| Статистика |
Онлайн всего: 1 Гостей: 1 Пользователей: 0 |
|
Углеродная наноэлектроника
Научно-исследовательский ядерный университет
Московский инженерно-физический институт
Факультет «Автоматики и электроники»
Кафедра «Микро- и наноэлектроники»
Курс «Компьютерный практикум»
Углеродная наноэлектроника
Преподаватель: доцент В.А. Лапшинский
Подготовил: студент группы В05-27 К. В. Ивановский
Москва 2013
Оглавление
Словарь терминов
Введение
1 Углеродные наноструктуры
1.1 Фуллерены
1.2 Углеродные нанотрубки
2.3 Графен
2 Применение углеродных наноструктур в электронике
2.1 Переключатель из нанотрубок и фуллерена
2.2 Первая транзисторная микросхема из нанотрубок
2.3 Скоростной графеновый транзистор
Заключение
Список источников
Словарь терминов
Кластер (в химии) — химическое соединение, промежуточное по размеру между молекулой и твёрдым телом, имеющее, как правило, ковалентную связь между атомами и молекулами.
Модуль Юнга (модуль упругости) — физическая величина, характеризующая свойства материала сопротивляться растяжению/сжатию при упругой деформации. В СИ измеряется в ньютонах на метр в квадрате или в паскалях.
Предел прочности — механическое напряжение σB, выше которого происходит разрушение материала.
Хиральность — свойство объекта быть несовместимым со своим отражением в идеальном плоском зеркале.
Введение
Возникшая в середине прошлого столетия полупроводниковая электроника стала одним из самых крупных достижений XX века. К концу столетия полупроводниковая электроника в определённой мере трансформировалась в микроэлектронику. Основные изделия микроэлектроники — интегральные схемы, микропроцессоры, запоминающие устройства — стали основой информационной техники, бытовой электроники, медицины, автомобилестроения, авиации и т. д.
В настоящее время существует множество перспективных материалов и наноразмерных структур для создания компонентов электронной техники. Такими структурами, в первую очередь, являются двумерные структуры в виде слоев наноскопических размеров, одномерные – квантовые нити или провода, и нульмерные – квантовые точки. В качестве современных нанокомпонентов электроники могут использоваться различные по своим физическим и химическим свойствам структуры и наноматериалы. Это, как правило, различные по составу вещества, имеющие различные химические связи и строение кристаллической решетки, а также некристаллические соединения и биообъекты – нуклеиновые кислоты, протеины, вирусы, клетки.
Углерод является химическим элементом IV группы и, как и кремний, проявляет полупроводниковые свойства. Однако до недавнего времени была известна одна полупроводниковая модификация углерода — алмаз, огромная твёрдость которого делала обработку крайне тяжёлой и применение в полупроводниковой техники невыгодным. Теперь же благодаря исследованиям в химии и физике твёрдого тела стали известны такие формы углерода, как фуллерены, нанотрубки и графен, образующие наноразмерные структуры. Об этих структурах и некоторых способах их применения в электронике и пойдёт речь в работе.
1 Углеродные наноструктуры
1.1 Фуллерены
Фуллерены – кластеры из более чем 40 атомов углерода, по форме представляющие шароподобные каркасные структуры. Своим названием фуллерены обязаны инженеру и дизайнеру Ричарду Бакминстеру Фуллеру, чьи геодезические конструкции построены по этому принципу. В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, из которых составлена поверхность сферы или эллипсоида. Самый симметричный и наиболее полно изученный представитель семейства фуллеренов — [60]фуллерен (C60), в котором углеродные атомы образуют усечённый икосаэдр, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников и напоминающий футбольный мяч (Рис. 1) .
Открыты фуллерены были в 1985 году группой физиков и химиков — Робертом Кёрлом, Харольдом Крото, Ричардом Смолли и другими. Учёные исследовали масс-спектры паров графита, полученных при лазерном облучении твёрдого образца, и обнаружили пики с максимальной амплитудой, соответствующие кластерам, состоящими из 60 и 70 атомов углерода.
1.2 Углеродные нанотрубки
В 1991 году были обнаружены длинные углеродные структуры, получившие название нанотрубок. По существу, нанотрубки представляют собой свёрнутые в трубки гексагональные сетки с атомами углерода в узлах. Как правило, верхние концы трубок заканчиваются полусферическими крышечками, каждый слой которых составлен из пятиугольников и шестиугольников. Крышечки напоминают половинку молекулы фуллерена. Помимо однослойных нанотрубок получаются однослойные, вложенные одна в другую. Возможны структуры, напоминающие рулон или свиток.
Нанотрубки являются весьма перспективными структурами с широким потенциалом применения. Они очень прочны: модуль Юнга в пределах 1,28—1,8 ТПа, предел прочности 45 ГПа. (Для сравнения у стали 0,21 ТПа и 2 ГПа соответственно.) Углеродная трубка обладает большой гибкостью и не ломается при изгибах. В зависимости от диаметра и хиральности нанотрубки могут обладать как металлическими, так и полупроводниковыми свойствами.
1.3 Графен
В 2004 году группе британских и российских учёных во главе с профессором Андре Геймом из университета Манчестера впервые в мире удалось получить материал толщиной в один атом. Профессору Гейму впервые удалось отделить атомарный слой от кристалла графита. При этом отделённые атомы сохранили связь друг с другом, образовав «заплатку» из углеродной ткани. Новый материал получил название графен (graphene). По словам соратника Гейма Константина Новосёлова (нобелевского лауреата 2010 года совместно с Геймом), графен имеет несколько преимуществ перед кремнием, но в первую очередь это лучшая электропроводность, при этом ожидается десятикратное увеличение подвижности электронов. Электроны в графене по своим свойствам отличаются от носителей заряда в обычных металлах и полупроводниках и ведут себя в них как безмассовые частицы.
2 Применение углеродных наноструктур в электронике
Здесь приводится несколько примеров построения электронных компонентов из вышеназванных структур.
2.1 Переключатель из нанотрубок и фуллерена
Для создания наноустройств необходимы, в частности, наноразмерные переключатели. Удобным материалом для таких устройств являются углеродные нанотрубки и фуллерены. В теоретической работе немецких ученых [4] рассматривается возможность создания наномасштабного переключателя на чисто углеродной основе (две одностенные нанотрубки и молекула C60 между ними).
Свойства простейшей конструкции (из двух одностенных углеродных нанотрубок и молекулы C60 между ними - Рис.1), которая может служить переключателем, рассмотрели теоретики из Технического университета в Дрездене и Регенсбургского университета. Они исследовали электронный транспорт в такой системе и обнаружили, что проводимость может сильно (более чем на три порядка) меняться при изменении либо ориентации молекулы C60, либо при повороте углеродной нанотрубки (при постоянном d). Это связано с тем, что перекрытие волновых функций для контакта нанотрубка - молекула фуллерена сильно зависит от точной атомной конфигурации. Изменять конфигурацию системы можно с помощью, например, острия сканирующего туннельного микроскопа.
2.2 Первая транзисторная микросхема из нанотрубок
В конце 2009 году. инженеры из Стэнфорда представили чип, изготовленный из углеродных нанотрубок по собственной технологии под названием «СБИС-совместимое удаление металлических нанотрубок» (VLSI-compatible Metallic Nanotube Removal – VMR). Это название говорит о решении одной из главных проблем транзисторов такого типа – металлических нанотрубок, которые пропускают ток всегда, даже когда это не требуется, и могут привести к короткому замыканию. VMR основана на идее разбивать нанотрубки высоким напряжением. Учёные нашли совместимый со СБИС-стандартом способ создания сетки электродов, которая не только изымает неправильно работающие трубки, но и может использоваться для построения разных типов схем.
В представленном на конференции International Electron Device Meeting (IEDM) чипе (Рис. 2) транзисторы сгруппированы в «каскадной» последовательности, необходимой для функционирования вычислительной логики и памяти, и полностью совместимы с современными стандартами интегральных схем. Помимо прочего интегральная схема, показанная стэнфордскими инженерами, обладала трёхмерной «планировкой» и построена была с использованием многослойных углеродных нанотрубок. Такое расположение сокращает затраты энергии, необходимой для передачи данных, и позволяет поместить больше транзисторов на одном чипе.
2.3 Скоростной графеновый транзистор
Компания IBM создала прибор с рекордно высоким для транзисторов на базе графена быстродействием и расширенным диапазоном рабочих температур.
Когда графеновый лист размещают на диэлектрической подложке (обычно — на диоксиде кремния), подложка влияет на поведение одноатомного листа углерода, создаёт эффект рассеивания носителей заряда. Учёные из исследовательского центра Уотсона при IBM решили эту проблему. При помощи химического осаждения из пара они сначала создали на медной плёнке лист графена, а затем перенесли его на подложку из алмазоподобного углерода, в свою очередь расположенную на традиционной для электроники кремниевой пластине.
На этой базе исследователи построили полевой транзистор с затвором длиной всего 40 нанометров (Рис. 3). На испытаниях прибор показал очень высокую частоту среза — 155 гигагерц. Кроме того, авторы прибора проверили его функционирование при криогенных температурах (они негативно влияют на движение зарядов в полупроводниковых приборах). Выяснилось, что новый графеновый транзистор хорошо себя чувствует вплоть до температуры в 4,3 кельвина.
Заключение
Разработанные в последние годы наноэлектронные элементы по своей миниатюрности, быстродействию и потребляемой мощности составляют серьезную конкуренцию традиционным полупроводниковым транзисторам и интегральным микросхемам на их основе как главным элементам информационных систем. От нанотехнологии и используемых ею наноструктурных материалов следует ожидать научно-технических прорывов во многих отраслях знаний и наступления новой индустриальной революции.
При выполнении работы использовался текстовый редактор OpenOffice.org Writer версии 3.2.1.
Список источников
1. Щука А. А. Наноэлектроника. — М.: Физматкнига, 2007. — 464 с.
2. ru.wikipedia.org — Википедия.
3. http://www.membrana.ru/particles/tag/24 — MEMBRANA: Люди. Идеи. Технологии. — Материалы с тегом «нанотехнологии».
4. http://www.scientific.ru/journal/news/n300302.html — Новости науки — Молекулярные переключатели на основе углеродных наноструктур. |
| Категория: Конспекты (курсы КП и ПК) | Добавил: Titor (31.01.2013)
|
| Просмотров: 2892
| Рейтинг: 0.0/0 |
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
|
