Наноэлектроника лит-ра / dragunov

а

б

Рис. 3.19. Схема формирования электрического сигнала в цепи зонд АСМ–нанопроволока ZnO (а); процесс образования заряда и измерения напряжения при прохождении металлического зонда АСМ через проволочку в контактном режиме [41] (б)

измерить на каждой НП, формирует импульсы тока. Таким образом, цепочка НП генерирует электрическую энергию, используя механическую энергию движения зонда.

В работе [42] описано, как на основе данного принципа генерации, теми же разработчиками была построена модель генератора на полимерной подложке, которая помогла исключить АСМ из схемы, удешевить прибор и значительно увеличить мощность генерации.

121

Прежде всего, был разработан метод получения большого массива НП на гибкой подложке. Для этого применялся «химический» синтез при t = 70 С, допускающий почти произвольный выбор подложки, позволяющий почти произвольный выбор материала подложки (включая гибкие полимеры). Подложку, покрытую золотом, помещают в водный раствор нитрида цинка в смеси c (C6H12N4). При выборе оптимальной температуры, концентрации раствора, обработки поверхности можно получить массив НП контролируемого размера и ориентации

(рис. 3.20).

Рис. 3.20. Массив нанопроволочек, полученный на полимерной подложке, покрытой золотом, при температуре менее 100 С из раствора нит-

рида цинка [42]

а б

Рис. 3.21. Схема модельного эксперимента по воздействию механических напряжений на массив нанопроволок с целью выработки электри-

ческой энергии:

а – схема эксперимента; б – электрический сигнал, вырабатываемый «наногенератором»

122

Следующий этап разработки экспериментальной модели автономного наногенератора опубликован в работе [43]. Здесь в качестве механического возбудителя пьезоэлектрического сигнала использовался зигзагообразный кремниевый электрод, покрытый платиной. Подача на него ультразвукового сигнала позволяла генерировать электрический сигнал. Верхний электрод (рис. 3.21) играет при этом роль зонда АСМ при эксперименте с цепочкой нанопроволок [41, 42].

Ультразвуковой сигнал имитирует по замыслу авторов естественные источники механических воздействий, возможных в организме человека. Отмечается, что для получения 1 нА пульсирующего тока необходим массив из 500 нанопролочек.

3.7. Заключение

Вопросы бионаносенсорики возникли из-за потребности контроля и мониторинга окружающей среды (загрязнение воздуха и воды), контроля безопасности производств и медицинской диагностики, расшифровки генома человека. Развитие полупроводниковой нанотехнологии дало инструмент для создания нового типа сенсоров, особенно в области обнаружения патогенных агентов: вирусов, микробов и чужеродных белковых молекул. Эта технология позволила создавать чувствительные элементы, обнаруживающие присутствие единичных экземпляров перечисленных болезнетворных агентов. В сочетании с разработкой модификации поверхности веществами с афинностью к определенным аналитам либо комплементарными к отрезкам ДНК, создание полупроводниковых наносенсоров позволит отказаться от метода меток (флуоресцентных, радиоактивных). Кроме того, использование микроэлектронной (наноэлектронной) планарной технологии позволяет создавать матричные массивы наносенсоров. Это, в свою очередь, дает возможность с помощью системы мультиплексирования, хорошо разработанной, например, для фотоэлементных матриц, легко и быстро идентифицировать адсорбированные на различных сенсорах аналиты. Так как в отличие от метода меток полупроводниковые наносенсоры выдают информацию в виде электрического сигнала, то возможно дистанционное слежение и непосредственная компьютерная обработка информации.

123

Нанопроволочные сенсоры в виде МДПТ на КНИ подложках в настоящее время являются одним из наиболее перспективных приборов для создания многоэлементных нанобиосенсоров [44].

Рассматривается перспектива использования НП биосенсоров в качестве элемента нанобиороботов, внедряемых в организм человека.

Созданы модели автономного питания таких устройств на основе полупроводниковых пьзоэлектрических нанопроволок.

Необходимо отметить, что большая работа по многоэлементному анализу в медицинской диагностике была проделана за последние годы разработчиками биочипов [34]. Значительный успех был достигнут и в диагностике ДНК с помощью кремниевых микроканальных матриц с использованием прямого спектрального анализа [45, 46].

Список литературы

1.Brattein W., Bardin J. // Bell Syst. Techn. J. – V. 32. – N 1. – 1953. /

А.В. Ржанов. Электронные процессы на поверхности полупроводников. – М.: Наука, 1971. – 480 с.

2.Ржанов А.В., Неизвестный И.Г., Росляков В.В. Исследование поверхностной проводимости и поверхностной рекомбинации на образцах германия

//ЖТФ. – 1956. – Т. 26. – № 10. – С. 2142–2153.

3.Ржанов АВ., Неизвестный И.Г. О влиянии адсорбции молекул на германии на параметры поверхностных центров рекомбинации // ФТТ. – 1961. –

Т. 3. – № 11. – С. 3317–3323.

4.Новотоцкий-Власов Ю.Ф., Синюков М.П. Влияние адсорбции полярных молекул на поверхностные свойства германия. Поверхностные свойства полупроводников / под ред. А.Н. Фрумкина. – М.: Изд. АН СССР, 1962. – С. 69.

5.Неизвестный И.Г. О влиянии адсорбции эфира на параметры центров поверхностной рекомбинации. Поверхностные свойства полупроводников / под ред. А.Н. Фрумкина. – М.: Изд. АН СССР. – 1962. – С. 78.

6.Электронные явления на поверхности полупроводников / под. ред. В.И. Ляшенко. – Киев: Наукова думка, 1968.

7.Ржанов А.В. Электронные процессы на поверхности полупроводников. – М.: Наука, 1971.

8.Неизвестный И.Г., Придачин Н.Б. Физика поверхности полупроводников. – Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1994. – Ч. 1.

9.Ramayya E. et al. Electron Transport in Si Nanowires // Jorna of Physics Conference Series. – 2006. – V. 38. – P. 126–129.

10.Нанотехнологии в полупроводниковой технологии / под ред. А.Л. Асеева. – М.: Изд. СО РАН, 2004. – С. 365.

124

11.Драгунов В.П., Неизвестный И.Г., Гридчин В.А. Основы наноэлектроники. – М.: Логос. Физматкнига, 2006.

12.Wu Y., Yang P. Direct observation vapour-liquid-solid nanowire growth // J.Am.Chem.Soc. –V. 123. – 2001. – P. 3165–3166.

13.Y. Wu. et al. Controlled growth and structures of molecular-scale Si nanowires // Nano Lett. – V.4. – 2004. – P. 433–439.

14.Fan Z. Chemical Sensing with ZnO Nanowire // IEEE Trasect. Nanotechnol. – V. 5. – N4. – 2006. – P. 393–396.

15.Kamins T.I. et al. Growth and structure of Chemically Vapor Deposition Ge nanowires on Si Substrate // NanoLett. – V. 4. – 2004. – P. 503.

16.Zakharov N., Werner P., Socolov L., Gosele U. Growth of Si whiskers by MBE: Mechanism and peculiarities // Physica E. – 2007. – V. 37. – N(1-2).– P. 148–152.

17. Гиваргизов Е.И. Рост нитевидных и пластинчатых кристаллов из пара. – М.: Наука, 1977.

18.Lieber C.M., Wang Z.L. Functional Nanowires // MRS Bulletin. – V. 32. – Feb. 2007. – P. 99–107.

19.Smith P. A., Nordquist C. D., Jackson T. N. et al // Appl. Phys. Lett. – 2000. – V. 77. – P. 1399–1401.

20.Y. Huang et al. Science. – 2001. – V. 294. – P.1313

21.D. Whang et al. Nano Lett. – 2003. – V. 3. – P.1255

22.Patolsky F. et al. Nanowire-Based Nanoelectronic Devices in the Life Science // MRS Bull. – 2007. – V.32. – P. 142–149.

23.Cui Yi, Wei Q., Park H., Lieber C.M. Nanowire Nanosensors for Highly Sensitive and Selective Detection of Biological and Chemical Species // Science. – 2001.– V. 293. – P. 1289–1292.

24.Soresten M.H. et al. Screening model for nanowire surface – charge sensors in liquid // Appl. Phys. Lett. – 2007. – V. 91. – P. 102105.

25.Landheer D. et al. Calculation of tye response of field-effect transistors to charge biological molecules // IEEE sensors Jornal. – 2007. – V.7. – N 8.

26.Popov V.P. et al. Properties of extremely thin silicon layer in silicjn-on – insulator structure formed by smart –cut technology // J.Mat.Sci.Eng.B. – 2000. – V. 73. – Р. 82–86.

27.Laws G.M. et al. Molecular control of the drain current in bured channel MOSFET // Phys. Stat. Sol. B. – 2002. – V. 233(1). – P. 83–89.

28.Stern E. et al. Label-free immunodection with CMOS-compatible semiconducting nanowires // Nature, (2007). – Vol. 445. – P. 519–522.

29.Zheng G. et al. Multiplexed electrical detection of canctr markers with nanowire sensor arrays // Nature biotechnology. – V. 23. – № 10. – Oct. 2005.

30.Nicolaides M.G. et al. Silicon-on-insulator based thin film resistor in electrolyte solution for sensor applications // J. Appl. Phys. (2004). – V. 95. – № 7. – P. 381–3815.

31.Wilchek M., Bayer E.A. Method Enzymol. – 184, 49 (1990).

125

32.Багров Д.В. Аналитические характеристики и распознающие элементы биосенсоров // Biosensor Academe. March 30, 2008.

http://www.biosensoracademy.com/rus/readarticle.php?article_id-7

33.Ениколопов Р. Биочипы // Журнал «Компьютерра». – № 41. – 2000. http://offline.computerra.ru/2000/370/5816/

34.Синяков А.Н. Биочипы // Наука из первых рук. – № 5. – 2007. – С. 41–49.

35.Ham D., Westervelt R. The Silicon that Moves and Feels Small Living Things. Mead Enginiring Courses. UC Santa Cruz. March, 24–26, 2008.

36.Shienle M. et al. A fully electronic DNA sensor with 128 position and inpi[el A/D conversion» , ISSCC Dig.Tech.Papers. – P. 220. – Feb., 2004.

37.Augustyniak M. et al. A 24x16 CMOS-based chronocoulometric DNA microarray // ISSCC Dig.Tech.Papers. – Р. 46. – Feb., 2006.

38.Esposti C.S.D. et al. Fully elecnronic CMOS DNA detection array based on capacitance measurement with on-chip analog-digital conversation // ISSCC Dig. Tech. Papers. – P. 48. – Feb. – 2006.

39.Pounthas F. et al. DNA detection on transistor arrays following mutationspecific enzimatic amplification. Appl.Phys. Lett. – V. 84. – № 9. – P. 1594, 2004.

40.Barbaro M. et al. A CMOS , fully integrated sensor for electronic detection of DNA hibridization. // IEEE Electron Dev. Lett. – Vol. 27. – № 7. – P. 595, July 2006.

41.Wang Z.L., Song J. Piezoelectric Nanogenerators Based on ZnO nanowire // Arrays Science. – V. 312 .– 14 April 2006., – P. 242–246.

42.Wang Z.L. Nanowires promise battery-free powering of small devices. // Compaund semiconductor. – V. 13. – N 6. – 2007. – P. 16–18.

43.Wang X. et al. «Direct-current Nanogenerator Driven by Ultrasonic Waves» . Science. – V. 316, 6 April 2007. – P. 102–105.

44.Naumova O.V. et al. SOI nanowires as charge sensjrs // Phys. Stat. Sol , 2008, in press.

45.Vandysheva N.V. et al. Silicon microchannel array for optical DNAsensor», 15th Symp.»Nanostructures: Physics and Technology, Novosibirsk, Russia, June 25–29, 2007.

46.Романов С.И. и др. Кремниевая микроканальная матрица для биочиповых технологий // Нано- и микросистемная техника. – № 9. – 2007. – С. 55–60.

126

Глава 4

Особенности транспорта электронов в 1D-системах

Задача уменьшения линейных размеров используемых элементов – одна из основных в электронике. С развитием нанотехнологий наиболее быстро был достигнут прогресс в уменьшении вертикальных размеров элементов. Уменьшение же размеров в плоскости слоев (латеральных размеров) достигалось значительно сложнее. Именно поэтому

вначале развития наноэлектроники наибольшие успехи были связаны с 2D-системами.

Достигнутый к настоящему времени уровень развития нанотехнологии позволил, используя методики расщепленного затвора [1–3] и зарастания краевого скола [4], металлические точечные контакты [5] и электростатическое упорядочение примесных диполей [6] создавать 1D-системы, имеющие один или несколько одномерных баллистических каналов внутри гетероструктур GaAs/AlGaAs [1–5], кремниевых одиночных квантовых ям (КЯ) и сверхрешеток [6–8], а также одиночных КЯ на поверхности монокристаллов PbTe [9] и 6H-SiC [10].

Альтернативными подходами создания электрически индуцированных квантовых проволок (КП) являются подходы, основанные на использовании пористого кремния (рис. 4.1) [11–13], методов сканирующей и атомно-силовой микроскопии (зондовая нанотехнология) и,

впервую очередь, методов модификации среды между зондом и подложкой и анодирования проводящих дорожек [14, 15], а также введении металлов и полупроводников в наноканалы диэлектрических матриц (пористого кремния, хризотилового асбеста, синтетического опала), рис. 4.2, [16–18]. В настоящее время для создания КП также

127

Рис. 4.3. Совокупность столбиков (whiskers), выращенных на (111) поверхности Si, покрытой пленкой Au (а); регулярная система Si-столбиков, с которых удалены верхушки, содержащие золото (б) [19, 20]

Si

SiO2

Рис. 4.4. Si-нанопроволоки, полученные из столбиков процедурой «окисление – снятие окисла» [19, 20]

129

y

b

L

а

b

б

b

в

Рис. 4.5. Электронные траектории в проводящем канале при диффузионном (а), баллистическом (б) и квазибаллистическом режимах переноса (в)

130