СЕНСОРНАЯ СТРУКТУРА НА ОСНОВЕ КВАЗИОДНОМЕРНЫХ ПРОВОДНИКОВ
SENSOR STRUCTURE BASED ON QUASI-ONE-DIMENSIONAL CONDUCTORS

Сенсорная структура на основе квазиодномерных проводников с баллистической проводимостью для определения низких концентраций химически активных газов относится к области сенсорных элементов, а точнее к датчикам газового состава атмосферы. Также она относится к структурам и устройствам на основе баллистических проводников.
Известно устройство - встречно-штыревой газовый сенсор на основе углеродных нанотрубок, в котором между проводящими электродами, расположенными в виде встречно-штыревого преобразователя, расположены нанотрубки [1]. Нанотрубки могут быть высажены из растворов, выращенны на катализаторах при химическом разложении паров углеводородов. Нанотрубки могут одновременно являться как распознающим элементом, так и трансдьюсером, преобразующим сигнал изменения тех или иных свойств распознающего элемента (электрических, оптических, механических) в сигнал для последующей обработки цифровыми методами. При этом нанотрубки могут быть функциализованы и их количество может варьироваться в зазоре между электродами.
Недостатком данной структуры является отсутствие априори заданных свойств у используемых нанотрубок, так как предлагаемые способы измерений не позволяют производить позиционирование в заданных точках шаблона нанотрубок с априори известными электрическими, оптическими или механическими свойствами.
Прототипом предложенной в изобретении структуры является селективный датчик газов на основе системы осциллирующих нановолокон, включающий осциллирующий элемент, способный совершать механические колебания на собственных частотах, средства возбуждения механических колебаний элемента и средства детектирования события перехода механических колебаний осциллирующего элемента в резонансные механические колебания [2]. Способом регистрации присутствия химически активного вещества в атмосфере является регистрация изменения колебаний нановолокна при адсорбции на нем молекул регистрируемого газа.
Тем не менее, за счет использование наноматериалов неконтролируемого состава и физических свойств, изменение регистрируемых характеристик не будет отражать характерную особенность для всех структур заданного типа, что делает предлагаемый в прототипе сенсор уникальным в каждом конкретном случае исполнения и требующим дополнительных энергетических и временных затрат для калибровки данного сенсора к воздействию конкретного вещества. Это значительно повышает трудоемкость изготовления предложенного прототипа, а в ряде случаев и затрудняет интерпретацию его свойств. Данного недостатка можно избежать, если использовать априори известные свойства наноструктур, такие как баллистический транспорт заряда в квазиодномерных струкутрах.
Таким образом, существует необходимость формирования планарных проводников с баллистическим транспортом носителей заряда, обладающих априори заданными электрическими свойствами и являющимися одновременно датчиками различных газов, находящихся в атмосфере воздуха.
Применение проводников с баллистическим транспортом носителей заряда в качестве сенсорных структур обусловлено возможностью прецизионного контроля параметров структуры за счет использования квантовых свойств низкоразмерных структур. Известно, что проводимость баллистических проводников может быть определена формулой Ландауера [3]:
где е - заряд электрона, h - постоянная Планка, N - число каналов проводимости.
Внесение дополнительного центра рассеяния будет вызывать разрушение баллистического транспорта. Центрами рассеяния могут являться примеси, дефекты, в том числе и осажденные на поверхность провода с баллистической проводимостью молекулы химически активного вещества [4].
Ранее баллистический транспорт наблюдался в различных полупроводниковых структурах, в том числе в гетероструктурах, при температурах, намного меньших комнатных, однако последние результаты исследований позволяют говорить о возможности наблюдения баллистического транспорта в низкоразмерных структурах при комнатных температурах: в нанотрубках [5], графенах [6], металлических и молекулярных проводах [7, 8].
Таким образом, становится возможным формировние нанометровых сенсорных структур, обладающих баллистическим типом проводимости при комнатной температуре. Внесение дополнительных центров рассеяния в проводимость нанопровода может существенно изменить характер проводимости баллистического провода. При этом каждый центр рассеяния создает собственный характер расщепления энергетических уровней, что является основой селективности предлагаемой структуры. Также селективность структуры может быть обеспечена дополнительными газоселективными покрытиями и функциализацией наноструктур.
Задача изобретения - усовершенствование датчиков газов с целью повышения их чувствительности к воздействию внешних химически активных веществ, вплоть до детектирования присутствия одной молекулы на поверхности сенсорной структуры.
Технический результат изобретения заключается в предложении сенсорной структуры на основе проводников с баллистической проводимостью, позволяющей детектировать присутствие химически активного вещества в окружающей атмосфере на уровне одной молекулы.
Это достигается тем, что структура состоит из основания, расположенных на нем наноструктур, обладающих баллистической проводимостью и электродов к ним, обеспечивающих измерение электрических характеристик структуры.
Настоящее изобретение представляет собой сенсорную структуру для определения концентрации химически активных веществ в атмосфере на уровне единиц молекул. Сенсорная структура в изобретении включает наноструктуры, способные проявлять баллистические свойства в проводимости при комнатных температурах (нанотрубки, графены, металлические и молекулярные нанопровода), использование которых позволяет точно определить концентрацию определяемого вещества в составе окружающей атмосферы.
Сенсорная структура на основе баллистических проводников для определения низких концентраций химически активных газов, включающая основание, расположенные на нем наноструктуры, обладающие баллистической проводимостью и электроды к ним. Она отличается тем, что наноструктуры могут являться нанотрубками, графенами или молекулярными или металлическими проводниками. Нанотрубки представляют собой по форме цилиндры диаметром от 1 до 10 нм. Данный диапазон позволяет минимизировать количество дефектов в структуре, что является критическим параметром для баллистического транспорта носителей заряда. Между электродами может располагаться одна или несколько нанотрубок. Ось нанотрубок параллельна плоскости основания, к которому они прикреплены. Нанотрубки могут быть расположены регулярно или неупорядоченно на основании. Длина нанотрубок может варьироваться от 0.1 мкм до 10 мкм. При этом для обеспечения баллистического транспорта в нанотрубке расстояние между электродами, формирующими контакт к нанотрубке должно быть менее длины свободного (баллистического) пробега носителей тока (в общем случае менее 0.1 мкм). Нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Нанотрубки могут быть проводящими или полупроводниковыми. Материал, из которого получены нанотрубки, - углерод.
Графены представляют собой по форме слои графита толщиной менее 1 нм. Латерально графен может быть ограничен с использованием фокусирующей ионно-пучковой литографии до величины менее 100 нм. Данный диапазон позволяет минимизировать количество дефектов в структуре, что является критическим параметром для баллистического транспорта носителей заряда. Между электродами может располагаться одна или несколько графеновых плоскостей. При этом для обеспечения баллистического транспорта в графене расстояние между электродами, формирующими контакт, должно быть менее 1 мкм.
Металлические проводники представляют собой по форме сужения в тонких металлических пленках диаметром от 1 до 10 нм. Данный диапазон позволяет минимизировать количество дефектов в структуре, что является критическим параметром для баллистического транспорта носителей заряда. Между электродами может располагаться одна или несколько металлических проводников. Ось металлических проводников параллельна плоскости основания, к которому они прикреплены. Металлические проводники могут быть расположены регулярно или неупорядоченно на основании. Длина металлических проводников может варьироваться от 0.01 мкм до 0.1 мкм. При этом металлические сужения формируются методами зондовой или ионной литографии в тонких металлических пленках, сформированных методами традиционной технологии. Металлические пленки, в которых формируются структуры, будут являться электродами, обеспечивающими электрический контакт. Материал, из которого получены металлические проводники, - золото, платина, титан, углерод, тантал, палладий.
Молекулярные проводники представляют собой по форме цепочки молекул. Между электродами может располагаться одна или несколько цепочек молекул. Ось молекулярных проводников параллельна плоскости основания, к которому они прикреплены. Молекулярные проводники могут быть расположены регулярно или неупорядоченно на основании. Длина молекулярных проводников, сформированных между электродами, может варьироваться от 0.01 мкм до 0.1 мкм. Материал, из которого произведены молекулярные проводники, - производные эпоксидиановых смол, ДНК, РНК, и другие молекулярные основания, имеющие в своей структуре бензольные кольца.
Графические изображения.
На чертеже представлено изображение сенсорной структуры с проводниками, обладающими баллистикой проводимостью в соответствии с формулой изобретения.
1 - основание;
2 - электрод;
3 - баллистический проводник;
d - расстояние между электродами.
Пример конкретного выполнения.
c-c
В сенсорной структуре могут быть использованы углеродные нанотрубки, которые представляют собой плоскость из гексагональных решеток трехвалентного углерода, свернутую с образованием бесшовной полой трубки. Расстояние между атомами в гексагоне составляет d=0.142 нм. В частности, изобретение предполагает использование однослойных нанотрубок (ОНТ). Размер ОНТ определяется двухкомпонентным вектором хиральности (n, m), который определяет геометрию нанотрубок. Диаметр нанотрубки определяется по формуле
,
где  - постоянная решетки.
Основанием может являться кремниевая подложка со слоем оксида кремния или другого диэлектрика.
Углеродные нанотрубки могут быть высажены на основание из растворов, обеспечивающих равномерное диспергирование единичных нанотрубок (спирты, водные растворы ПАВ, другие), либо выращены в предварительно заданных точках катализатора на поверхности основания при каталитическом пиролизе углеводородов. К поверхности нанотрубок методами литографии высокого разрешения формируются металлические электроды, обеспечивающие омический вид сопротивления в области контактов нанотрубок и электродов. Могут быть использованы материалы: титан/золото, палладий/золото и др. Расстояние между контактными электродами должно быть меньше 100 нм для обеспечения баллистического транспорта в нанотрубке. При формировании датчика химически активных газов конструкция сенсорной структуры позволяет интегрировать ее и мультиплицировать для повышения быстродействия датчика.
Высокая чувствительность данного устройства обеспечивается как высокой удельной площадью нанотрубки, так и способностью к сильному изменению баллистического транспорта носителей заряда при введении внешнего электрического потенциала в виде примеси, находящейся на поверхности нанотрубки.
Селективность приведенного в данном примере устройства обеспечивается тем, что различные химические вещества вносят различный энергетический потенциал, что приводит к индивидуальному, характерному только для данного вещества, изменению поведения проводимости структуры. Также для повышения селективности потенциально применимы механизмы на основе функциализации углеродных нанотрубок или применения селективных покрытий, не нарушающих баллистический транспорт в нанотрубке.
Источники информации
1. Патент WO 2008/057121 А2 с приоритетом от 22.12.2005.
2. Патент RU 2317940 С1 с приоритетом от 04.08.2006. - прототип.
3. R. Landauer, IBM Journal of Research and Development, 1,233 (1957).
4. Неволин В.К. Зондовые нанотехнологии в электронике. М: Техносфера, 2006. - 160 с.
5. С.Berger, Y. Yi, Z.L.Wang, W.A. de Heer. Multiwalled carbon nanotubes are ballistic conductors at room temperature. Appl. Phys. A 74, 363-365 (2002).
6. D. Gunlycke, HM. Lawler, CT. White. Room-temperature ballistic transport in narrow graphene strips. Physical Review В (Condensed Matter and Materials Physics), Vol.75, N8. (2007).
7. H.Ohnishi, Y.Kondo, К.Takayanagi. Nature 395.780. (1998).
8. Чаплыгин Ю.А., Неволин В.К., Хартов С.В. Баллистические молекулярные проводники в матрице эпоксидиановой смолы. Доклады Академии Наук, 2007, Т.412, №6, С.1-4.