Углеродные нанотрубки
Молекулы углекислого газа СО в присутствии железного катализатора при достаточно высокой температуре образуют шестиугольные молекулы из атомов углерода С60 (фуллерены), которые затем формируют упорядоченную пленку, из которой создаются бесшовные цилиндры — нанотрубки (рис. 10). Нанотрубка — единая молекула, содержащая миллионы атомов. Углеродные нанотрубки (single-walled carbon nanotubes — SWNT) были открыты в 1991 году Sumio Iijima (фирма NEC, Япония). Позже было выяснено, что данные образования имеют двойственную природу: они могут вести себя как проводники или как полупроводники (становящиеся проводниками при подаче напряжения определенной величины) при условии закручивания молекулы в спираль. Подобный дуализм — идеальное сочетание для создания элементов вычислительной техники нанометровых размеров. Геометрические комбинации нанотрубок показали идентичность их свойств диодам, транзисторам, ключевым элементам и другим компонентам существующей кремниевой технологии.
Рис. 10. Схема строения некоторых фуллеритовых структур: а) фуллерит С60; б) фуллерит С70 ; в) однослойная нанотрубка с закрытым торцом.
Нанотрубки со свойствами полупроводников могут использоваться в полевых транзисторах подобно тому, как в них используется кремний. Схематически такой экспериментальный транзистор показан на рис. 11. Приложение к затвору, роль которого играет кремниевая подложка, напряжения от +6 до –2 В меняет величину проводимости канала почти в 105 раз. За несколько лет развития (впервые возможность создания транзистора на нанотрубке была продемонстрирована в 1998 г.) удалось значительно улучшить характеристики нанотрубчатых полевых транзисторов и приблизить их к таковым у лучших «кремниевых» при значительно меньших размерах. На этих принципах (по существу – «кремниевых») удалось построить экспериментальные логические приборы и ячейки памяти.
Рис. 11. Полевой транзистор на основе углеродной нанотрубки диаметром 1,6 нм.
Число идей и практических вариантов использования нанотрубок в наноэлектронике множится с каждым годом. Помимо традиционных подходов использование нанотрубок в электронике предоставляет и уникальные возможности, отсутствующие у кремниевой базы. Так, группой С. Ииджимы – открывателя нанотрубок – в качестве ячейки памяти было предложено использовать короткую, закрытую с двух сторон нанотрубку, в которую помещена молекула фуллерена С60 (рис. 12а). Силы Ван-дер-Ваальса между ними нарастают вблизи концов нанотрубки, что приводит к возникновению двухямного потенциала. Одному крайнему положению молекулы С60 можно приписать логический «0», а другому – логическую «1». Переключение между этими состояниями можно обеспечить, поместив атом металла в полость молекулы фуллерена. Он ионизуется и в результате эндоэдральный комплекс приобретает заряд или дипольный момент. Приложение электрического поля вдоль оси трубки приводит к перемещению этого «челнока» из одного крайнего положения в другое, что и обеспечивает управление ячейкой. Отключение поля не приводит к изменению достигнутого состояния, т.е. реализуется долговременная память без энергопотребления.
Простым и эффективным решением явилось использование прямоугольной сетки нанотрубок одновременно в качестве матрицы ячеек памяти и устройств ввода-вывода (рис. 12б). Такая структура обеспечивает бистабильное электростатически переключаемое состояние в каждом пересечении сетки нанотрубок. Детальный анализ показал, что сила упругости, возникающая в момент, когда верхняя нанотрубка максимально удалена от нижней, и силы Ван дер Ваальса, возникающие при сближении трубок в точке их пересечения, определяют два ярко выраженных энергетических состояния ячейки памяти. В первом состоянии переходное сопротивление между нанотрубками велико, во втором состоянии — мало. Обеспечивая электрически притягивающие и отталкивающие силы между нанотрубками, можно вводить данные. Так как электростатическое воздействие прикладывается только к концу конкретной нанотрубки, а не к каждой ячейке памяти, проблема соединения «макромира» и «микромира» в значительной мере будет решена. В правильно рассчитанной конструкции силы Ван-дер-Ваальса продолжают удерживать трубки в контакте и после
Рис. 12. Запоминающие устройства на нанотрубках: а) с молекулой фуллерена во внутренней полости; б) с локально деформируемыми трубками; в) с изолирующим слоем, содержащим глубокие ловушки электронов.
снятия напряжения, т.е. реализуется ячейка энергонезависимой памяти. Стирание запомненного бита информации можно обеспечить приложением напряжения к трубкам данного узла в одинаковой полярности. Оценки, сделанные на основе анализа сил и результатов экспериментов, учитывающие модули упругости, необходимые зазоры и прогибы «нанострун», показывают, что возможно создание матриц динамической памяти с размерами ячеек 5 5 нм, плотностью записи ~ 1012 Бит/см2 и быстродействием ~ 100 ГГц.
Еще один пример построения запоминающей матрицы на нанотрубках показан на рис. 12в. Верхний слой трубок с металлической проводимостью отделен от нижнего, полупроводникового трехслойным диэлектриком SiO2 – Si3N4 – SiO2. Таким образом, в каждой точке пересечения трубок образуется индивидуальный полевой транзистор. Внутренний слой из нитрида кремния способен захватить инжектированные носители, что сдвигает величину критического напряжения открытия транзистора. Это и положено в основу принципа действия такой памяти, весьма сходного с освоенным в технологии флэш – памяти.
Несмотря на то, что электроника на нанотрубках обладает вполне приемлемыми электрическими характеристиками и может иметь плотность упаковки, недостижимую в кремниевой технологии, для реальной конкуренции с последней необходим переход от лабораторных образцов к массовой технологии. Отдельные ее элементы уже созданы: существует множество способов выращивания и управления ростом нанотрубок, их сортировки и выстраивания в заданные конфигурации, подведения контактов и т.п. Однако все это требует еще увязывания и объединения в единый технологический процесс с экономическими характеристиками, не уступающими кремниевой планарной технологии. Для массового использования этих наработок необходимо научиться выращивать трубки с заданными свойствами в больших количествах и простыми способами соединять их в необходимые электрические схемы. Этого можно добиться различными методами – формируя их в намеченных местах на подложке, пришивая к ним функциональные группы и создавая условия для самоорганизации и сборки и др. Большинство описанных в публикациях устройств на нанотрубках созданы в единичных экземплярах в лабораторных условиях ценой больших затрат времени и труда. Их характеристики не отличаются хорошей воспроизводимостью и надежностью. Так что на пути к массовым технологиям необходимо еще преодолеть немало препятствий прежде всего технического характера.
Большой проблемой на сегодняшний день является задание ориентации нанотрубок и их соединение. Эта задача решается химическим путем так, что на нанотрубках закрепляются химические «бирки», которые самоорганизуют нанотрубки в необходимые конструкции. Данный процесс назван «избирательной функциональностью» (selective functionalization). Бирки притягивают или отталкивают концы нанопроводников и нанополупроводников, создавая функциональные цепи. Однако ряд ученых полагает, что решение такой задачи не под силу современной химии. Они считают, что достаточно для начала хотя бы дополнить существующие предельные кремниевые технологии нанотехнологиями на основе нанотрубок.
Таким образом, нанотрубки могут сами явиться материалом для создания элементов микроэлектронной техники, кроме того, как проводники они потенциально могут обеспечить электрическую связь молекулярных устройств с «внешним миром». Однако существующие самые тонкие «толстые провода макромира» имеют диаметр около 200 нанометров, а толщина нанотрубок составляет лишь около двух нанометров, что соответствует десяти атомам углерода.