СУПРАМОЛЕКУЛЯРНЫЕ КОМПЛЕКСЫ УГЛЕРОДНЫХ КВАНТОВЫХ НИТЕЙ В НАНОЭЛЕКТРОНИКЕ

Фаустов Артем Владимирович

Аспирант, МГТУ МИРЭА, г. Москва

Е-mail: artefausto@yandex.ru

Последние 40 лет характеризуются небывалым прогрессом в миниатюризации приборов полупроводниковой микроэлектроники. Однако существуют технические и физические пределы дальнейшей микроминиатюризации полупроводниковых приборов. В связи с этим представляются чрезвычайно актуальными исследования, направленные на поиск и создание альтернативных материалов и устройств с размерами 1—10 нм, которые способны обеспечить дальнейший рост производительности интегральных микросхем как за счет собственных нетривиальных электрофизических свойств, так и за счет возможности изготовления на их основе приборов, работающих на принципиально новых физических эффектах. Одним из таких материалов является супрамолекулярный комплекс углеродных квантовых нитей или ДУ ЛЦУ (двумерноупорядоченный линейно-цепочечный углерод).

Супрамолекулярные комплексы углеродных квантовых нитей представляют собой пленочную многослойную структуру со случайными смещениями между группами слоев, состоящих из плотноупакованных цепочек углерода. Углеродные цепочки собраны в гексагональную структуру с постоянной решетки a=4,9-5 Å и ориентированы нормально к поверхности подложки и поверхности пленки (рис. 1). Цепочки объединяются между собой слабой связью Ван-дер-Ваальса; атомы углерода вдоль цепочки и с подложкой объединяются сильной sp¹-связью, что обуславливает максимальную прочность цепочек на разрыв [1, с. 60].

Значение постоянной решетки определяется чистотой углеродной матрицы и влиянием на нее подложки. Имеется в виду влияние возможных примесных атомов и сохранность сплошности пленки при ее растягивании в направлении поперек цепочек. Длина sp¹ -связи равна 1,3 Å.

Рисунок1. Модель атомной структуры пленки ДУ ЛЦУ (черными кружочками обозначены атомы углерода).

ДУ ЛЦУ имеет упорядоченную атомную структуру, что позволяет выращивать пленки на подложках в виде монокристаллов при низкотемпературных технологиях (0—150⁰С), и имеет атомно-гладкую поверхность.

В некотором отношении пленки ДУ ЛЦУ напоминают пленки из углеродных нанотрубок, если они ориентированы нормально к подложке, и если диаметр нанотрубки считать равным диаметру атома углерода.

Ширина запрещенной зоны ДУ ЛЦУ E_g=1-2эВ. Отношение вертикального удельного сопротивления к горизонтальному равно 2*10⁵, т. е. пленки ДУ ЛЦУ являются превосходными анизотропными проводниками [2, с. 22]. Проводимость пленок ДУ ЛЦУ вдоль цепочек углерода практически не зависит от температуры или зависит очень слабо. Такое поведение проводимости объясняется баллистическим режимом движения электронов вдоль цепочки, которые не взаимодействуют с фононами, что приводит к отсутствию температурной зависимости электропроводности. Действительно, как показывают теоретические расчеты, в этом случае проводимость углеродной цепочки будет равна [2, с. 22]:

 ,

где h — постоянная Планка, e — заряд электрона. Это свойство предположительно позволит создать новый вид электроники, — баллистическую электронику —используя структуру ДУ ЛЦУ как физический вакуум.

Отсутствие температурной зависимости свидетельствует о том, что движение электронов в зоне проводимости углеродных цепочек происходит без рассеяния (квантовое туннелирование). Этот эффект подтверждается и эффектом туннельной прозрачности чистой пленки ДУ ЛЦУ, обнаруженной при ее исследовании на туннельном микроскопе [3, с. 32]. Электропроводность в направлении поперек цепочек зависит от температуры и толщины пленок.

Пленки ДУ ЛЦУ можно легировать или интеркалировать, при этом появляется одномерная полупроводниковая или металлическая зависимость проводимости от температуры. Донорами могут быть группы N, NH₂, OH, CH₃, металлы. Акцепторами — группы NO₂, CH, S. При прогреве модифицированного ДУ ЛЦУ до 140-150ºС материал снова превращается в квантовый проводник. Использование легированных пленок ДУ ЛЦУ позволяет создать обычную микроэлектронику с заменой кремния на углерод.

На основе цепочек ЛЦУ (пленки ДУ ЛЦУ) и алифатических — (СН₂) — групп (не имеющих π-электронов), или на потенциальных барьерах, локализующих π-электроны (ta-C, SiO₂ и др.) можно создавать активные элементы наноэлектроники — диоды и транзисторы, что и было подтверждено экспериментально [2, с. 25—27].

Если рассматривать пленки ДУ ЛЦУ как системы квантовых нитей, то можно надеяться на создание новой твердотельной электроники-электроники одномерных систем. Системотехника такой электроники будет являться простым продолжением современных достижений микросхемотехники на кремнии, только здесь не будет физического предела миниатюризации активных элементов интегральных схем. Базовым элементом такой электроники может стать углеродная квантовая нить.

Актуальные проблемы наноэлектроники как электроники одномерных систем связаны с выяснением физических основ функционирования базовых элементов таких систем, как проводники, выпрямители, транзисторы и т. д., управлением их свойствами. Важна роль контактов к таким системам, способов их получения и выбор материалов для них.

Существует возможность создания гетероструктур на основе ЛЦУ, причем ширина запрещенной зоны зависит от толщины пленки.

В статье [2, с. 24—5] описывается результат создания гетероперехода Al/sp¹C/p-Si. Для изготовления этого гетероперехода использовалась пластина кремния p-типа. Омические контакты получались напылением пленки Al. В отсутствие углеродной пленки вольт-амперная характеристика является линейной. При наличии углеродной пленки вольт-амперная характеристика нелинейная и хорошо аппроксимируется уравнением Шоттки в прямом направлении. В отсутствие углеродной пленки уровень Ферми лежит вблизи края валентной зоны кремния р-типа, что обеспечивает омический контакт. При наличии углеродной пленки формируется барьер Шоттки с высотой, зависящей от приложенного напряжения и толщины углеродной пленки. Это приводит к наблюдаемой вольт-амперной характеристике, подобной характеристике диода Шоттки. В обратном направлении туннелирование через углеродную пленку в зону проводимости кремния наблюдается при достаточно высоких электрических полях, когда уровень Ферми алюминия сдвигается выше.

Список литературы:

1.Бабаев В.Г., Гусева М.Б., Новиков Д.Н., Новиков Н.Д., Хвостов В.В. Структура сверхтонких пленок линейно-цепочечного углерода. // Вестник Московского Университета. -— Серия 3. Физика. Астрономия. 2002, № 2. С. 57—60.

2.Бабаев В.Г., Гусева М.Б., Новиков Н.Д., Савченко Н.Ф., Флад П., Хвостов В.В. Высокоориентированные пленки sp-углерода. // Поверхность. — 2004, № 3. С. 16—27.

3.Бабаев В.Г., Гусева М.Б., Хвостов В.В., Савченко Н.Ф., Новиков Н.Д., Александров А.Ф. Синтез новых наноформ углерода. // Нанотехнологии: разработка, применение. — 2010, № 1. С. 29—36.