Lek_4_Osn_nanoelektroniki_Kl

Массивы нановискеров (вискеры) (от английского whisker – «ус») – это нитевидные кристаллы c диаметром от 1 до 100 нм и отношением длины к диаметру >100. С точки зрения как фундаментальной науки, так и практики, вискеры являются одним из наиболее перспективных кристаллических материалов с уникальным комплексом свойств. Они, как правило, имеют совершенное, почти идеальное бесдислокационное строение, что исключает обычные механизмы пластической деформации и приближает их прочность к теоретическому для данного вещества порогу. Вискеры в десятки и даже сотни раз прочнее обычных кристаллов, они обладают поразительной гибкостью, коррозионной стойкостью и кристаллографической анизотропией свойств. Получение «усов» сверхчистых металлов и алмаза, нитевидных кристаллов кремния или сверхпроводящих вискеров Bi₂Sr₂CaCu₂O₈ стало классикой современной химии функциональных наноматериалов. Представляя собой одномерную кристаллическую систему, вискеры могут найти широкий диапазон применений – от упрочняющих волокон до устройств наноэлектроники. Несмотря на то, что нитевидные кристаллы известны более полувека, вискеры технически используются достаточно однобоко – в основном, как армирующие волокна. Подавляющее большинство из них применяется исключительно для создания конструкционных композитных материалов с улучшенными механическими свойствами (углеродные волокна, SiC, Al₂O₃), при этом объемы производства достигают значительных величин. В последнее время развивается направление, связанное с практическим использованием классических кремниевых вискеров в качестве острий для атомно-силовой микроскопии (АСМ), магнито-силовой микроскопии и АСМ для биологических применений. В качестве основного механизма образования вискеров долгое время рассматривался механизм «пар—жидкость—кристалл». Для его реализации необходимо, чтобы скорости зародышеобразования и эпитаксиального роста конденсата на неактивированной поверхности подложки были достаточно невелики, а адсорбция компонентов вискера из газовой фазы происходила преимущественно в капле жидкости на конце растущего кристалла. Пересыщение жидкой фазы по отношению к компонентам вискера приводит к их кристаллизации на границе раздела твердой и жидкой фаз и однонаправленному росту кристаллов, диаметр которых обычно соответствует размеру капли-затравки на поверхности подложки. При определенных условиях могут формироваться и более сложные формы, чем одиночная нить. В качестве материала затравки для роста вискеров кремния обычно используются частицы золота, взаимодействующего с кремнием при высоких температурах. Данный механизм хорошо описывает рост вискеров методом газофазной эпитаксии в присутствии катализаторов. Разработан также ряд методов получения вискеров с использованием методов молекулярно-лучевой эпитаксии и электронно-лучевого испарения. При этом образование нитевидных кристаллов конденсируемой фазы часто наблюдалось и на необработанной подложке без участия катализатора. Управление параметрами синтеза позволяет при этом получать полупроводниковые вискеры кремния и GaAs существенно меньшего диаметра, чем в обычных условиях, вплоть до наноразмерных.

Рис.30. Вискеры SnO₂

Одним из интересных для нанотехнологии материалов является оксид цинка ZnO, который имеет три направления роста – [0001], [010], [20]. Вдоль этих направлений может быть выращен целый набор наноструктур. Схематическое изображение одномерных (1D) наноструктур показано на рисунке 31. Наностержни подобны нановискерам, но имеют меньшую длину (рис. 32). Нанотрубки имеют отверстие внутри. Наноленты имеют четко обозначенные грани. Интерес к нановискерам из оксида цинка и других материалов обусловлен рядом их оптических, электрических, пьезоэлектрических свойств, а также возможностью их использования в лазерах, солнечных элементах и электролюминесцентных приборах.

Рис. 31. а) – модель полярных нанолент с верхней и нижней поверхностями, образованными плоскостями ± (0001), соответственно; б) нанокольца;

в) наноспирали; г) наноструктура в виде винтовой поверхности.

Рис.32. 1D наноструктуры a) нанопроволока, b) наностержень, c) нанотрубка,

d) нанолента

Рис.33. Наноструктурные массивы цинк оксида: а) нанощетки (tip nanowire array);

b) М-нанопроволоки (M-nanowire)

Рис. 34. FESEM снимки вида сверху и поперечного сечения нанопроволок ZnO, выращенных в различных режимах парофазнонго химического осаждения.

Рис. 35. Полученные методом растровой электронной микроскопии (SEM) снимки (a) нанопроволок ITO, (b) нанотрубок TiO2 диаметром 100 нм Возможно выращивание и более сложных видов наноструктур (Рис. 36 с, d)
Рис. 36. Растровые электронные снимки (SEM) нанопроволок ZnO с гладкой поверхностью (a, b) и с вторичными нанопроволоками (иерархические структуры) (c, d). Вставка (d) показывает образец просвечивающей электронной дифракции, полученный для нанопроволоки с большим количеством вторичных нанопроволок, исходящих с их поверхности. Размерность репера составляет 5 мкм для (a) и (c) и 200 нм для (b) и (d)
Среди многих классификаций наноструктур можно отметить, например, представленную на Рис. 37.
Рис. 37. Схематическая классификация квазиодномерных металлооксидных наноструктур: (A) нанопроволоки и наностержни (нанороды); (B) структуры ядро-оболочка (core-shell) с внутренним ядром из металла, полупроводника или оксида металла; (C) нанотрубки (nanotubules/nanopipes) или полые наностержни; (D) гетероструктуры; (E) наноленты (nanobelts/nanoribbons); (F) наноленты (nanotapes), G-дендриты, H-иерархические (разделенные на уровни с подчинением младших старшим) наноструктуры; (I) сборка (assembly) наносфер; (J) нанопружины (nanosprings) Отдельные нанокристаллы могут обладать уникальными строением и свойствами.
Рис. 38. Четвероногий нанокристалл (нанотетрапод) оксида цинка. Американским ученым удалось создать золотую нанозвезду с максимальным размером 100 нм (от края одной ноги до края противоположной ноги) (Рис. 39). Эта звезда имеет сердцевину из оксида железа и поэтому может вращаться во вращающемся магнитном поле. Помимо этого, нанозвезда может рассеивать свет, производя эффект пульсации или мерцания. Предполагается использование таких нанозвезд в медицине, в частности, в онкологической диагностике.
а) б)
Рис. 39. Мерцающая золотая нанозвезда с сердцевиной из оксида железа, чувствительная к магнитному полю, (а) и примеры выращенных нанокристаллов различных веществ (б)

Органічні матеріали наноелектроніки

(НАНОМАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИХ ИССЛЕДОВАНИЯ, с. 311-348)

.