Углеродная электроника

УДК 53:546.26

В. Д. КОЧАКОВ, Н.Д. НОВИКОВ

УГЛЕРОДНАЯ ЭЛЕКТРОНИКА*

Углерод, как основа молекулярной электроники, привлекал к себе внимание всегда. Сегодня на основе 8р\ 8р2, 8р3 - состояний атомов углерода - синтезируются системы со свойствами проводников, полупроводников и изоляторов. В данной статье речь пойдет о возможностях управления электрическими свойствами пленок линейно-цепочечного углерода, получаемого путем ионноплазменного синтеза.

Модель структуры фрагмента пленки линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ) приведена на рис. 1. Перенос зарядов по цепочке атомов углерода вдоль оси У осуществляется делокализованными электронами п-связи. Цепочки углерода между собой связаны силами Ван-дер-Ваальса, поэтому вдоль осей Х и Ъ пленка диэлектрик. Порядок отношений величин Ях / КУ=Я2 / Яу ~ 106-107 раз. С точки зрения электрофизики плёнка ЛЦУ состоит из параллельных квантовых нитей, расположенных на расстоянии 5А друг от друга.

Первой задачей, стоящей перед нами, было научиться управлять проводимостью линейных цепочек углерода. Это было осуществлено путем легирования пленок ЛЦУ в процессе их синтеза. У легирующих атомов при их внедрении в пленку есть два пути: встроиться в полимерную цепь из атомов углерода или расположиться между полимерными цепями, поскольку там достаточно места (в тетрагональной ячейке могут располагаться атомы с радиусами меньше двух ангстрем).

Рис. 1. Модель пленки линейно-цепочечного углерода

* Исследования выполнены в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы» (государственный контракт № 02.513.11.3082 шифр «2007-3-1.3-07-01-580» по теме «Исследование свойств легированных и интеркалированных пленок линейно-цепочечного углерода»).

Вольт-амперные характеристики (ВАХ) снимались по схеме, представленной на рис. 2, где Ях - измеряемое сопротивление легированных пленок; Яэ - эталонное сопротивление. Эталонное сопротивление при каждом измерении выбиралось из условия ЛЭ< ЯХ. На рис. 3 показаны вольт-амперные характеристики (ВАХ) пленок ЛЦУ, легированных атомами серы.

На одном графике показаны результаты измерений ВАХ при разных эталонных сопротивлениях. Этим показано отсутствие влияния величины эталонного сопротивления на характер ВАХ пленок, поскольку сопротивление пленки ЛЦУ, легированной серой, оказалось равным Ях = 106 Ом, что во много раз больше указанных эталонных сопротивлений. Это правило подбора эталонного сопротивления применялось при всех измерениях ВАХ.

На рис. 4 представлена ВАХ пленки ЛЦУ, легированной атомами азота. Методом ЭСХА было показано, что атомы азота встраиваются в углеродную цепочку путем разрыва п связи. Такой способ присоединения других атомов называется сатурацией. Атомы серы не разрывают п связь, а искажают электронное облако п электронов, превращая его в связывающую орбиталь.

Ях

Блок питания 1 1

і і Яэ

1 1

_ Милливольтметр -

Рис. 2. Электронная схема снятия вольт-амперных характеристик легированных пленок ЛЦУ

ткА

Рис. 3. Вольт-амперные характеристики пленок ЛЦУ, легированных атомами серы

2 /

у

1 1 > г-

0 0

1

г

2 /

и

9

-2-1 0 1 2 V

Рис. 4. Вольт-амперная характеристика пленки ЛЦУ, легированной атомами азота

Л

Рис. 5. Схема, объясняющая характер присоединения к цепочечному углероду легируемых атомов На рис. 6 приведена ВАХ трехслойной пленочной системы, у которой реализована функция диода. ткА 600-

500

400

300

200

100

0

-100

-200

-300

-400

-500

-600

1

п

-1,0

-0,5

0,0 Рис. 6

0,5

1,0 V

Линейность ВАХ в положительной области графика достигнута путем легирования слоя ЛЦУ атомами серы.

КОЧАКОВ ВАЛЕРИЙ ДАНИЛОВИЧ родился в 1942 г. Окончил Чувашский государственный университет. Доцент кафедры теплофизики Чувашского университета. Область научных интересов - углерод и его свойства. Автор 56 научных работ.

НОВИКОВ НИКОЛАЙ ДМИТРИЕВИЧ родился в 1950 г. Окончил Московский государственный университет. Заведующий межвузовской лабораторией высоких технологий Чувашского государственного университета. Область научных интересов - физическая электроника. Автор 70 научных работ.