Нанотехнологии. Наука, инновации и возможности - Линн Фостер

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.

Рис. 15.5. Полученная на сканирующем электронном микроскопе микрофотография структуры из кремниевых ПНП, выращенной эпитаксией в сложной системе газ/жидкость/твердое тело. По данным работы T. Picraux et al.

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.

Рис. 15.6. а – Различные образования из атомов углерода: алмаз, графит, фуллерен С60 и углеродные нанотрубки (по данным сайта Ричарда Смолли http://smalley.rice.edu/smalley.cmf). б – Инвертор на основе углеродных нанотрубок, образованный полевыми транзисторами с n– и p-каналами (данные фирмы IBM, воспроизводится с разрешения)

Представляется очевидным, что на этом пути миниатюризации мы быстро приходим к электронным устройствам, сформированным внутри отдельных молекул, вследствие чего это направление давно получило у физиков название молекулярной электроники или просто мольтроники (moltronics). Типичным примером устройств такого типа может служить показанный на рис. 15.7 наномасштабный электрический контакт в виде органической молекулярной цепочки и соответствующей ему схемы. Необычные функциональные свойства таких молекулярных контактов обеспечиваются боковыми химическими группами или молекулами. Например, показанная в правой части рисунка молекулярная цепочка (изученная Марком Ридом из Йельского университета и Джеймсом Туром из университета Райса) характеризуется так называемой «отрицательной дифференциальной проводимостью» вольт-амперной характеристики, то есть величина протекающего через нее тока уменьшается с ростом прилагаемого к контактам напряжения! С точки зрения электротехники мы имеем дело просто с «отрицательным» сопротивлением, что может быть использовано для создания новых электрических схем и устройств разного назначения (новые типы усилителей сигнала, создание бистабильных систем и т. п.). Другим перспективным направлением развития молекулярной электроники стали логические устройства нового типа и т. п.

Рис. 15.7. Молекулярное устройство в виде сложной органической цепочки, помещенной между электродами из золота

Очень интересной особенностью молекулярных систем является их способность к дальнейшей самоорганизации, приводящей к созданию сложных функциональных структур и устройств. Именно такая самоорганизация по заданным «шаблонам» обеспечивает построение сложнейших биологических структур в живых организмах и множество природных явлений, которые биологи объединяют термином саморепликация. Известно, что стоимость технологических линий для производства полупроводниковых устройств непрерывно растет по экспоненте и уже достигает миллиардов долларов (что, кстати, можно считать еще одним проявлением действия закона Мура!). Удорожание производства по принципу «сверху вниз» заставляет многих исследователей все чаще рассматривать методы самосборки «снизу вверх» в качестве возможной альтернативы. Такие методы обычно называют биомиметическими, чтобы подчеркнуть их сходство с биологическими процессами, но, к большому сожалению технологов и инвесторов, в настоящее время ученые не могут пока теоретически описывать и практически воспроизводить процессы самосборки в больших масштабах.

Еще одна очень сложная проблема в понимании и использовании молекулярных электронных устройств состоит в том, что в их поведении необходимо тщательно изучить связь их собственного поведения с состоянием электрических контактов. В традиционных устройствах такая проблема практически не возникает, поскольку контакты считаются почти идеальными, а их роль заключается лишь в соединении устройств с внешним миром, источниками тока и т. п. Работая с молекулярными устройствами, исследователи должны постоянно учитывать зависимость их характеристик от флуктуаций сопротивления и паразитических токов в самих контактах. С точки зрения теории систем, ситуация объясняется очень просто и сводится к тому, что при экспоненциальном росте плотности монтажа число соединений между устройствами возрастает в совершенно немыслимых пропорциях, в результате чего надежность системы в целом начинает определяться не надежностью самих элементов системы, а совокупностью их соединений. В наноустройствах роль соединений становится настолько доминирующей, что мы должны как минимум рассматривать контакты в качестве важной составляющей части всей системы (разумеется, такая точка зрения является совершенно непривычной и чуждой любому радиотехнику и производственнику). Физический смысл проблемы прекрасно иллюстрирует показанная на рис. 15.7 схема молекулярного переключателя, в которой размеры и свойства контакта определяют, собственно говоря, основные параметры устройства в целом, то есть контакт, в некотором смысле, и представляет собой устройство. Для развития молекулярной электроники это обстоятельство может сыграть решающую роль, как в теоретическом, так и в практическом отношении.