Наноструктурированные материалы и функциональные устройства на их основе

Наноструктурированные материалы  и функциональные устройства на их основе

Студ. Мустафаев М.Г.

Кафедра электронных приборов.

Северо-Кавказский горно-металлургический институт (государственный технологический университет)

Рассмотрены некоторые свойства наноструктурных материалов. Показана возможность создания функциональных устройств на основе наноструктурных материалов. 

Развитие наноэлектроники способствует уменьшению размеров элементной базы, повышению уровня технологии и созданию новых функциональных устройств.

Определяющими характеристиками являются характерные размеры элементов, физические ограничения, технология и функциональные устройства. Это позволяет установить связь характерных размеров с физическими ограничениями, необходимой технологией и функциональными устройствами. 

Изменение размеров от 130 до 7 нм ведет к переходу от классической физики к квантовой механике и необходимости использования синергетических подходов [1]. 

Прогресс в микроэлектронике – повышение функциональной сложности и быстродействия – достигался за счет уменьшения размеров элементов без изменения физических принципов их функционирования (масштабирование). При переходе к наноразмерам возникает ситуация, когда все в большей мере проявляется волновая природа электронов, т.е. проявляются квантово-механические эффекты (размерное квантование, туннелирование, интерференция). С одной стороны, квантовые эффекты ограничивают возможности дальнейшего использования традиционного масштабирования, а с другой – открывают возможности создания новых функциональных элементов, позволяют использовать принципы обработки информации, характерные для биологических объектов.

Традиционная кремниевая технология не обеспечивает требования по размерам и разбросам, предъявляемым к нанообъектам. Все большее применение получают наноструктуры и наноструктурированные материалы. Это искусственные материалы, в которых требуемая зонная структура обеспечивается выбором веществ, из которых изготавливаются отдельные слои, толщинами слоев, изменением связи между слоями. Эти подходы к полупроводниковым наноструктурам позволили создать лазеры ближнего и дальнего ИК-диапазона, фотоприемники, высокочастотные транзисторы с высокой подвижностью электронов, одноэлектронные транзисторы, различного рода сенсоры. Наряду с полупроводниковыми наноструктурами применяются и альтернативные наноматериалы: магнитные наноструктуры, молекулярные наноструктуры, фотонные кристаллы, фуллереноподобные материалы, конструкционные наноматериалы.

В магнитных многослойных наноструктурах с чередующимися ферромагнитными и диамагнитными слоями наблюдается эффект гигантского магнитосопротивления, что позволяет использовать их для создания сред со сверхплотной записью информации и новых типов датчиков магнитного поля.

Молекулярные наноструктуры являются неотъемлемой частью нанотехнологии и включают полимеры, молекулярные ансамбли и единичные молекулы.

Фотонные материалы – это упорядоченные системы, в которых имеется зонный спектр для фотонов. Примерами служат опаловые матрицы и самоорганизованные нанопористые структуры, например, на основе оксида алюминия. Такие материалы способствуют созданию низкопороговых лазеров, приемников излучения, систем управления световыми потоками, а также служат упорядоченными подложками в нанотехнологии [2].

Фуллереноподобные материалы на основе углерода и других неорганических материалов обладают такими свойствами, как прочность, управляемое изменение размеров от единиц до сотен нанометров, возможность заполнения полостей молекулами газов, органических и неорганических молекул, атомов металлов, а также управляемыми физическими свойствами, эффективной автоэмиссией. 

Современные интегральные схемы содержат элементы нанометрового масштаба. Например, толщина подзатворного диэлектрика в МОП – транзисторах достигла величин 5 – 10 нм. 

В нанотехнологии определились два главных принципа: “сверху – вниз” и “снизу – вверх”. Принцип “сверху – вниз” – это миниатюризация традиционных микроэлектронных схем до наноразмеров. Принцип “снизу – вверх” – это создание наноприборов и наноустройств, собранных из молекул или атомов.

Основу приборов молекулярной наноэлектроники составляют молекулярные кластеры или отдельные молекулы. Устройства молекулярной электроники обладают высокой плотностью элементов и рассеиваемой мощности.

Нанотехнология позволить обеспечить быстродействие процессорных систем обработки информации, увеличение емкости запоминающих устройств, снижение времени считывания и массогабаритных характеристик устройств отображения информации, расширение диапазона частот передачи информации, что обеспечит почти мгновенную телекоммуникационную связь, ускоренную идентификацию объектов, новые возможности в кодировании и декодировании информации, расширенную мультиспектральную визуализацию.

В магнитоэлектронике существенными становятся кооперативные квантовые свойства спин-поляризованных электронных схем, составляющих основу функциональных приборов развивающейся спинтоники. Принцип магниторезистивного считывания информации и переход к наноразмерным элементам магнитной памяти позволяет реализовать динамическое энергонезависимое ОЗУ с субнаносекундным временем доступа. 

При создании различных устройств используются разнообразные приложения магнетизма в электронике, такие как магнитные дискретные и аналоговые запоминающие устройства, датчики поля, ускорения и тока, постоянные магниты, спин-волновые и невзаимные оптоэлектронные компоненты сетей и систем связи, приборы магнитосиловой и ближнепольной оптической микроскопии.

Для повышения плотности записи информации в магнитных дисках применяются новые нанотехнологии: наноимпринтная литография, применение пористого оксидированного алюминия либо кремния в качестве матриц для Со, Ni, самоструктурированные полимерные слои – высаживание из раствора на металлическую пленку стеклообразующих полимеров (полистирен – поливинил – пиридин), образующих наноразмерные ламели и поры, в качестве маски. Проблемы повышения плотности записи в дискретных запоминающих устройствах связаны с тепловыми ограничениями устойчивости записанного состояния для мезоскопически малых объемов, с возрастанием шумового и падением полезного сигнала при считывании информации [3]. 

Уменьшение размеров элементов ведет к уменьшению толщины используемых функциональных слоев (ФС). Такое развитие технологии требовало разработки процессов, основанных на новых физических и химических принципах: молекулярно-лучевой и атомарно-слоевой эпитаксии, ионной имплантации, молекулярного наслаивания, зондовых способов обработки поверхностей и их диагностики, в том числе на основе атомно-силовой микроскопии. Появились технологии, связанные с использованием разных видов радиационного стимулирования: плазмы, ионных потоков, СВЧ – излучения, фотонов различных энергий в спектральном диапазоне от рентгеновского до ультрафиолетового и даже инфракрасного излучений. Разработка таких технологий, позволяя использовать еще одну степень свободы для управления технологическим процессом, ведет к снижению температуры и, как правило, к увеличению точности воспроизведения толщины ФС и его физико-химических параметров. Все большее влияние на технологию оказывает синтез ФС и элементов из атомов, молекул или их ансамблей на принципах самоорганизации.

Такие нанопроцессы делают возможным конструирование сверхминиатюрных электронных устройств. 

Список литературы

1. Елинсон М.И. Исследования физических проблем микро- и наноэлектроники в ИРЭ РАН // Зарубежная радиоэлектроника. 1998, №8.

2. Третьяков Ю.Д. Процессы самоорганизации в химии материалов // Успехи химии. 2003. Т.73, №5.

3. Андриевский Р.А. Наноматериалы: концепция и современные проблемы // Российский химический журнал. 2002. Т.46, №5.