Физические основы нанотехнологий, получение наноматериалов

Нано-электроника появилась в процессе естественной микроми­ниатюризации элементной базы современных электрических устройств и систем, где каждый шаг дается с огромным трудом и нередко диктует необхо­димость вербования новых (время от времени принципи­ально) физических путей и способов. В нано-электронике за ее масштаб принято значение в 100 нм. Это определение планарного элемента наноэлектроники можно обобщить, считая нано-объектом (наноструктурой) все, что имеет харак­терный размер Физическая электроника в самом общем смысле этого слова представляет собой раздел физики, который занимается исследованием явлений, связанных с движением заряженных частиц и, сначала, электронов (отсюда и само на­звание «электроника») в разных вещественных средах, включая физический вакуум.

Это, сначала, вакуумная электроника, изучающая процес­сы, которые происходят при движении заряжен­ных частиц в вакууме и в базе которых лежат законы этого движения.

Сюда относятся вся элек­тронная оптика, электрическая и ионная микроско­пия, также физика явлений, происходящих в разных радиотехнических устройствах типа электрических ламп и устройств, применяющихся для генерации либо усиления электрического излучения, в том числе и СВЧ-диапазона. По­следнее направление в текущее время оформи­лось в самостоятельное — радиофизику СВЧ (либо микроволн).

Во-2-х, это явления испускания электронов и атомарных частиц, в большинстве случаев ио­нов, разными средами, в главном жесткими телами и плазмой, которые составляют широкий раздел физической электроники, именуемый эмиссионной электроникой.

С возникновением полу­проводников активно начала развиваться по­лупроводниковая электроника и на ее базе — электроника твердого тела. В предстоящем полу­проводниковая электроника также стала разви­ваться без помощи других и является в текущее время междисциплинарным разделом физики. К области же фактически физической электроники продолжают относиться такие разделы твердо­тельной электроники, как физика поверхности,тонких пленок и пленочных структур~ элемент­ной базы современной микроэлектроники.

Исторически одним из главных разделов физической электроники являлась так именуемая газовая электроника, изучавшая процессы в раз­личных газоразрядных радиотехнических устрой­ствах, таких как тиратроны, разрядники, стабили­троны и т.п. На базе исследования физики газового разряда оформился и в предстоящем получил са­мостоятельное развитие таковой большой раздел физики, как физика плазмы. Все же, наука о плазменных средах является важной состав­ной частью физической электроники, так как она изучает большой круг заморочек, связанных с поведением газа заряженных частиц — электронов, ионов и дырок, атомов и молекул, в том числе, находящихся в возбужденном состоянии, также квантов излучения (э.-м. поля) и нейтральных частиц в самых различных вещественных средах: фактически плазме как газовой среде и газе носителей заряда (электронов и дырок) в жестких те­лах, которые при всем этом принято именовать плазмо-подобными (либо плазменными) средами. С разви­тием лазерной физики из этой науки выделился большой раздел, связанный с исследованием законов поведения газа возбужденных атомов, молекул и квантов излучения, получивший заглавие кванто­вой электроники.

Ваку­ум, газы и конденсированные среды мо­гут контактировать вместе. Для конденси­рованных сред при всем этом вводят понятие границы раздела этих сред либо понятие поверхности. Тра­диционно под поверхностью понималась область резкого, скачкообразного конфигурации параметров ве­щества. Реально поблизости фактически геометриче­ской границы вещественной среды существует некая область конечной толщины, в какой ее характеристики значительно отличаются от параметров вещества в объеме.

Вправду, в объеме лю­бая частичка ведет взаимодействие только с частичками этой среды, а поблизости границы, с одной стороны — с частичками этой же среды, а с другой — с части­цами той среды, с которой она граничит. Если 2-ая среда — вакуум, на границе твердого тела должны существовать разорванные атомарные связи. При всем этом толщина погранично­го слоя определяется тем расстоянием от поверх­ности, начиная с которого частички среды пере­стают «ощущать» воздействие частиц за ее границей. Толщина такового слоя, по последней мере, порядка дебаевского радиуса rD, который для твердого тела имеет порядок величины от 1 до 100 нм. Следует также учитывать, что в этот слой попадают частички среды — соседки за счет взаимодиффузии нейтральных атомов, ионов, элек­тронов либо дырок либо бомбардировки другими частичками (контакт с газом либо вакуумом). При учете всех этих процессов соответствующая толщина такового слоя в направлении нормали к границе может достигать размеров порядка нескольких сотен нанометров.

Итак, поверхность жестких тел — это естественный нанообъект, в каком появляются новые высококачественные характеристики. Эти характеристики можно направленно изменять методом ис­пользования плазменных, лучевых (потоки частиц) и радиационных (поток квантов излучения) нано-технологий направленного конфигурации параметров по­верхности либо, другими словами, модификации параметров поверхности.

Так как в конденсированных средах пове­дение образующих их частиц — атомов, ионов, электронов и дырок — подчиняется законам кван­товой механики, т.е. описывается их волновыми функциями, в их появляются новые характеристики, обусловленные квантоворазмерными эффектами — зависимостью параметров наносистемы от соотно­шения ее соответствующих размеров и соответствующих размеров области корреляции разных физиче­ских взаимодействий и явлений, происходящих в системе частиц. В связи с этим поверхность можно считать, пожалуй, самой всераспространенной естест­венной наносистемой, при этом пленочного типа.

Последующим шагом модификации параметров по­верхности является осаждение на ее поверхности тонких пленок или слоистых пленочных структур, толщина которых может быть от микрон до толикой микрона, т.е. может удовлетворять условию d < 100 нм. Такие пленочные структуры служат осно­вой для построения элементной базы современной микро-, а в пределе d < 100 нм, наноэлектроники.

Это двумерные наноструктуры, при этом ин­теграция частей происходит в их плоскости. Тонкие пленки могут делать и функциональ­ные задачки упрочнения поверхности, конфигурации ее смачиваемости, коэффициента трения и др. Новое качество может быть достигнуто методом осаждения на поверхность твердого тела атомов тех элемен­тов, которые могут создавать разные веще­ства, отличающиеся по своим структуре и свойст­вам, т.е. разные аллотропные модификации. Ха­рактерный пример — углерод, который может суще­ствовать в виде 4 аллотропных форм, отли­чающихся типом гибридизации: sp3 и sp2- этим ти­пам соответствуют устойчивые модификации алмаз и графит, также sp1 и sp°, которым отвечают метастабильные модификации линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ), и гранецентрированного (ГЦК) углерода. При всем этом способ управляемого осажде­ния атомов углерода в текущее время является фактически единственным способом синтеза по­следних 2-ух форм углерода.

Экспериментальная установка получения углеродных пленок представляет собой вакуумную систему, обеспечивающую импульс­ное осаждение углерода из плазменных сгустков, создаваемых вакуумной дугой, с плотностью ионов 1013…1014 см3 и степенью ионизации 95%. Частота импульсов варьируется в границах 1…30 Гц, продолжительность импульса 100 мкс.

Ионный пучок формируется ионным источником низкого давле­ния. Энергия ионов Аг+, облучающих поверх­ность возрастающей пленки, варьируется в границах 0-300эВ и зависит как от напряжения экстракции, так и от характеристик углеродной плазмы. В ниже­описанных опытах эта энергия была равна 150эВ. В качестве материалов подложки исполь­зовались NaCl (для электронномикроскопических исследовательских работ), Si (для электрической спектроско­пии), также сталь, полимеры, керамика и т.д. Рабочее давление в камере — 104 Па.

Рис. 8.1 Схема способа получения углеродных пленок: 1 — подложка; 2 — поток углерода; 3 — ток ионов аргона; 4 — графитовая мишень.

Нанообъекты могут существовать и в виде частиц соответственного размера (микрочастицы), также нанокомпозиты, образованные ансамблем таких частиц. Обилие вероятных видов микрочастиц очень велико.

Од­ним из главных физических признаков принад­лежности к наномиру является равенство либо превышение поверхностной энергии микрочастицы по сопоставлению с ее большой энергией. Потому отличительным свойством микрочастиц является их активность за счет нахождения на их поверхности оборванных связей. В общем случае как правило это трехмер­ные объекты (3D).

Естественно, что право на существование имеют одномерные (ID) и нульмерные системы (0D). К первым относят так именуемые квантовые нити (квантовые провода), которые формируются в условия сильной анизотропии параметров вещества сильным проявлением квантово-размерных эффек­тов и с поперечником < 100 нм (принципиальный пример кван­товой нити — полупроводниковые нанотрубки). На­конец, соответствующим примером нульмерной систе­мы либо квантовой точки может служить экситон.

Наносистемы могут или организоваться в природе естественным методом — поверхность, нанокластеры карбина, нанотрубки и др. — или модифицируются методом управляемого выкармливания (тонкие пленки и пленочные наност­руктуры) при помощи осаждения на поверхность частиц подходящего характеристики. Такие частички могут осаждаться из плазмы либо других источников пуч­ков атомов, ионов, молекул, при этом принципиальным эле­ментом таковой технологии является предваритель­ная подготовка поверхности таким макаром, чтоб она стимулировала рост необходи­мой структуры осаждаемой пленки. Это, к примеру, управление процессом эпитаксиалъного роста, при котором межатомные расстояния выращивае­мой пленки повторяют геометрию создаваемых на поверхности центров зародышеобразования. Для реализации такового процесса необходимо детально знать физику взаимодействия ионов и электронов с по­верхностью твердого тела.

Описанный процесс ионно-стимулированного эпитаксиального роста пленок на командной поверхности является принципиальным примером само­сборки, которая является неотъемлемым свойст­вом нанотехнологий.

В текущее время проводится широкий цикл иссле­дований процессов взаимодействия пучков заря­женных частиц (электронов и ионов в широком спектре их энергий) с поверхностью жестких тел:

• распыление материала поверхности;
• вто­ричная ионно-ионная;
• ионно-электронная;
• элек­трон-ионная эмиссия;
• внедрение частиц пучка в поверхность;
• напыление частиц пучка на поверх­ность;
• изменение фазового состава поверхности;
• активация поверхности и т.п.

Все эти процессы реа­лизуются также при контакте газоразрядной плазмы с поверхностью, и так либо по другому исполь­зуются в разных технологических циклах, та­ких, как травление, имплантация, интеркалирование, осаждение пленочных структур, литография и других технологических циклах современной микро-, а с переходом к соответствующим размерам < 100 нм, наноэлектроники. Установлено, что важную роль играют неуп­ругие процессы при содействии ионов ма­лых энергий с поверхностью жестких тел. Выяв­лен основной механизм такового взаимодействия, а конкретно, — резонансная перезарядка. Этот процесс лежит в базе большинства нанотехнологий мо­дификации параметров поверхности. Посреди про­цессов, сопровождаемых (вызываемых) на поверх­ности жестких тел пучками заряженных частиц: электронов и, сначала, ионов для пони­мания магистрального направления развития исследований являются процессы электрической и ионной стимуляции направленного выкармливания (напыление, осаждение) на ней пленок разных углеродных метастабильных фаз и, в первую оче­редь, двумерно-упорядоченного линейно-цепо­чечного углерода (ДУ ЛЦУ). В текущее время отлично понятно, что в при­роде и в лабораториях мира издавна изучается метастабильная аллотропная фаза углерода, так именуемый линейно-цепочечный углерод. В первый раз он был открыт в Рф в 1960 г. учеными из Института элементоорганических соединений Сладковым A.M. и Кудрявцевым Ю.П. После долгого отжига в вакууме при темпе­ратуре 1000 °С в продукте, содержавшем 99,9% углерода, было найдено наличие кристалли­ческой фазы со средними размерами кристаллов порядка 100 нм. Этот материал обнаруживал на­личие линейных цепочек углеродных атомов, и был назван карбином. Приобретенный итог длительно подвергался сомне­нию в среде химиков, так как линейная цепоч­ка углеродных атомов неустойчива до 6…8 ато­мов, после этого она должна замыкаться на близ­лежащие цепочки с образованием графитовых связей — сшивок цепочек.

С использовани­ем физических способов анализа электрической структуры карбина (Оже-спектроскопия) было подтверждено, что он представляет собой доста­точно протяженные отрезки линейных цепочек углерода (ЛЦУ), стабилизированных в районе развития неустойчивости сшивания извивами це­почек, или присутствием стороннего атома. Все же, для этой структуры соответствующим оказалось наличие упомянутых выше сшивок. Этот материал мог синтезироваться в виде нитей (волокон), ваты, войлока, порошка. В 1992г. был синтезирован пленочный кристалл, образованный цепочками углеродных атомов, нацеленных нормально к подложке, так именуемый двумерно-упорядоченный углерод (ДУ ЛЦУ). ДУЛЦУ представляет собой плотно упако­ванную гексагональную решетку из линейных це­почек углерода, которые стабилизированы чере­дующимися произвольно нацеленными изги­бами, образующими слои, расположенные на рас­стоянии от 2-х до 8 атомов углерода (самосборка). Разработка позволяет растить сплошные пленки, не имеющие островковой структуры и стопроцентно покрывающие подложку, повторяя ее начальную топографию, начиная с толщин « 5 А. При всем этом пленка по данным атомно-силовой мик­роскопии имеет атомно-гладкую поверхность. Принципиальной особенностью структуры ДУ ЛЦУ является ее мощная анизотропия, из которой вы­текает и анизотропия ее физико-химических параметров. На разрыв цепочки ЛЦУ имеют очень высшую механическую крепкость (выше, чем у нанотрубок), в обратном направлении пленка очень эластична и допускает расстояние более, чем в 3 раза, без нарушения сплошности. Наличие оборванных связей на концах цепочек приводит к ее необычно сильной адгезии к подложке, которая оказывается выше ее большой прочности. Это позволяет снижать коэффициент трения за счет покрытия трущихся поверхностей пленками ДУ ЛЦУ. Анизотропны и электрофизические характеристики пленки, проводимость которой повдоль цепочек и в поперечном направлении отличается на 6 по­рядков. Повдоль цепочки движение электронов но­сит баллистический нрав, т.е. подобно дви­жению электронов в вакууме; в поперечном направлении пленка проявля­ет характеристики диэлектрика, а проводимость носит прыжковый нрав.

Это открывает принципи­ально новые способности в разработке наноэлектронных систем. В силу слабенькой связи цепочек ЛЦУ, находя­щихся на значимом расстоянии друг от друга, пленки ДУ ЛЦУ прозрачны для электрических пуч­ков, более того, они коллимируют и усиливают электрические пучки (из-за взаимодействия с плазмонами). Материалы, содержащие линейно-цепочечный уг­лерод, в силу отмеченных выше уникальных физи­ко-химических параметров находят самое обширное применение в разных областях практического внедрения от наноэлектроники до медицины.