Наноэлектроника лит-ра / dragunov

подложками специальных калиброванных по размеру частиц (например, шариков).

Рис. 2.45. Типичная конструкция межэлектродного пространства ЖКД

И, наконец, необходимо к описанной конструкции присоединить источник света. Особенность его конструкции состоит в том, что он не должен изменять «плоскостности» ЖКД. Одна из таких конструкций приведена на рис. 2.46.

Рис. 2.46. Система освещения ЖКД

2.6.5.Плазменные дисплеи

Впоследнее время довольно широко стали применяться плазменные дисплеи (ПД). Принцип работы ПД мало отличается от люминесцентных. Так же как и в ЭЛД, светящимся элементом в ПД является люминофор, который, однако, светится не под влиянием приложенного напряжения, а под воздействием фотонов. Эти фотоны возникают в плазменном разряде инертного газа, находящегося между обкладками каждого пикселя ПД, при приложении к обкладкам высокого напряже-

91

ния. Иначе можно сказать, что каждый пиксель представляет собой миниатюрную флуоресцентную лампочку. В зависимости от природы люминофора каждый пиксель излучает один из основных цветов (красный, зеленый, синий). Для постоянного свечения плазмы необходимо на прозрачных электродах поддерживать переменное напряжение. Изменение в величине этого напряжения на других специальных электродах обеспечивает изменение интенсивности свечения пикселя. Понятно, что для получения хорошего разрешения размер пикселя должен быть минимальным, а количество очень большим. Основной трудностью при изготовлении пикселей ПД является создание надежных и минимальных по размеру перегородок между пикселями. Эти перегородки должны обладать большим отношением высоты к ширине (аспектное соотношение) для максимально полезного использования площади ПД и надежно примыкать к обкладкам для разделения пикселей друг от друга (рис. 2.47). Проводники для подвода высокого напряжения на передней панели должны иметь высокую прозрачность. В настоящее время минимальный достигнутый размер пикселя составляет доли миллиметра.

Рис. 2.47. Схематическое изображение фрагмента плазменного дисплея

Перечисленные конструктивные сложности, а также необходимость использования большого напряжения на высоких частотах (следовательно, высокого энергопотребления) не позволяют пока широко использовать ПД в портативных устройствах.

92

Список литературы

1.Секен К., Томпсон М. Приборы с переносом заряда. – М.: Мир, 1978.

2.Барби Д.Ф. Приборы с зарядовой связью. – М.: Мир, 1982.

3.Пресс Ф.П. Фоточувствительные приборы с зарядовой связью. – М.: Радио и связь, 1991.

4.Bayer B. Color imaging array // U.S. Patent № 3,971.065, 1976.

5.Nozaki K. et al. Color Sensor // U.S. Patent № 4,677,289, 1987.

6.Gay N. et. al. Vertically Integrated Solid State Color Imagtr // U.S. Patent

№4,581,625, 1986.

7.Chouikha B. et. al. Photodetector Based on Buried Junctions and a Corresponding Method of Manufacture // U.S. Patent № 5,883,421, 1999.

8.Sommerl M. et. al. First Multispectral Diode Color Imager With Three Color Recognition And Color Memory In Each Pixel // 1999 IEEE Workshop on CCDs and Advanced Image Sensors, Nagano, Japan, June 10–12, 1999.

9.Stanovski B. et al. Amorphous Silicon Based Unipolar Detector for Color Recognition // IEEE Transections on Electron Devices, 46. – № 5. – 1999. – P. 884.

10.Merril R.D. Color Separation in an Active Pixel Cell Imaging Array Using a Triple-Well Structure // U.S. Patent № 5,965,875, 1999.

11.Lyon R., Hubel P. Eyeing the Camera: Into the Next Century // IS&T/TSSD 10th Color Imaging Cjnference, Scottsdale, FZ, USA, 2002 – P. 349–355.

12.Bolotov V.V., Efremov M.D., Fedina L.I., Lipanatnikov T.A., Volodin V.A., Neizvestny I.G. // Proc. Spring Meeting Mat. Res. Soc.; San Fran.USA, 1993. – P. A9.54.

13.Efremov M.D., Bolotov V.V., Volodin V.A. et al. Excimer laser and rapid thermal annealing stimulation of solid-phase nucleation and crystallization in amorphous silicon films on glass substrates // J. of Physics: Condens. Matter. – 1996. – V. 8. – P. 273–286.

14.Неизвестный И.Г., Ефремов М.Д., Зырянов В.Я. и др. Структурно упо-

рядоченные жидкокристаллические композиты, управляемые матрицей тон-

копленочных транзисторов: оптоэлектронные устройства нового поколения // Всероссийской совещание «Нанофотоника-2003», Нижний Новгород. –

С. 493–495.

15.Конколович А.В., Пресняков В.В., Зырянов В.Я. и др. Интерференцион-

ное гашение света, проходящего через монослойную пленку капсулированных полимером нематических жидких кристаллов // Письма в ЖЭТФ– 2000. – V. 71. – С. 710–713.

16.Жаркова Г. М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. – Новосибирск: Наука, 1994.

93

Глава 3

Полупроводниковые нанопроволочные сенсоры

Наличие в заголовке понятия «нанопроволока» требует прежде всего определения используемого термина и технологии создания этого объекта. Классическое определение нанопроволоки означает уменьшение размера образца по двум координатам до величины, сравнимой с длиной волны де-Бройля. Это, грубо говоря, сотня ангстрем (десятки нанометров), что, как известно, приводит к квантованию энергетического спектра электронов по этим двум координатам со всеми вытекающими последствиями. Проводимость в направлении третьей координаты можно в первом приближении считать происходящей по классическим законам.

Для создания нанопроволоки (НП), применяемой в качестве приборной структуры-сенсора (или ее активной части), применяется ряд НАНОТЕХНОЛОГИЙ.

В настоящее время еще не существует устоявшегося понятия, содержащего описание этого процесса и метода его использования. Но все-таки, проанализировав имеющуюся литературу, можно использовать определение, близкое к наиболее часто используемому «нанотехнологическим сообществом».

Нанотехнологии – это методы и способы модификации вещества, позволяющие целенаправленно работать со структурами размером в дипазоне от 1 нм до ~ 100 нм с целью получения объектов с принципиально новыми химическими, физическими или биологическими

94

свойствами. Необходимо подчеркнуть – именно получение новых свойств – по мнению многих крупных специалистов, только это и дает право на использования термина НАНОТЕХНОЛОГИЯ.

Справедливости ради необходимо отметить, что несмотря на бурное развитие, нанотехнология находится только в начале пути, и вполне очевидно, что данное определение будет изменяться и совершенствоваться.

Хотелось бы предостеречь читателя от восприятия (а может быть от введения) всерьез таких терминов, как «наномедицина», «наномеханика» и совсем уж одиозного – «нанонаука».

Нужно помнить, что нанотехнология – это работа с материей на атомарном (наноскопическом) уровне. И переносить размер исследуемых частиц, их ансамблей и композиций на название всей области науки или техники, где используются новые свойства материи, обусловленные переходом к манипулированию этими объектами, не всегда правомочно. В некоторых изданиях стало встречаться слово «нанонаука», которое, если вдуматься, звучит уже одиозно, хотя надо признать, что во многих случаях словосочетания нанофизика, наноэлектроника (по аналогии с микроэлектроникой) сейчас являются общепринятыми и широко используются.

В медицине (очень не хочется вслед за большинством авторов использовать термин наномедицина) также сложилась практика применения нанотехнологий. Основными направлениями их применения являются разработка высокочувствительных наноразмерных биомаркеров в целях диагностики заболеваний и контроля за лечением, визуализация патологических процессов, разработка адресной доставки лекарств с помощью наночастиц и создание нанороботов для исправления клеточных и молекулярных дефектов в организме.

3.1.Общие проблемы химических

ибиологических сенсоров

Одним из наиболее востребованных и перспективных направлений использования нанотехнологий в биологии и особенно в медицинской диагностике является разработка биосенсоров.

Биологические (химические) сенсоры предназначены для качественного и количественного анализа биологических и химических ве-

95

ществ в минимальных количествах, вплоть до обнаружения единичных молекул, клеток и микроорганизмов.

Подобные сенсоры обычно включают в себя три основных элемента (рис. 3.1):

рецепторный слой – распознающий элемент. Это различные вещества, способные селективно взаимодействовать с объектом исследования (аналитом), который необходимо обнаружить, и практически не взаимодействующие с другими веществами, находящимися в растворе;

преобразователь (transducer) – преобразующий биологическое или химическое взаимодействие аналита с рецептором на поверхности сенсора в электрический сигнал;

систему усиления, обработки и отображения полученного с сенсора сигнала.

Рис. 3.1. Блок-схема химического сенсора

Последний элемент является хорошо разработанным для огромного количества других систем сбора данных, поэтому его мы не будем рассматривать.

Первый из названных элементов имеет зачастую главное значение для решения проблем селективности, но является предметом разработки химиков и биологов, поэтому также не будет рассмотрен здесь подробно. Мы будем только иногда приводить название рецептора для определенности.

Итак, подчеркнем еще раз, что биологические (химические) нано-

биосенсоры – это интегральные приборы нанометрового размера, состоящие из биологического или химического селективного материала и электронного преобразователя. Последний преобразует факт взаимодействия исследуемого агента (аналита) с поверхно-

96

стью преобразователя, покрытого рецепторным слоем, в электрический сигнал.

Уже из этого краткого введения понятно, что предполагаемый высокочувствительный биосенсор, да еще и наноразмерный, может быть создан только коллективом ученых, включая физиков, инженеровэлектронщиков, биологов, врачей.

Переход от биосенсоров обычного размера к нанобиосенсорам обусловлен требованием кардинального увеличения чувствительности, селективности и возможностью дальнейшей автоматизации и компьютерной обработки полученных электрических сигналов.

Цели и задачи настоящей главы – прежде всего показать технологию приготовления, принцип действия НП полупроводниковых сенсоров и привести некоторые конкретные примеры использования таких биологических (химических) сенсоров.

3.2.Физические принципы работы химических и биологических сенсоров

Принцип действия названных сенсоров основан на способности тонкого образца полупроводника изменять полную проводимость (кондактанс) при изменении зарядового состояния на поверхности.

Всередине 50-х годов XX века интерес к влиянию поверхности полупроводника на стабильность полупроводниковых приборов привел к всплеску работ на эту тему. Первой целенаправленной работой в этой области можно назвать статью Нобелевских лауреатов, изобретателей транзистора Бардина и Бреттейна [1].

Вэтой работе авторы исследовали влияние на работу выхода электронов с поверхности германия воздействия влажного, сухого кислорода и озона. Имелось в виду, что вода при адсорбции привносит на поверхность положительный заряд, озон отрицательный, а сухой кислород – нейтральная среда. Эксперименты подтвердили это предположение.

Одним из прямых экспериментов влияния этого «газового цикла

Бардина–Бреттейна» на проводимость тонкого (20 5 0,5 мм) образца германия был проведен в ФИАНе группой сотрудников под руководством А.В. Ржанова [2].

Из рис. 3.2 видны достаточно четкие изменения, которые фиксировались на уровне долей процента.

97

Далее этим же коллективом исследовалось воздействие на проводимость германиевых образцов бензола, эфира, амилового спирта, нитробензола и т.д. [3–5]. Во всех случаях было обнаружено влияние адсорбции молекул этих веществ на проводимость полупроводника.

В этом же направлении проводили работы также группы ученых под руководством В.Е. Лашкарева и В.И. Ляшенко в Киеве, В.Ф. Кисилева – в Москве, П.П. Конорова – в Ленинграде.

Физический смысл наблюдаемых явлений заключался в способности тонкого образца полупроводника (в пределе нанопроволоки) изменять свое сопротивление в зависимости от того, сколько и каких (знак + или -) заряженных частиц появится на его поверхности.

Хотя механизм возникновения «поверхностной проводимости» описан достаточно подробно в работах [6 – 8], напомним кратко, о каком физическом параметре идет речь.

Из рис. 3.3 видно, что появление на поверхности полупроводника n-типа положительного заряда или подключение положительного на-

98

пряжения к полевому электроду (затвору) притягивает для экранировки из объема электроны (отрицательный заряд). Электроны (основные носители) приходят через омические контакты из внешней цепи и сосредоточиваются у поверхности в слое толщиной, приблизительно равной длине экранирования Дебая. При этом общая проводимость образца увеличивается.

Разность полных проводимостей образца полупроводника при данном значении поверхностного электростатического потенциала и его значении, равном нулю, и получила название поверхностной проводимости.

В современной литературе о полупроводниках чаще можно встретить исследование просто изменения полной проводимости образца, которому присвоили термин – кондактанс G.

LОПЗ ~ λ

n-тип

+

s

p-тип

–

Рис. 3.3. Зонная диаграмма приповерхностного слоя пространственного заряда:

φs – расстояние от середины запрещенной зоны до уров-

Исходя из этих рассуждений можно записать, что концентрация электронов в любой точке пространственного заряда (z) равна n(z) = = n0 exp (Yz), а на поверхности

nS = n0 exp (YS).

Понятно, что для толстого (по сравнению с длиной экранирования) образца изменения кондактанса (ΔG) за счет ОПЗ будут малы.

Посмотрим, что произойдет, если мы будем уменьшать толщину образца (рис. 3.4.)

Рис. 3.4. Изменение соотношения величины ОПЗ и объема образца по мере уменьшения его толщины; d – толщина прямоугольного

образца, а λ – толщина ОПЗ

Если толщина образца намного превышает длину экранирования λ << d, то приповерхностный слой дает малый вклад в общую величину проводимости. Соответственно и изменения проводимости при изменении зарядового состояния поверхности будут малы. Изменение проводимости можно охарактеризовать соотношением G/ G = λ/d , либо, если говорить о цилиндрическом образце c радиусом R (в пределе нанопроволока, т.е. образцы с нанометровым диаметром), то можно записать G/ G = λ/R.

Понятно, что собственно изменение поверхностного вклада в изменение проводимости будет зависеть от изменения изгиба зон (ΔYs).

По мере уменьшения толщины образца и особенно в случае, когда она станет сравнимой с длиной экранирования (λ ≥ R), вклад ОПЗ при изменении поверхностного заряда станет определяющим (рис. 3.5).

В этом случае, определив проводимость цилиндра (нанопроволоки)

как

G = n πR2 qμ/L,

100