НАНОУСТРОЙСТВО И СПОСОБ
NANODEVICE AND METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к устройствам, основанным на нанотехнологии, таким как нанодиоды и нанопереключатели.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Нанотехнология становится все более и более популярной как технология изготовления различных типов устройств, таких как диоды и переключатели. Один тип элементов, которые были разработаны для изготовления основанных на нанотехнологии устройств, - углеродные нанотрубки, которые имеют цилиндрическую углеродную структуру, показывающую желаемые электрические свойства.
Несмотря на то, что углеродные нанотрубки известны как обеспечивающие электрические характеристики, которые являются эффективными для создания диодов и переключателей, традиционные диоды и переключатели, содержащие углеродные нанотрубки, сами по себе не могут быть предложены для эффективного и надежного производства. Соответственно, без устройств, которые могут быть эффективно и надежно изготовлены, обычно нельзя получить эффективные экономичные устройства, в которых используются углеродные нанотрубки (см., например, US 2002/060514 А1).
В указанном источнике информации раскрыто полевое устройство с холодным катодом бокового типа, которое содержит электрод катода и электрод затвора (управляющий электрод), расположенный на поверхности подложки основания сбоку сторона к стороне. Электрод катода и электрод затвора имеют боковые поверхности, которые расположены напротив друг друга, а эмиттер расположен на противоположной стороне поверхности электрода катода. В US 2002/060514 раскрыто также вакуумное разрядное пространство 33 между электродами.
Однако в указанном источнике не раскрыт нанопереключатель, который при активировании вызывает разрыв диэлектрика, так чтобы через диэлектрик сформировался путь электрического тока, что обеспечило протекание электрического тока между первой и второй электропроводными структурами. Следует отметить, что вакуум между электродами, раскрытый в US 2002/060514 не нарушается в ответ на активирование нанопереключателя.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Согласно некоторым вариантам осуществления изобретения устройства, содержащие наноэлементы, имеют некоторые элементы, например наноэмиттеры электронов, расположенные в плоскости или горизонтально для повышения эффективности изготовления указанных устройств, содержащих наноэлементы. В одном примере наноустройство включает первый опорный элемент, обеспечивающий опорную поверхность, второй опорный элемент, обеспечивающий вторую опорную поверхность, и по меньшей мере один наноэмиттер, размещенный на второй поверхности.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:
Фиг.1 изображает наноустройство (поперечный разрез) согласно изобретению;
Фиг.2 - наноустройство (вид сверху) согласно изобретению;
Фиг.3-5 - другие варианты осуществления наноустройства согласно изобретению;
Фиг.6 - еще один вариант осуществления наноустройства (поперечный разрез) согласно изобретению;
Фиг.7 - наноустройство (вид сверху) на Фиг.6 согласно изобретению;
Фиг.8 - центральная часть, которая может быть использована в наноустройстве, согласно изобретению;
Фиг.9 - матрица наноустройства согласно изобретению;
Фиг.10 - нанопереключатель и нанодиод (поперечный разрез) согласно изобретению;
Фиг.11 - инструментальная колонна, которая может быть использована в скважине, при этом инструментальная колонна содержит наноустройство согласно изобретению.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Специалисту в данной области должно быть понятно, что может быть использовано множество вариантов и модификаций описанных вариантов осуществления. Используемые здесь термины «горизонтальный» и «вертикальный» использованы для обозначения относительных положений компонентов, изображенных на различных фигурах. Однако обращаем внимание, что иллюстрируемые устройства при фактическом применении могут иметь ориентацию, отличную от ориентаций, показанных на чертежах. Таким образом, в зависимости от ориентации любого описанного устройства при фактическом использовании термины «горизонтальный» и «вертикальный» могут относится к различным ориентациям. Термины «горизонтальный» и «вертикальный» предназначены для обозначения относительного положения. Например, «горизонтальный» может обозначать вертикальную ориентацию, а «вертикальный» может означать горизонтальную ориентацию, когда устройство повернуто на 90° или 270° от ориентаций, изображенных на фигурах. Также «горизонтальный» и «вертикальный» в другом контексте может обозначать диагональную или наклонную ориентации.
На Фиг.1 и 2 представлено наноустройство (или наноэлектронное устройство) 100 согласно варианту осуществления. Используемый термин «наноустройство» или «нанотехнологическое устройство» обозначает любое устройство, которое содержит основанные на нанотехнологии признаки. Например, на Фиг.1 и 2 основанные на нанотехнологии признаки включают наноэмиттеры 112, которые могут быть реализованы нанотрубками из углерода или других материалов или наноразмерных алмазов.
Нанотрубка представляет собой цилиндрическую структуру, образованную из специального материала. Структурно нанотрубка является в основном очень небольшой трубкой, которая имеет толщину в атомном диапазоне. Например, углеродная нанотрубка является трубкой, в которой стенки образованы из молекул углерода, где толщина стенки может быть образована одной молекулой. Углеродные нанотрубки могут быть многослойными концентрическими трубками, называемыми многостенными углеродными нанотрубками (MWCNTs) или одностенными углеродными нанотрубками (SWCNTs). Один тип нанотрубок включает в себя углеродные нанотрубки, которые имеют цилиндрическую структуру из молекул углерода. Углеродные нанотрубки имеют определенные электрические свойства, которые делают их эффективными для формирования определенного вида устройств, таких как диоды и переключатели. Нанотрубки могут быть также образованы из других материалов, таких как кремний, молибден, титан, нитрид бора и так далее.
«Наноразмерный алмаз» обозначает кристалл алмаза, имеющий размер зерна меньше некоторого заранее заданного значения (например, 100 нанометров). Наноразмерный алмаз может иметь пленкоподобную структуру. Наноразмерная пленка, нанесенная на поверхность при использовании различных технологий, имеет сравнительно превосходные характеристики электронной эмиссии, в некоторых случаях сравнимые с углеродными нанотрубками.
Наноэмиттеры 112 используются для эмиссии электронов, чтобы обеспечить электрический ток между электродами 114 и 116 в наноустройстве 100. Электроды 114 и 116 образованы из электропроводного материала, чтобы электроды 114 могли проводить электрический ток в наноустройстве 100. Как показано, наноэмиттеры 112 сформированы на поверхности электрода 116 (например, выращиванием наноэмиттеров на электроде). Электрод 116 имеет два сегмента 116А и 116В, которые размещены под углом относительно друг друга (в основном под прямым углом на Фиг.1). Сегмент 116А электрода размещен на поверхности спейсера 106 (который выполнен из электроизолирующего материала). Второй сегмент 116В электрода размещен на опорной поверхности 104 опорной структуры 102. Спейсер 106 размещен на опорной поверхности 104 опорной структуры 102.
На Фиг.2 спейсер 106 показан в виде прямоугольной конструкции, установленной на опорной структуре 102. Как вариант, спейсер 106 может иметь другие формы, такие как окружности, овалы и так далее.
Аналогичным образом электрод 114 имеет два сегмента 114А, 114В, причем первый сегмент 114А установлен на другой поверхности спейсера 106, а второй сегмент 114В установлен на опорной поверхности 104 опорной структуры 102. Следует отметить, что спейсер 106 может быть одним элементом, имеющим множество сегментов, например четыре стенки (Фиг.2). Как вариант, спейсер 106 может быть образован из множества отдельных элементов, скрепленных вместе.
Сегменты 114В, 116В электрода (которые являются контактными площадками) могут быть электрически связаны с другой схемой, расположенной на опорной поверхности 104 (или в другом месте) опорной структуры 102. Например, сегменты 114В, 116В электрода могут быть электрически соединены с электрическими связями на опорной поверхности 104, которые в свою очередь могут быть соединены с другой схемой.
Наноустройство 100 также содержит крышку 108, размещенную над спейсером 106. Крышка 108 и опорная структура 102 герметизированы со спейсером 106 с образованием герметично закрытой камеры 110. Закрытая камера 110 может быть вакуумирована или заполнена газом.
Электроды 114 и 116 (Фиг.1 и 2) расположены на расстоянии друг от друга. Если устройство сконфигурировано как диод, электрод 116 служит катодом, в то время как электрод 114 служит анодом. Когда между электродами 114 и 116 прикладывают разность потенциалов, электроны излучают из наноэмиттеров 112 так, что ток протекает от анодного электрода 114 к катодному электроду 116 через вакуум или газ в камере 110.
Наноустройство 100 может быть сконфигурировано как переключатель. В этом случае камера 110 содержит газ, который является газом с высокой диэлектрической постоянной, который может распадаться в ответ на приложение между электродами 114 и 116 напряжения, большего чем заданное. Распад газа с высокой диэлектрической постоянной внутри камеры 110 вызывает образование траектории заряда между электродами так, что ток протекает между электродами 114 и 116 через газ с высокой диэлектрической постоянной. В конфигурации переключателя наноэмиттеры способствуют повышению предсказуемости траектории заряда через содержащийся в камере 110 газ с высокой диэлектрической постоянной. В действительности, наноэмиттеры 112 функционируют как микроминиатюрные стержневые молниеотводы, где сконцентрированы концы наноэмиттеров и усиливается градиент локального электрического поля, чтобы таким образом возбуждать ионизацию соседних молекул газа с высокой диэлектрической постоянной. Следует отметить, что наноэмиттеры 112 являются электропроводными так, что ток может протекать через наноэмиттеры к электроду 116, на котором образованы наноэмиттеры 112.
Следует отметить, что расположение электродов 114 и 116 является таким, что размеры между электродами 114 и 116 контролируются в плоскости, т.е. это - горизонтальная плоскость в ориентации на Фиг.1, которая параллельна опорной поверхности 104 опорной структуры 102. Это обеспечивает «плоское» расположение электродов 114 и 116, которое позволяет установить одинаковое и последовательное расстояние между электродами 114 и 116 (вдоль их соответствующих длин) в процессе изготовления наноустройства 100. Современные технологии изготовления интегральных схем предусматривают лучший контроль горизонтальных размеров по сравнению с вертикальными размерами. Если бы электроды были расположены вертикально сверху вниз на Фиг.1, то вертикальную геометрию пришлось бы тщательно контролировать для достижения одинаковой толщины разделителя 106, чтобы обеспечить одинаковое расстояние между различными частями электродов 114 и 116. Стандартные технологии производства интегральных схем, используемые для изготовления полупроводниковых приборов, устройств микроэлектромеханических систем (MEMS) или тонкопленочных резисторов, обычно не предусматривают поддержания строгих вертикальных допусков. Однако в стандартных технологиях производства обеспечиваются точные горизонтальные (планарные) допуски.
Возможность достижения одинакового расстояния между электродами 114 и 116 означает, что осуществление надежности наноустройства 100 увеличивается посредством увеличения вероятности более последовательного электрического поведения. Таким образом может быть достигнуто эффективное производство наноустройств 100 в больших товарных количествах. Эффективное производство наноустройств в больших количествах означает, что стоимость одного устройства может быть снижена.
Расположение электродов 114 и 116 на боковой поверхности разделителя 106 обеспечивает расположение наноэмиттеров на поверхности, в данном случае поверхности электрода 116, которая является наклонной относительно опорной поверхности 104 опорной структуры 102. В указанном варианте осуществления угол поверхности электрода 116, на котором сформулированы наноэмиттеры 112, составляет около 90° относительно опорной поверхности 104 опорной структуры 102. В другом варианте осуществления поверхность структуры, на которой сформированы наноэмиттеры 112, может иметь другие углы относительно опорной поверхности 104 опорной структуры 102. Углы электродов 114 и 116 относительно опорной поверхности 104 опорной структуры 102 могут регулироваться для оптимальных электрических характеристик и обеспечения технологичности.
В варианте осуществления на фиг.1 также предусматривается протекание тока, которое является параллельным основному направлению длин наноэмиттеров 112, что обеспечивает улучшенные рабочие характеристики. Также горизонтальное (или планарное) расположение наноустройства 100 обеспечивает стабильное расстояние между каждым из наноэмиттеров и противолежащим электродом 114. Это стабильное разделение улучшает пороговое напряжение для инициирования включения наноустройства 100 (например, включение диода или переключателя). Также более однородное протекание тока внутри наноустройства между электродами 114 и 116 может быть достигнуто гарантированным стабильным распределением токовой нагрузки вдоль наноэмиттеров 112.
Наноэмиттеры 112 могут быть расположены в виде двухмерной матрицы наноэмиттеров на поверхности электрода 116. Как вариант, наноэмиттеры 12 могут быть расположены в линию наноэмиттеров. Также вместо множества наноэмиттеров может быть предусмотрен только один наноэмиттер на электроде 116.
Как вариант, вместо формирования наноэмиттеров только на одном электроде 116 наноэмиттеры могут быть также сформированы на другом электроде 114. При размещении наноэмиттеров на обоих электродах 114 и 116 дополнительно увеличивается протекание тока между электродами 114 и 116 в наноустройстве 112.
На фиг.3 представлено наноустройство 200 согласно другому варианту осуществления. В наноустройстве 200 вместо формирования на поверхности разделителя 106 электрод 202 сформирован полностью на опорной поверхности 104 опорной структуры 102. Таким образом, электрод 202 является слоем электропроводного материала, который сформирован на опорной поверхности 104. Электрод 202 в основном перпендикулярен участку электрода 116А, на котором установлены наноэмиттеры 112. В данной конфигурации ток протекает под углом относительно наноэмиттеров 112 между электродами 116 и 202.
На фиг.4 показан еще один вариант осуществления наноустройства 300. В наноустройстве 300 используется разделитель 302 вместо разделителя 106 в наноустройстве 100 или 200. Разделитель 302 имеет участок 302А, который определяет наклонную поверхность 302В, на которой сформирован сегмент 304А электрода 304. Электрод 304 имеет другой сегмент 304В, образованный на опорной поверхности 104. Наклонная поверхность 302В участка 302А спейсера обуславливает наклон сегмента 304А электрода вверх таким образом, что наноэмиттеры 112, образованные на сегменте 304А электрода, ориентированы слегка вверх в сторону от опорной поверхности 104. Таким образом, сегмент 304А электрода находится под другим углом относительно опорной поверхности 104 опорной структуры 102, чем угол сегмента 116А электрода (Фиг.1, 3). Угол между сегментом 304А электрода и опорной поверхностью 104 больше 90°. Такой угол может предусматривать увеличенный рост наноэмиттеров 112 на сегменте 304А электрода. Увеличенный рост предусмотрен, чтобы нанотрубки покрывали большую эффективную поверхность сегмента 304А электрода.
В этом варианте наноустройства 300 участок 302А спейсера может быть изменен так, что поверхность 302В наклонена вниз к опорной поверхности 104 опорной структуры 102, а не в сторону от опорной поверхности 104. В этом варианте сегмент 304А электрода должен иметь угол относительно опорной поверхности больше 90°. Кроме того, наноэмитеры, образованные на расположенном таким образом сегменте 304А электрода, должны ориентироваться слегка вниз к опорной поверхности 104.
В каждом из вариантов осуществления (Фиг.3 и Фиг.4) наноэмиттеры могут также быть образованы на электроде 202 в дополнение к или вместо наноэмиттеров 112 на электроде 116 или 304.
В указанных вариантах осуществления (Фиг.1-4) спейсер 106 или 302 является отдельным элементом для опорной структуры 102.
В варианте на Фиг.5 наноустройство 400 содержит опорную структуру 402, которая обеспечивает объединенные боковые стенки 404 и 406, на которых сформированы соответствующие электроды 408 и 410, т.е. в варианте осуществления на Фиг.5 боковые стенки 404, 406 являются частью опорной структуры 402, а не частью отдельного спейсера. Боковые стенки 404, 406 могут быть выращены на начальной плоской структуре, образующей опорную структуру 402. В другом варианте боковые стенки 404, 406 могут быть образованы удалением материала для образования углубления. Наноэмиттеры 112 образованы на поверхности электрода 408. Боковые стенки 404, 406 обеспечивают наклонные поверхности, т.е. наклоненные вверх в сторону от нижней горизонтальной поверхности 412 опорной структуры 402. Электроды 408 и 410 установлены на наклонных поверхностях. В результате наноэмиттеры 112, образованные на наклонных поверхностях, ориентированы в сторону от нижней горизонтальной поверхности 412. В другом варианте осуществления боковые стенки 404, 406 могут обеспечивать вертикальные поверхности, на которых установлены электроды 408, 410 и которые в основном перпендикулярны горизонтальной поверхности 412. В еще одном варианте осуществления боковые стенки 404, 406 обеспечивают наклонные поверхности, на которых установлены электроды 408, 410 и которые направлены слегка вниз по направлению к горизонтальной поверхности 412.
Электрод 408 имеет первый сегмент 408А и второй сегмент 408В, при этом сегменты 408А и 408В наклонены один относительно другого. Сегмент 408А образован на наклонной поверхности боковой стенки 404, а сегмент 408В образован на верхней горизонтальной поверхности опорной структуры 402. Аналогично, электрод 410 имеет сегменты 410А и 410В, которые наклонены один относительно другого. Сегмент 410А образован на наклонной поверхности боковой стенки 406, а сегмент 410В образован на верхней горизонтальной поверхности опорной структуры 402.
Наноэмиттеры могут быть сформированы на сегменте 410А электрода вместо или в дополнение к наноэмиттерам 112, образованным на сегменте 408А. В различных вариантах осуществления электрод может быть образован на нижней горизонтальной поверхности 412 вместо наклонных поверхностей боковых стенок 404, 406. Крышка 414 размещена над верхней горизонтальной поверхностью опорной структуры 402 с образованием герметичной камеры 416, которая вакуумирована или содержит газ. Нижняя горизонтальная поверхность 412 и боковые стенки 404, 406 определяют выемку, которая образует камеру 416.
На фиг.6 и 7 показано наноустройство 500 согласно следующему варианту осуществления, в котором электроды 502 и 504 наноустройства 500 имеют в основном цилиндрическую форму. В этом варианте осуществления средняя стойка 506 (в основном цилиндрической формы) размещена на опорной поверхности 104 опорной структуры 102. Внутренний электрод 504 сформирован на наружной поверхности средней стойки 506. Спейсер 508 также цилиндрической формы предусмотрен вокруг наружной поверхности внешнего электрода 502. Герметичная камера 512 образована сборкой из крышки 510, опорной структуры 102 и спейсера 508. Цилиндрическое расположение элементов наноустройства 500 предусматривает больший предельно допустимый ток между электродами 502 и 504 вследствие большей площади поверхности электродов и большего количества наноэмиттеров 112. Наноэмиттеры 112 установлены на поверхности электрода 504 и направлены к противолежащему электроду 502. Наноэмиттеры 112 в основном параллельны опорной поверхности 104 на Фиг.6. Как вариант, наноэмиттеры 112 могут быть установлены на электроде 502 в дополнение к или вместо электрода 504.
На фиг.8 показана альтернативная средняя стойка 520, которая может быть использована вместо средней стойки 506 (Фиг.6 и 7). Средняя стойка 520 является в основном конусообразной и должна заставлять электрод 504 также принимать в основном коническую форму, благодаря чему наноэмиттеры 112 будут наклонены вверх в сторону от опорной поверхности 104 опорной структуры 102. В качестве варианта, центральная стойка 520 может быть перевернута верхней стороной вниз так, чтобы наноэмиттеры 112 были наклонены вниз по направлению к опорной поверхности 104 опорной структуры 102.
На виде сверху (Фиг.7) наноустройство 500 имеет в основном круглое сечение. Однако в альтернативных вариантах реализации наноустройство может иметь другую форму сечения, например треугольную, квадратную, гексагональную, пентагональную и другие в основном полигональные формы, включающие формы, имеющие неравные внутренние углы и стороны.
На фиг.9 показана матрица из наноустройств 500, установленных на опорной поверхности опорной структуры 540. Центральные электроды 504 наноустройств 500 соединены с электропроводной линией 530, а внешние электроды наноустройств 500 электрически соединены с электропроводной линией 532. Электропроводные линии 530 и 532 также образованы на опорной поверхности опорной структуры 540.
Благодаря параллельному соединению множества наноустройств 500 может быть достигнут больший предельно допустимый ток. Например, матрица из наноустройств 500 может быть использована при применении источников энергии, например, в качестве переключателя мощности, где желателен большой предельно допустимый ток.
Вместо наноустройств 500 в форме цилиндров может быть использована матрица из наноустройств другого типа, как наноустройства на Фиг.1-5, а также другие типы наноустройств.
В вариантах осуществления на Фиг.1-9 наноустройства показаны как автономные устройства, которые могут быть конфигурированы или как нанодиоды, или как нанопереключатели. На фиг.10 представлено комбинированное наноустройство 600, которое содержит нанодиод 602 и нанопереключатель 604. Спейсеры 610, 612, 614 образованы на опорной поверхности 608 опорной структуры 606. Электрод 616 образован на поверхности спейсера 610, электрод 618 образован на поверхности спейсера 612, электрод 620 образован на поверхности спейсера 612 и электрод 622 образован на поверхности спейсера 614. Наноэмиттеры 619 образованы на поверхности электрода 618, наноэмиттеры 621 образованы на поверхности электрода 620 и наноэмиттеры 623 образованы на поверхности электрода 622. Каждый из электродов 616, 618, 620, 622 наклонен относительно опорной поверхности 608 опорной структуры 606. В этом варианте реализации угол является в основном прямым углом. В альтернативных вариантах реализации могут быть предусмотрены различные углы между электродами 616, 618, 620 и 622 и опорной поверхностью 608. Нанодиод 602 и нанопереключатель 604 (Фиг.10) имеют общую узловую точку, например спейсер 612. Как вариант, нанодиод 602 и нанопереключатель 604 могут также иметь общий электрод путем электрического соединения электродов 618 и 620.
Предусмотренная над спейсерами 610, 612 и 614 крышка 626 обеспечивает образование герметичных камер 628 и 630. Камера 628 содержит газ с высокой диэлектрической постоянной, который распадается при приложении разности потенциалов между концами электродов 620 и 622, большей чем заданная. При распадении газа с высокой диэлектрической постоянной 628 электрический ток протекает между электродами 620 и 622, чтобы заставить переключатель 604 закрыться.
Камера 630 диода 602 может содержать или газ или может быть вакуумирована. При приложении разности потенциалов, большей, чем заданная (которая может отличаться от заданной разности потенциалов для включения переключателя 604), наноэмиттеры 619 излучают электроны, которые заставляют ток протекать от анодного электрода 616 и катодному электроду 618.
В альтернативных вариантах осуществления могут быть предусмотрены другие расположения комбинаций нанодиодов и нанопереключателей. В другом варианте вместо двух отдельных камер 628 и 630 для обеспечения комбинированных нанодиода и нанопереключателя нанодиод и нанопереключатель могут находиться в разных частях одной камеры.
Вышеописанные наноустройства могут быть использованы в различных приложениях. Например, они могут использоваться в устройствах на основе интегральных схем, компонентах, связанных с источниками питания, и так далее. Как показано на Фиг.11, наноустройства 702 могут быть использованы в скважинном приборе 700, который используется в стволе скважины 704. Прибор 700 висит на несущей линии 706. Наноустройства 702 могут быть нанодиодами или нанопереключателями, используемыми для приведения в действие различного типа скважинных устройств, таких как скважинные перфораторы, пакеры, насосы и так далее.
В описании изобретения было раскрыто относительно ограниченное количество вариантов осуществления, но специалисту в данной области очевидны многочисленные модификации и варианты. Прилагаемая формула изобретения охватывает эти модификации и варианты как подпадающие под соответствующие идею и объем изобретения.