностях использования организованных массивов или решеток из ПНП, что, естественно, ставит перед ними новые технологические задачи, связанные с обеспечением требуемого распределения ПНП и их направленности.

Очень важное направление исследований возникло после того, как выяснилось, что углеродные нанотрубки, представляющие собой еще одну структурную форму атомарного углерода, обладают множеством интересных физико-химических особенностей. На рис. 15.6, а представлены некоторые возможные, все более усложненные структуры из атомов углерода, завершающиеся изображением конфигурации в виде нанотрубки с вершиной в виде полусферы, представляющей собой половину знаменитой молекулы C60 (бакибол). Легко заметить, что эта структура в целом практически является «сверткой» так называемой графеновой пленки углерода (из шестигранных колец), свернутой соответствующим образом в трубки диаметром несколько нанометров. Исключительно важным и принципиальным открытием стало обнаружение того факта, что трубки такого типа, свернутые разных направлениях и соединенные между собой по-разному, могут образовывать новые материалы с совершенно неожиданными свойствами. Химики и физики давно знакомы с тем, что направление «закрутки» структуры может существенно менять физико-химические свойства вещества, и обозначают этот параметр термином «хиральность». Структуры из углеродных нанотрубок, в зависимости от хиральности, неожиданно могут оказываться металлами, полупроводниками или изоляторами, что, естественно, вызывает огромный интерес у материаловедов и технологов. Особое значение это открытие имеет для специалистов по полупроводниковой технике, поскольку позволяет им обобщить теоретические представления о всех материалах, используемых в информационных технологиях, поскольку устройства связи, проводники, диэлектрики оказываются разновидностями одних и тех веществ в разных структурных состояниях. На рис. 15.6, б дана схема и характеристики полевого транзистора, созданного специалистами фирмы IBM на основе углеродных нанотрубок и пригодного для использования в простейших логических и вычислительных устройствах. Стоит добавить, что проводимость таких нанотрубок очень сильно меняется при любых процессах присоединения атомов и молекул к стенкам или концам структуры, что делает подобные устройства почти идеальными датчиками для регистрации химических соединений, биологических агентов и т. п. Естественно, эта особенность НПН и трубок привлекла внимание разработчиков и производителей разнообразных химических и биологических датчиков. Для технологов основные проблемы заключаются в изучении процессов роста структур, особенно связанных с обеспечением заданной хиральности и направленности углеродных трубок, а также методов соединения трубок с материалом подложки и других побочных методик, необходимых для организации промышленного производства.