Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

Рис. 13.3. Решетка из однослойных углеродных нанотрубок, выращенная методом химического осаждения из газовой фазы с использованием плазмы

Сообщается, что метод PEVCD позволяет значительно понизить рабочую температуру процесса выращивания нанотрубок за счет того, что активные атомы углерода возникают в плазменной струе, а не под воздействием сверхвысокой температуры (как это имеет место при выращивании химическим осаждением из газовой фазы). Наиболее интересным представляется применение однослойных нанотрубок в электронике, но именно там к их чистоте предъявляются самые строгие требования. В настоящее время высокочистые SWTN коммерчески производят лишь немногочисленные компании, поэтому стоимость порошков остается слишком высокой для широкого применения.

Понятно, что при любом коммерческом использовании нанотрубок в электронике основной технической проблемой станет создание схем из трубок на поверхности пластинок разного типа (из кремния, из кремния на изоляторе и т. п.). При этом трубки должны укладываться с учетом специфической ориентации, что представляет собой сложную проблему. В настоящее время существуют два основных подхода к решению этой задачи. Прежде всего, трубки могут выращиваться на подложке с предварительно распределенными специфическими катализаторами, что позволяет создавать структуры типа показанной на рис. 13.4, внутри которых может быть обеспечен рост трубок в вертикальном или горизонтальном направлении (в зависимости от нанесенных на участок специфических катализаторов роста). В других случаях требуемая схема может формироваться из неориентированных трубок за счет использования особенностей растворов и т. д.

Рис. 13.4. Выращивание решетки многослойных углеродных нанотрубок методом химического осаждения из газовой фазы

Выращивание трубок в вертикальном направлении, уже осуществленное рядом исследователей, имеет особую ценность для создания электронных устройств с так называемой автоэлектронной эмиссией. Классические методики осаждения из газовой фазы дают хорошие результаты в лабораторных условиях, но их трудно реализовать в промышленных масштабах, прежде всего, из-за необходимости использовать высокие температуры (более 800 °C для выращивания SWTN). Это ограничение является весьма серьезным, так как высокотемпературная обработка может стать причиной возникновения дефектов в материале подложки, нанести вред контрольной аппаратуре и т. д. Поэтому сейчас ведутся интенсивные поиски возможностей применения упомянутого выше метода PEVCD для выращивания однослойных углеродных нанотрубок. Многие методики вертикального выращивания наноструктур находятся в стадии разработки, но инженеры и технологии возлагают на них большие надежды.

Существует также подход, при котором наноструктуры не выращиваются, а формируются на подложке горизонтально, то есть осаждением слоев заданной толщины за счет регулирования концентрации растворов и условий осаждения. В развитии таких методик также приходится решать трудные задачи, связанные с очисткой растворов нанотрубок, однородностью распределения структур по большой поверхности подложки, необходимостью создавать сложные паттерны из проводящих нанотрубок и т. д. Производственные процессы при таких методиках могут оказаться излишне долгими и трудными.

Многослойные трубки SWTN уже выпускаются коммерчески многими поставщиками, которые производят их модифицированными методиками осаждения из газовой фазы. Для использования в электронике такие трубки должны быть очищены от примесей металлов (например, элементов групп IA и IIA периодической таблицы, используемых в процессе синтеза) и различных углеродистых соединений. Затем трубки подвергаются солюбилизации и наносятся на поверхность подложек для дальнейшей обработки.

13.3.3. Возможности применения

Существует огромное количество предложений по практическому использованию углеродных нанотрубок для самых разных целей, в связи с чем интересно отметить, что самые первые предложения относительно использования многослойных трубок относились к созданию композитных материалов для батарей и излучателей для пульта переключения телевизоров [74] . В настоящее время, по мере снижения стоимости производства исходных материалов, число предлагаемых проектов постоянно возрастает, хотя основное внимание авторов все еще привлекает создание композитных материалов.

Очевидно, что перечисленные выше электромагнитные, механические, химические и оптические особенности углеродных нанотрубок или материалов на их основе (так называемых нанотканей) позволяют считать их потенциально исключительно ценным материалом для создания новых интегральных электронных устройств. Число и разнообразие сфер применения только возрастает по мере накопления новых данных. В качестве примера стоит отметить теоретическую возможность создания на их основе так называемых энергонезависимых запоминающих устройств (речь идет о компьютерах с «мгновенным» запуском). Кроме того, те же характеристики позволяют проектировать множество других имеющих практическую ценность устройств. В настоящее время наибольший интерес вызывают разнообразные датчики (химические, биологические, радиационные), пассивные переключатели с очень низким сопротивлением и емкостью, электромагнитные устройства с автоэлектронной эмиссией. В медицине и биологии предлагаются проекты структур для выращивания биологических клеток, создания антиоксидантов, мишеней для получения изображений (тканей или отдельных клеток) в ближней инфракрасной области спектра и т. п. Список возможного применения очень велик и постоянно растет, поэтому в таблице 13.1 предлагается общая схема систематизации областей применения материалов (тканей) на основе однослойных углеродных трубок в основных направлениях развития нанотехнологий [75] .

Табл. 13.1. Примеры возможного применения материалов на основе однослойных углеродных нанотрубок и нанотканей

Одна из наиболее интересных и перспективных возможностей широкого применения однослойных нанотрубок связана с созданием упоминавшихся выше энергонезависимых запоминающих устройств, то есть компьютеров с «мгновенным запуском» [76] . В этом направлении достигнут значительный прогресс в использовании поверхностных структур (сборок) из однослойных трубок, дополняющих интегральные схемы [77] , способных сохранять свои молекулярные характеристики без внешнего физического контроля на атомарном уровне (в данном случае без подачи напряжения). Для организации возможного промышленного производства очень важно, что такие мономолекулярные и атомарные поверхностные структуры могут быть созданы в результате достаточно простых операций. Сначала на поверхность кристалла при комнатной температуре наносится слой специального раствора, содержащего SWNT и полупроводниковые компоненты. После испарения растворителя на поверхности остается мономолекулярная пленка, на которую может быть литографически нанесена требуемая схема (паттерн). На последней стадии процесса пластина подвергается обычному травлению в кислородной плазме. Особенно важно, что метод позволяет наносить слой наноматериала на поверхности с наклонными участками, резкими перепадами, острыми краями структур и т. п. Возможность покрывать сложные поверхности «нанотканью», а затем обрабатывать ее хорошо отлаженными традиционными технологическими операциями позволяет исследователям мечтать о замене существующих «горизонтальных» интегральных схем на трехмерные, или «вертикальные». Не стоит и говорить, что переход к объемному дизайну интегральных схем и устройств будет означать революционные изменения для электроники.

Комбинируя сложные паттерны (образно говоря, выкройки из ткани, образованной нанотрубками) со специально спроектированными углублениями на плоскости вокруг ткани, можно создать объемные структуры, или пустоты. Электронную «выкройку» схемы в пространстве можно «подвесить», закрепив ее в местах контакта с электродами. Такие устройства, называемые молекулярными микропереключателями (molecular microswitcher, MMS), уже существуют, и сейчас разработчики стараются создать на их основе запоминающие или логические устройства.

Используемые в описанном подходе схемы (то есть специальным образом обработанные участки наноткани из SWNT толщиной 1–2 нм) в дальнейшем могут быть объединены в единое целое со стандартными полупроводниковыми устройствами (например, с известными комплементарными МОП-структурами). Присоединяя новые схемы не в плоскости, а в пространстве (снизу или сверху), можно управлять работой молекулярных микропереключателей. Использование такой техники позволяет создавать смешанные интегральные схемы (наносхемы + КМОП-структуры) практически любого размера. Размеры нанообъектов или участков единой схемы настолько малы, что единственным фактором, ограничивающим уменьшение размеров новых устройств, остаются границы возможностей существующей литографической техники. Исходя из описанного подхода, можно даже сказать, что существует лишь абстрактный физический предел интеграции электронных схем, определяемый размерами элементарного устройства из двух металлических нанотрубок, связанных собственным электромеханическим взаимодействием.