Научно-исследовательский ядерный университет Московский инженерно-физический институт Факультет «Автоматики и электроники» Кафедра «Микро- и наноэлектроники»  Углеродная наноэлектроника
Преподаватель: доцент В.А. Лапшинский
Подготовил студент группы А4-11
Биляев А.А.
Москва 23.05.2011
Углеродная наноэлектроника
Введение
Данная работа посвящена углеродной наноэлектронике. В ней рассматриваются последние достижения в области углеродных наноматериалов и перспективы их применения в различных электронных устройствах.
Прорыв в углеродной наноэлектронике
Исследователям IBM удалось справиться с одной из принципиальных проблем электронной индустрии, связанной с использованием графита в качестве материала для создания миниатюрных электронных схем на базе углеродных нанотрубок. Важную роль в современной наноэлектронике играет материал под названием графен (graphene) - он рассматривается многими исследователями как одна из наиболее перспективных альтернатив современным кремниевым транзисторам. Графен можно представить как одну плоскость графита, отделенную от объемного кристалла. Структурно он представляет собой двухмерную сетку из сот, образованных атомами углерода. Эта субатомная пленка демонстрирует многообещающие свойства, крайне важные для создания будущих сверхминатюрных транзисторов и других электронных компонентов.
 Рис.1 Нано-транзистор из одного слоя графена
Одна из проблем использования таких наноустройств - обратно пропорциональная зависимость между размером устройства и мощностью генерируемого им неуправляемого электрического шума (правило Hooge). Чем миниатюрнее становятся устройства, тем интенсивнее и электрический шум - заряды, которые бесконтрольно блуждают по микросхеме, сводя ее полезность к нулю. Если в кремниевых микросхемах этот шум удавалось нивелировать с помощью различных технических хитростей, то в углеродной наноэлектронике уровень шума настолько высок, что извлечь полезный сигнал становится очень трудно. Эффект электрического шума на наноуровне возрастает многократно из-за того, что размеры полупроводникового элемента здесь становятся сопоставимы с размерами атомов: на этом уровне генерируемый шум может превосходить по амплитуде полезный сигнал. Впервые прототип нано-транзистора из одного слоя графена был предложен в 2004 году, однако тогда в силу аномально высокого шума в канале транзистора он рассматривался лишь в качестве концептуальной модели и не более. Недавно исследователи создали такой же элемент с двумя слоями графена вместо одного (расположенными друг над другом), и результат оказался ошеломляющим, - оказалось, что электрический шум подавляется и становится в достаточной степени мал; сильное электронное взаимодействие между слоями графена препятствует сложению источников шума, в результате шум был на 5 порядков меньше, чем в начальном прототипе. Иными словами, так называемая двухслойная графеновая лента (bilayer graphene ribbon) становится своего рода шумоизолятором. Материалы на основе углерода Графен Графен – это двумерный кристалл, состоящий из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решетку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла. [1]. В октябре 2004 года в журнале Science была опубликована работа, где сообщалось, что исследователи из Манчестерского университета Андре Гейм и Константин Новоселов получили монослой атомов углерода, используя обычную ленту – скотч для последовательного отделения слоев от обычного кристаллического графита.[2]. Рассмотреть его удалось, поместив на подложку из оксидированного кремния. Свойства графена 1) Прозрачен, т.к. является планарной углеродной структурой из одного слоя атомов; 2) Обладает высокой подвижностью зарядов (приблизительно в 100 раз выше, чем у кремния, и в 20 раз выше, чем у арсенида галлия) при комнатной температуре [3]; 3) Небольшим удельным сопротивлением; 4) Обладает хорошей теплопроводностью (коэф. теплопроводности приблизительно равен 5000 Вт/м*К); 5) Является самым прочным из известных на данный момент веществ, модуль Юнга E=1,0 ± 0,1 ТПа Исследователям из Корнеллского университета из листа графена создали мембрану толщиной всего в один атом углерода, и надули ее, как воздушный шарик. Такая мембрана оказалась достаточно прочной для того, чтобы выдерживать давление газа в несколько атмосфер.[2] Способы получения графена Существуют различные способы получения графена, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.  Рис. 2. Методы получения графена Достоинства: позволяет получать графеновые слои высокого качества для фундаментального исследования. Недостатки: трудно получить пленку фиксированного размера и формы; невозможность обеспечения автоматизированного производства. Химический метод Достоинства: низкая стоимость; высокая производительность. Недостатки: необходимость достижения полного расслоения графита, помещенного в раствор; отслоенный графен начинает сворачивать и слипаться. Графан При химической реакции графена с атомарным водородом образовывается новое вещество – графан. Кристаллическая структура графана, такая же как и графена – двумерная гексагональная. Свойства графана 1) Сростом температуры T сопротивление уменьшается, как и у полупроводников. 2) При переходе от температуры 300 К к температуре жидкого гелия ( около 4 К ) графан становится диэлектриком. Переход металл–изолятор в гидрированном графене — графане. Красные круги и зеленые треугольники отображают температурную зависимость сопротивления чистого и отожженного графена соответственно. Синие квадраты — температурная зависимость сопротивления графана. Сплошная кривая — аппроксимация зависимости ρ(T) функцией exp[(T0/T)1/3]. Рис. из обсуждаемой статьи в Science
 Рис. 3. Зависимость сопротивления от температуры
3) Реакция гидрирования графена является обратимой и графан можно снова превратить в графен. Перспективы применения углеродных наноматериалов Транзисторы Графеновый транзистор – одноэлектронный полупроводниковый прибор. По каналу такого транзистора, имеющего ширину всего несколько нанометров, может проходить только один электрон. То есть появляется возможность управлять полупроводниковым приборам всего одним электроном.[5]
 Рис. 4 Графеновый транзистор
Достоинства: • Низкое напряжение на затворе; • Высокая чувствительность; • Высокое быстродействие; • Маленькие габариты. Заключение Данная тема представляет огромный интерес, поскольку наука электроника идет по пути уменьшения размеров элементов, а материалы на основе углерода могут заменить кремний, что позволит перейти от микро – размеров к нано – размерам, и стать основой наноэлектроники. Литература 1. Будик А., «Углеродное» будущее электроники, 2007. // http://www.ixbt.com/editorial/carbon.shtml 2. Ерин Ю., При взаимодействии с водородом графен превращается в графан, 2009 // http://elementy.ru/news/431012 |