Основы наноелектроники / Основы наноэлектроники / ИДЗ / Книги и монографии / Нанотехнологии (Пул), 2005, c.325

Содержание

2.2. Структуры энергетических ЗОН . • . •• .. • . •• . • ... ••• .. • .. • ... .34

(:,. Содержание

6.2.2. Теоретическоепредсказаниекристаллическихрешеток

~Содержание

9.3.2.Размерность объекта и электроны проводимости .....206

9.3.3.Ферми-газ и плотностъ СОСТОЯНИЙ . • .... • ..... • . •• .206

ГЛАВА 1.

ВВЕДЕНИЕ

Приставканановообще означаетоднумиллиардную (10-9) чего-либо. Нанотехно­ логия имеет дело с разнообразными структурами вещества, характерный размер которых - порядка миллиардныхдовей метра. ХОТЯ слово ванотехнология являет­ ся относительно НОВЫМ, устройства и структуры ванометровых размеров не новы. На самом деле они существуют на Земле столько же, сколько существует сама жизнь. Моллюск морское ушко выращивает очень прочную, переливающуюся из­ нутри раковину, склеивая прочные наночастички мела особой смесью белков с yr- леводами. Трещины, появляющиеся снаружи, не могуграспространяться в ракови­ не из-за наноструктурированных кирпичиков. Раковины являются природной де­ монстрацией того, что структуры, сформированные из наночастиц, могут Быть намного прочнее материала, однородного в объеме. Как и почему наноструктури­ рование может дать более прочные материалы, будет обсуждаться в главе 6.

В точности неизвестно, когда человек впервые начал использовать преиму­ щества наноразмерных материалов. Есть сведения, что в четвертом веке нашей эры римские стекловары делали стекло, содержащее ваночастицы металлов. Из­ делие этой эпохи, называемое чашей Ликурга, находится в Британском Музее. Чаша, изображающая смерть короля Ликурга, сделана из стекла на основе натро­ вой извести, содержащего наночастицы серебра и золота. Цвет чаши меняется с зеленого на темно-красный при помещении в нее источника света. Огромное разнообразие прекрасных цветов витражей в средневековых храмах объясняется

присугствием металлических наночастиц в стекле.

Потенциальная важность маленьких частичек - кластеров была осознана ир­ ландским (по рождению) химиком Робертом Бойлем и обсуждена в его труде еХи­ мик-скептик» в 1661 году. В нем БоЙЛЬ критикует воззрения Арисготеля на мате­ рию, состоящую из четырех первооснов: земли, огня, воды и воздуха. Вместо это­

го он предполагает, что крошечные частички вещества соединяются разными

способами и образуют таким образом то, что он называл корпускулами. Он описы­ вает их как «крошечные массы, ИЛИ кластеры, которым тяжело быстро разложить­

ся на составляющие их частицы».

Фотография, зрелая и продвинугая технология, развитая в XVIIl-XIX вв., ос­ новываетсянаобразованиинаиочастицсеребраподдействиемсвета. Фогопяенка-. это эмульсия галогенида серебра, например, бромида серебра в желатине, нане­ сенная на основу из прозрачногоацетатацеллюлозы. Свет разлагаетгалогенидсе­ ребра с образованием наночастицчистого серебра, которые и являются пикселя­ ми изображения. В конце восемнадцатоговекаанглийскиеученые Томас Уэджвуд и сэр Хзмпфри Дзви смогли получить изображение, используя нитрат и хлорид серебра, но эти изображения не были долговременными. Множество француз­ ских и английских ученых работало над этой npоблемой в девятнадцатом веке, в том числе Дагер, Ньепс, Толбот, Арчер, Кеннет. Интересно, что Джеймс Клерк Максвелл, создавшийтеорию электромагнитногополя, получил в 1861 году пер­ вую цветную фотографию. Около 1883 года американский изобретатель Джордж

~ Глава 1. Введение

ИСТМЭН, основавший впоследствии корпорацию «Кодак», сделал пленку из ДЛИН­ ной бумажной полоски, тюкрытой галогенидом серебра. ПОТОМ он усовершенство­ вал пленку, сделав ее гибкой. ВоЗМОЖНОСТЬ скручивать пленку в рулон сделала фо­ тографию широкодоступной. Таким образом, технология, основанная на исполь­

зовании наноразмерных материалов, на самом деле не так уж нова.

В 1857 году Майкл Фарадей опубликовал статью в «Философских Трудах Коро­ левекоro ОБЩества», в которой он предпринял попытку объяснить, как металличес­ кие включения в витражном стекле ВЛИЯЮТ на его цвет, НО первым объяснение зави­ симости цвета стекла от вещества металлических включений и их размера смог датъ Густав Ми в работе, опубликованной в 1908 шду в «Анналах Физики» в Лейпциге.

Ричард Фейнман был награжден Нобелевской премией в 1%5 году за создание теории квантовой электродинамики, предмета весьма далекого от нанотехнояогии. Фейнман был также чрезвычайно одаренным и ярким учителем и лектором. ОН считается ОДНИМ из величайших физиков-теоретиков своего времени. Его интере­ сы простирались очень широко, от игры на барабанах бонго до попыток расшиф­ ровки письменности майя. Можно составить свое представление о широте его ин­ тересов и остроумии, прочитав его замечательную автобиографическую книгу «Вы, конечно, шугите, мистер Фейнман». В 1960 году на собрании Американского Фи­ зического Общества он прочитал провидческую и пророческую лекцию под назва­ нием «Там внизу еще очень много места», где фантазировал натему вероятности со­ здания и потенциальных возможностей наноразмерны:х материалов. Он представ­ лял себе гравирование линий шириной в несколько атомов посредством электронного пучка, предсказав таким образом осуществление электроннолучевой литографии, исгюяьэуемой сегодня для изтотовления кремниевых чипов. ОН пред­

лагал манипулирование отдельными атомами для создания новых малых структур с очень разными свойствами. И это в самом деле бьmо реализовано посредством сканирующего туннельного микроскопа, что будет обсуждаться в главе З. Он мыс­ ленно видел создание электрических цепей нанометровых масштабов для исполь­ зования их в более мощных компьютерах. Как и многие современные исследовате­ ли в этой области, он осознавал существование наноструктур в биологических сис­ темах. Множество фейнмановских измышлений стало реальностью, однако его идеи не нашли отклика у ученых того времени. Возможно из-за его репутации лю­ бителя пошутить, реакцию многих слушателей на услышанное лучше всего можно описать словами заглавия той самой книги, «Вы, конечно, шугите, мистер Фейн­ ман». Сейчас среди исследователей в области нанотехнологии эта лекция, разуме­ ется, является легендарной, но, как сказал один ученый, «она бьmа столь провидче­ ской, что не доходила до людей, пока до нее не дошла технология».

Были и другие провидцы. У Ральфа Ландоера, работавшего в 1957 году на IBM, были идеи о наномасштабнойэлектронике.он понималважнуюроль, ко­ торую могутигратьквантово-механическиеэффектыв такихустройствах.

Хотя Фейнман представил свою лекцию-предвидениев 1960 году, и в 50-х, и в БО-х годах проводились эксперименты на мелких металлических частицах. Тогда это не называлось нанотехнологией, да и не являлось ею по большому сче­ ту. Ухлир сообщил о первом наблюдении пористого кремния в 1956 году, но инте­ рес к нему появился толь~о после того, как в 1990 году в этом материале обнару­ жили флюоресценцию при комнатной температуре. Свойства пористого кремния

обсуждаются в главе 6. Другая работа того времени была связана с созданием на­

ночастиц щелочных металлов посредством испарения натрия ИЛИ калия с после­

ДУЮЩИМ осаждением на более холодной подложке. В 60-х годах были получены ферромагнитные жидкости, состоящие из ваночастиц ферромагнетика, диспер­ гированных в жидкости. Частицы создавались помолом в шаровой мельнице с жидкостью в присутствии поверхностно активного вещества. Множество инте­ ресных свойств и применений таких жидкостей будет обсуждаться в главе 7. Дру­ гим активно развивавшимоя в 60-е годы направлением был электронный пара­ магнитный резонанс (ЭПР) электронов проводимости в металлических частицах наноразмеров, называемых в то время коллоидами. Частицы создавались посред­ ством теплового разложения и облучения твердых тел с положительными ионами

металлов и отрицательными молекулярными ионами, такими как азиды натрия

и калия. В самом деле, тепловое разложение таких веществ является одним из ме­ тодов получения наночастиц, что будет обсуждаться в главе 4. Особенности

структуры металлических наночастиц, такие как существование магических чи­

сел, были обнаружены в 70-х годах при масс-спектроскопии в натриевых пучках. Херман с соавторами измерили ионизационный потенциал кластеров натрия в 1978 году и пронаблюдали его зависимость от размера кластера, что привело к созданию модели желе для кластеров, обсуждаемую в главе 4.

Группы в Bell Laboratories и IВM в начале 70-х годов создали первые двумер­ ные квантовые ямы посредством выращивания тонких (зпитаксиальных) пле­ нок, что позволяет формировать одноатомные слои полупроводника. Эта работа

положила начало развитию промышленных методов получения нуль-мерных

квантовых точек, которые в настоящее время развились в-коммерческую техно­ логию. Квантовые точки и их приложенив обсуждаются в главе 9.

Однако только с появлением соответствующих методов формирования наност­ руктур в 80-х годах активность на этом поприще существенно возросла, что и при­ вело к получению множества важных результатов. В 1981году был реализован спо­ соб получения малых металлических кластеров, использующий высокоэнергетич­ ный сфокусированный лазерный луч для создания горячей плазмы при испарении металла. он обсуждается в главе 4. Поток гелия охлаждает пар, конденсируя атомы металла в кластеры разных размеров. В 1985 году этот метод был использован для получения фуллерена С60. В 1982 годудвое российских ученых, Екимов и Омущен­ ко, сообщили о первом наблюдении квантовой локализации, что обсуждается в главе 9. В этом же десятилетии г.к.Биннигом и Х.Роером был создан сканирую­ щий туннельный микроскоп, за что в 1986 году им быда вручена Нобелевская пре­ мия. Изобретение сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и атомно-сило­ вого микроскопа (АСМ), описанных в главе 3, дало новые важные средства наблю­ дения, изучения и атомного манипулирования в нанообъектах. В 1987 году БДж. ван Вис и Н. ван Хуген из Нидерландов наблюдали ступени на вольтампер­ ных характеристиках точечных контактов. Подобные ступени наблюдали и Д. Ва­ рам и М. Пеппер в Кембридже. это были первые наблюдения :квантования прово­ димости. В этожевремя ТА. Фултони г.Дж. Долан из Bell Laboratories создали пер­ вый одноэлектронный транзистор и наблюдали кулоновскую блокаду, что обсуждается в глaвt? 9. Этот период отмечен развитием методов создания малых структур, таких как электронно-лучевая литография, дающая возможность делать