Глава 1-d нанообъекты.
Каждый из названных нанообъектов находит свое применение в различных отраслях техники. Например, нанопроволоки предлагают использовать как проводники в субмикронных и наноэлектронных узлах. Нановолокна применяются как элемент наноструктурированных нанокомпозиционных п/п. Органические макромолекулы также находят применение в создании наноструктурированных материалов.
В медицине, в химической промышленности.
Для электроники очень существенное значение приобрели такие 1-D нанообъекты, как нанотрубки. По большому счету все нанотрубки подразделяя.тся на 2 больших класса:
1) Углеродные нанотрубки (УНТ).
2) Неуглеродные нанотрубки.
Кроме этого все нанотрубки различаются по количеству слоев: однослойные, двуслойные, многослойные.
Неуглеродные нанотрубки
Все не-УНТ делят на две системы:
1) Переходные наноструктуры, в состав которых входит углерод
2) Дихалькогенидные нанотрубки. В настоящее время из дихалькогенидных трубок известны MoS2,WS2,WSe2,MoTe2 и т.д. Такие нанотрубки представляют собой сверхтонкие, в идеале – моноатомные слои, материалы, свернутые в рулон.
Некоторые слоистые материалы, в силу асимметричности химических связей, достаточно свободно сворачиваются в такие рулоны самостоятельно, причем единственная проблема при формировании таких структур – это получить свободный, ни с чем не связанный слой вещества атомарной величины. Другие материалы не склонны к самопроизвольному сворачиванию и поэтому в настоящее время разрабатываются технологические приемы, позволяющие формировать нанотрубки принудительно. Существует 3 варианта таких процессов:
1) Гетероэпитаксиальное наращивание тонких слоев материала, из которого мы хотим сформировать нанотрубку, на основании уже имеющейся нанотрубки. Пример GaN→ZnO
Главный недостаток этого способа заключается в том, что трудно подобрать пару материалов для гетероэпитаксиального наращивания
2) Одностенные нанотрубки, полученные путем последовательного уменьшения электронным лучом исходного нанопровода. Пример: Золотые и платиновые нанотрубки. D Pt нанотрубки – 0,48 нм.
3) Основан на выращивании тонкой, напряженной гетероэпитаксиальной структуры, толщиной в несколько монослоев, на плоской подложке, с последующим освобождением этой гетероструктуры от связи с подложкой и сворачиванием в трубку, свиток. 1ML – один монослой.
Процесс сворачивания идет за счет действия межатомных сил в напряженной гетероплёнке.
На In методом гетероэпитаксии выращивается хорошо согласующийся с ним AlAs, затем на эту структуру, методом ГЭ, наращивается слой AsIn. Он имеет параметры кристаллической решетки большие, чем у AlAs и поэтому, когда этот слой наращивается он как бы сжимается. Затем на этот слой опять же методом ГЭ наращивается слой GaAs. Но, в отличие от AsIn, этот слой имеет меньший параметр кристаллической решетки (меньший размер элементарной ячейки) и его, наоборот, растягивает. В результате, когда мы начинаем вытравливать слой AsAl, то освободившаяся структура InAs c AsGa начинает сворачиваться в трубку за счет сил, которые InAs – расширяют, а слой GaAs – стягивают.
Достоинства метода:
1) Диаметр трубок широко варьируется и может быть легко задан набором соответствующих материалов для гетероструктуры.
2) Способ позволяет использовать практически любые материалы (п/п, Ме, диэлектирики) и все их сворачивать в нанотрубки.
3) Хорошее качество и относительно большая длина трубок с однородными по толщине стенками.
4) Метод хорошо стыкуется с технологией интегральных микросхем ИМС.
5) Физические свойства таких нанотрубок определяются материалами исходной гетероструктуры.
2-D НАНООБЪЕКТЫ (ТОНКИЕ ПЛЁНКИ)
Используются в технике. Как покрытия. Создание тонкоплёночных покрытий позволяет существенно изменить свойства исходного материала, не затрагивая объем и не увеличивая геометрические размеры. Толщина не более 1 мкм. Наиболее распространенные цели нанесения покрытия:
1) Повышение износостойкости, термо- и коррозионной устойчивости материалов различных деталей.
2) Создание планарных, однослойных. Многослойных и гетероструктур для элементов микро0, наноэлектроники, оптоэлектроники, сенсорики и т.д.
3) Изменение оптических характеристик поверхности (очки-хамелеоны)
4) для создания магнитных сред в элементах записи и хранения информации.
5) Создание оптических средства записи и хранения информации. CD, DVD диски.
6) Создание поглотителей, сепараторов газовых смесей, катализаторов, химически модифицированных мембран и т.д. Существуют два принципиально различающихся подхода к улучшению служебных характеристик поверхности( т.е. к созданию пленок на них):
1) Модификация приповерхностных слоев различного рода обработкой (химическая, термическая, механическая, радиационная или их комбинации).
2) нанесение дополнительных слоев чужеродных атомов.
Все способы нанесения покрытий можно объединить в две группы:
1) Физическое осаждение из паровой фазы. PVD
2) Химичекое осаждение из паровой фазы. CVD
В обоих случаях процесс осуществляют в вакуумной камере, в которой иногда создается небольшое давление технологического газа (относительно химически нейтральные газы – Ar, N2, этилен)
В (PVD) физических методах осаждения из паровой фазы используют, в основном, два способа доставки нового материала к подложке.
1)Распыление за счет термического нагрева (нагрев может осуществляться самыми различными способами: резистивным, электронно-лучевым, индукционным, лазерным и т.д.
2)Распыление за счет кинетической энергии Ek ускоренных ионов нейтральных газов, например, ионы Ar. Положительный ион Ar бомбардирует катод, на катоде мишень распыляемого материала и т.о. происходит физическое распыление данного материала.
Разница – только в способах распыления материала
Физическими методами осаждения из паровой фазы наносятся самые различные покрытия, т.к. эти методы обладают широким диапазоном достоинств:
1) Большое разнообразие материалов. Которые могут быть нанесены таким образом (Ме. Сплавы, полимеры, некоторые химические соединения)
2) Возможность получения качественных покрытий в очень широком диапазоне температур подложки.
3) Высокая чистота этого процесса, что обеспечивает хорошее качество сцепления.
4) Отсутствие существенного изменения размеров деталей.
В методах химического осаждения из паровой фазы твердые продукты (плёнка) на подложке растут в результате химической реакции с участием атомов рабочей атмосферы камеры. В качестве источников энергии для протекания такой реакции используют плазму какого-либо электрического разряда, иногда лазерное излучение. Данный вид технологических процессов более разнообразен, чем предыдущий. Он используется не только для создания покрытий, но для изготовления нанопорошков, которые потом удаляются с поверхности подложки.
Таким способом можно получить химические соединения с углеродом – карбиды, с N – нитриды, оксиды и т.д.
Достоинствами химического осаждения из паровой фазы является:
1) гибкость и большое разнообразие, которое позволяет осаждать покрытя на подложках разной природы и формы (на волокнах, порошках и т.д.)
2) Относительная простота необходимого технологического оборудования. Легкая автоматизируемость.
3) Большой выбор химических реакций и веществ, пригодных к использованию
4) Регулируемость и контролируемость структуры покрытия, его толщины и размера зёрен.
5) зерна – элементы поликристаллической структуры, те кристаллы, составляющие поликристаллы.
Большую роль в производстве тонкоплёночных структур играют эпитаксиальные процессы. Эпитаксия – это технологический процесс ориентированного наращивания слоя материала на поверхность того же самого или другого материала, т.е. подложки, выполняющей функцию создания ориентирующего воздействия. Если материалы подложки и пленки совпадают, то процесс носит название автоэпитаксия, если материалы подложки и пленки – разные, то это гетероэпитаксия. Все эпитаксиальные процессы делятся на два класса:
1) Процессы со средой носителем (жидкофазные и газофазные эпитаксии).
2) Без среды носителя (вакуумные эпитаксии). Молекулярно-пучковая или молекулярно-лучевая эпитаксия.
Жидкофазная эпитаксия. Достоинства недостатки.
Эпитаксия из жидкой фазы в основном применяется для получения многослойных полупроводниковых соединений, таких как GaAs, CdSnP2; также является основным способом получения монокристаллического кремния. Процесс проводят в атмосфере азота и водорода (для восстановления оксидных плёнок на поверхности подложек и расплава) или в вакууме(предварительно восстановив оксидные плёнки). Расплав наносится на поверхность подложки, частично растворяя её и удаляя загрязнения и дефекты.
Газофазная эпитаксия. Достоинства недостатки.
Газофазная эпитаксия — получение эпитаксиальных слоев полупроводников путём осаждения из паро-газовой фазы. Наиболее часто применяется в технологии кремниевых, германиевых и арсенид-галлиевых полупроводниковых приборов и ИС. Процесс проводится при атмосферном или пониженном давлении в специальных реакторах вертикального или горизонтального типа. Реакция идёт на поверхности подложек (полупроводниковых пластин), нагретых до 750 - 1200 °C
Молекулярно-лучевая (пучковая) эпитаксия. Достоинства недостатки.
Молекулярно-пучковая эпитаксия (МПЭ) или молекулярно-лучевая эпитаксия (МЛЭ) — эпитаксиальный рост в условиях сверхвысокого вакуума. Позволяет выращивать гетероструктуры заданной толщины с моноатомно гладкими гетерограницами и с заданным профилем легирования. Для процесса эпитаксии необходимы специальные хорошо очищенные подложки с атомарно-гладкой поверхностью.
Ориентированное наращивание. Невооруженным глазом видно кристаллическое тело – плоская, твердая поверхность.
В микроскоп: атомные и химические связи
Любой атом, находящийся непосредственно на поверхности имеет оборванную, незавершенную химическую связь. И эта связь представляет собой минимум Ep.
Ориентирующее действие атомов подложки на расположение свободного атома, когда он осаждается на поверхность.