Физико-технологические основы создания функциональных элементов наноэлектроники на основе квазиодномерных проводников (31.05.2010)

Автор: Бобринецкий Иван Иванович

Целью диссертационной работы являлась разработка физико-технологического базиса создания планарных квазиодномерных структур наноэлектроники и способов формирования функциональных устройств на их основе с использованием групповых методов традиционной микроэлектроники.

Для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:

выполнить анализ и дать классификацию основных типов квазиодномерных проводниковых элементов с точки зрения их функциональных характеристик и электрофизических свойств;

предложить и разработать физико-технические основы зондовой технологии формирования планарных квазиодномерных проводников и наноконтактов в тонких металлических и углеродных плёнках;

исследовать свойства созданных планарных квазиодномерных проводников и наноконтактов в тонких металлических и углеродных плёнках; исследовать особенности транспорта носителей заряда в квазиодномерных проводниках, созданных при локальном анодном окислении тонких проводящих плёнок;

предложить и разработать технологические основы интеграции углеродных нанотрубок в компоненты схем планарной электроники; разработать и усовершенствовать зондовые методы исследования низкоразмерных структур в составе интегральных элементов;

разработать конструктивные основы создания изделий наноэлектроники на основе углеродных нанотрубок и их объединений: пучков, сеток, плёнок; исследовать теоретически и экспериментально функциональные свойства созданных планарных наноэлементов;

реализовать на практике разработанные подходы при создании групповыми методами микроэлектроники интегральных сенсорных устройств на основе углеродных нанотрубок; выполнить экспериментальное исследование их функциональных характеристик.

Объект и методы исследования

Объектами исследований являлись структуры в виде варисторов, транзисторов и сенсоров на основе квазиодномерных проводников: металлических наноконтактов и углеродных нанотрубок, а также технологические основы их создания.

Основными методами исследования являются: теоретические модели, оценки и расчеты на основе имеющихся справочных данных, разработка экспериментальных образцов, устройств и приборов, проведение экспериментальных исследований. Электрофизические свойства варисторов и транзисторных структур на основе квазиодномерных проводников были изучены методами атомно-силовой и сканирующей туннельной микроскопии (Solver-P47 и NanoEducator, NT-MDT, Россия), методами измерения и анализа статических и динамических электрических характеристик двух- и трёхполюсников (LCAD, Россия; АКТАКОМ, Россия; ИППП-1/5, ОАО «МНИПИ», Республика Беларусь).

Влияние радиационных воздействий на созданные структуры было изучено с помощью оригинального имитационного стенда на основе рентгеновского излучателя РЕИС-И (АОЗТ «Светлана-Рентген», Россия). Газочувствительные свойства структур на основе углеродных нанотрубок были изучены с помощью оригинальных экспериментальных установок и шестнадцатиканального измерителя параметров газовых сенсоров (ОАО «Практик-НЦ», Россия).

Моделирование электростатических взаимодействий зонда атомно-силового микроскопа с поверхностью образца проводилось с использованием метода конечных элементов (ELCUT, ПК «ТОР», Россия).

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в создании комплекса физико-технологических процедур формирования планарных структур наноэлектроники на основе квазиодномерных проводников различного состава (металлические, углеродные) и геометрии (наносужения, наноконтакты, нанотрубки), демонстрирующих общие механизмы в поведении электрических характеристик.

Предложена и разработана методика формирования планарных квазиодномерных проводников в ультратонких металлических и углеродных плёнках с использованием локального анодного окисления и окисления, индуцированного током. Продемонстрировано влияние напряжения, тока, относительной влажности и подложки на процесс формирования нанопроводников.

Экспериментально подтверждён островковый механизм проводимости в квазиодномерных металлических проводниках, основанный на переброске электронов через отдельные участки наносужения.

Проведено теоретическое и экспериментальное доказательство полевого эффекта в квазиодномерных металлических и углеродных проводниках в стандартных условиях, заключающееся в изменении величины туннельного барьера под действием поперечного электрического поля.

Предложен электрокинетический метод параллельной интеграции нанотрубок в виде одиночных проводников и сеток с использованием различной конфигурации планарных электродов, созданных групповыми методами микроэлектроники, заключающийся в ориентации и движении нанотрубок вдоль градиента линий электрического поля, а также перераспределении потенциала при формировании проводящего канала между электродами.

Предложен комплекс методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования углеродных нанотрубок в составе функциональных элементов наноэлектроники, позволяющий проводить неразрушающее топографирование и определение электрических свойств структур.

Установлена зависимость величины потенциального барьера, возникающего в контакте между нанотрубкой и электродом от типа нанотрубок, их количества, внешнего электрического поля и температуры.

Предложены конструкции, разработаны технологические процедуры создания сенсорных структур на основе одиночных углеродных нанотрубок, их пучков, сеток и плёнок. Продемонстрировано различие в газочувствительных свойствах сенсорных структур на основе нанотрубок в присутствии газов акцепторного и донорного типа.

Выявлен селективный отклик в проводимости к парам органических соединений (спиртов) толстоплёночных структур на основе углеродных нанотрубок.

Практическая значимость работы определяется следующими основными результатами:

разработанный научный подход на основе физико-технологического базиса позволяет перейти к формированию новых интегральных структур наноэлектроники на основе квазиодномерных проводников с использованием групповых методов микроэлектронной технологии;

выявленные закономерности проводимости планарных структур на основе материала углеродных нанотрубок могут быть использованы при дальнейшем развитии теории электронного транспорта в приборах на основе углеродных нанотрубок.

Внедрены следующие результаты:

Разработанные методы формирования тестовых структур на основе однослойных углеродных нанотрубок, а также методики исследования низкоразмерных структур, позволяющие повысить достоверность изображений низкоразмерных объектов, получаемых в зондовой микроскопии (ЗАО «Нанотехнологии-МДТ», ФГУП «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева», ООО «Холдинг «Золотая формула»»).

Разработанный физико-технологический базис формирования планарных элементов наноэлектроники на основе низкоразмерных проводящих структур использовался при проведении ряда научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, проводимых в МИЭТ, ООО «Наносенсор», а также при подготовке кандидатских диссертаций: «Формирование и электрические свойства планарных элементов на основе металлических и углеродных плёнок наноразмерных толщин» (Булатов А.Н., МИЭТ, 2005 г.), «Атомная структура поверхности и сенсорные свойства углеродных нанотрубок» (Строганов А.А., МИЭТ, 2007 г.), «Молекулярные проводники в матрице эпоксидиановой смолы: формирование, исследование, приложения» (Хартов С.В., МИЭТ, 2008 г.). Практическая значимость данных работ подтверждена соответствующими актами внедрения.

Результаты диссертационной работы внедрены в учебный процесс в Московском государственном институте электронной техники (техническом университете). Разработанные автором технологические основы формирования планарных элементов наноэлектроники, а также методики исследования низкоразмерных структур использованы при разработке и модернизации лекционных курсов и лабораторных работ по учебным дисциплинам: «Основы зондовой микроскопии», «Основы зондовой нанотехнологии», «Вопросы современной физики».

Методы, разработанные и исследованные при выполнении работы, соответствуют «Перечню критических технологий РФ» №7 «Нанотехнологии и наноматериалы», №11 «Технологии механотроники и создания микросистемной техники», №12 «Технология мониторинга и прогнозирования состояния атмосферы и гидросферы», №30 «Технологии создания электронной компонентной базы».

Основные научные положения, выносимые на защиту:

Комплекс технологических процедур на основе локального окисления ультратонких металлических плёнок, позволяющий формировать наноразмерный рельеф и низкоразмерные функциональные проводящие структуры. Основу комплекса составляют:

- физический эффект локального окисления и/или разогрева проводящего квазиодномерного проводника протекающим током;

- возможность селективного удаления продуктов реакции при окислении ультратонких углеродных плёнок.

Метод формирования в ультратонких металлических и углеродных плёнках квазиодномерных проводников, обладающих островковым механизмом проводимости. Проведено экспериментальное доказательство переброски электронов через отдельные участки наносужения посредством автоэлектронной эмиссии и продемонстрировано, что ток может быть определён согласно закону Фаулера – Нордгейма. При этом полевое управление проводимостью в канале квазиодномерного проводника определяется изменением величины туннельного барьера между островками.

Результаты комплексного исследования методами сканирующей зондовой микроскопии функциональных характеристик углеродных нанотрубок в составе элементов наноэлектроники, в том числе:

- неразрушающая визуализация нанотрубок в составе функциональных структур при наведении в нанотрубках электрического потенциала в двухпроходном режиме работы атомно-силового микроскопа;

- измерение угла хиральности и определение типа проводимости как отдельных углеродных нанотрубок, так и нанотрубок, находящихся в пучках, с использованием методов сканирующей туннельной микроскопии в стандартных условиях, позволяющие определить электрические свойства нанотрубок в составе функциональных элементов.

Групповые методы формирования планарных интегральных структур на основе углеродных нанотрубок и их композиций, определяющие технологические процедуры создания функциональных структур на основе квазиодномерных проводников и позволяющие исследовать функциональные характеристики элементов наноэлектроники на основе нанотрубок (транзисторов, логических вентилей).


загрузка...