Олимпиада "Наноэлектроника"
Неофициальный сайт

1. Структура нанотехнологии.

Нанотехноло́гия — междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, базирующаяся на технологическом, машиностроительном, производственном и научном обеспечении процессов, связанных с манипуляциями атомами и молекулами.

В электронике основными материалами способными заменить кремний являются материалы на основе углерода – углеродные нанотрубки и графен — которые, предположительно, могут стать основой наноэлектроники будущего.[1]

2. Материалы на основе углерода.

2.1. 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.

2.2. 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]

2.3. Способы получения графена.

Существуют различные способы получения графена, каждый из которых имеет свои достоинства и недостатки.

Химический метод
Достоинства: низкая стоимость; высокая производительность.
Недостатки: необходимость достижения полного расслоения графита, помещенного в раствор; отслоенный графен начинает сворачивать и слипаться.

3. Графан.

При химической реакции графена с атомарным водородом образовывается новое вещество – графан. Кристаллическая структура графана, такая же как и графена – двумерная гексагональная.

3.1. 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.

4. Нанотрубки.

Нанотрубки — полые продолговатые цилиндрические структуры диаметром порядка от единиц до десятков нанометров (длина традиционных нанотрубок исчисляется микронами, хотя в лабораториях уже получают структуры длиной порядка миллиметров и даже сантиметров).[1] Углеродные нанотрубки были получены как побочный продукт синтеза фулеренов С60.[4]
Как оказалось, на базе нанотрубок получаются наноматериалы с существенно различными, часто уникальными свойствами. Благодаря разнообразию присадок, число вариантов фуллереновых материалов (полупроводников, металлов, ферромагнетиков, полимеров) исчисляется тысячами, поэтому фуллереновые и фуллеритовые соединения могут считаться строительными трёхмерными наноблоками.[4]
Фулерены – это разновидность молекулы углерода (C60), состоящая из 60 атомов, расположенных на сфере.[4]
Конденсированные системы, состоящие из молекул фуллеренов, называются фуллеритами.[1]

4.1 Свойства углеродных нанотрубок.

1) Обладают большой прочностью на растяжение и изгиб.
2) Высокая электропроводность.
3) Высокая теплопроводность
4) По электронным свойствам могут вести себя как металлы и как проводники.
5) Способны слипаться между собой, формируя наборы, состоящие из металлических и полупроводниковых нанотрубок.
6) Могут принимать разнообразные формы: могут быть одностенными или многостенными (однослойными или многослойными), прямыми или спиральными, длинными и короткими, и т.д.

5. Перспективы применения углеродных наноматериалов.

5.1. 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.

Достоинства:
• Низкое напряжение на затворе;
• Высокая чувствительность;
• Высокое быстродействие;
• Маленькие габариты.

5.2. Память на базе телескопических нанотрубок.
Нанотрубка с вложенной в неё другой нанотрубкой меньшего диаметра образуют осциллятор, достигающий частоты колебаний порядка ГГц.

Рис. 5. Работа нанотрубки как ЗУ.

Пара вложенных одна в другую нанотрубок помещаются между двумя электродами. При подаче заряда на один из электродов внутренняя нанотрубка перемещается в ту или иную сторону под действием сил Ван-дер-Ваальса. На основе таких элементов можно сделать ячейки памяти, имеющие три устойчивых состояния (рис. 5). Два их них соответствуют крайним положениям внутренней трубки. Третье состояние с симметричным расположением трубок обеспечивается слабыми силами межмолекулярного взаимодействия.
Этой разработке присущ один существенный недостаток: образец такой памяти может работать только при очень низких температурах.[5]
5.3.Память NRAM.
Компания Nantero разработала в 2006 г. новый тип энергонезависимой памяти NRAM на базе углеродных нанотрубок. Углеродные нанотрубки играют роль слоя для хранения (запоминания) заряда. Одним из достоинств NRAM-памяти называются высокие скорости чтения/записи. В мае того же года её технология создания устройств на базе углеродных нанотрубок была успешна интегрирована.в КМОП-производство.[5]
5.4. Дисплеи на базе углеродных нанотрубок (FED – дисплеи).
В качестве катодов французской компанией Leti, было предложено использовать массивы углеродных нанотрубок. Такие дисплеи позволят получить хорошее качество широкоформатных изображений, и будут иметь не высокую стоимость. [5]

Приложение.

Таблица свойств углеродных наноматериалов.

Список использованной литературы

1. http://ru.wikipedia.org/wiki/ - свободная универсальная энциклопедия.
2. http://elementy.ru/news/430857 - Графен: новые методы получения и последние достижения, Александр Самардак, опубликовано 30.09.08.
3. http://elementy.ru/news/430782 - Графен оказался прочнее всех, Юрий Ерин, опубликовано. 1.08.08.
4. Ситцев В. И., Нанотехника – современное состояние и перспективы развития. 2004.
5. http://www.iexbt.com/editorial/carbon.shtml - «Углеродное» будущее электроники, Александр Будик, опубликовано 4 мая 2007 г.
6. http://elementy.ru/news/431012 - При взаимодействии с водородом графен превращается в графан, Юрий Ерин, опубликовано 25.02.09.[c][/c][b][color=orange][color=orange]