Плешаков Никита. Синтез прецизионных нанообъектов применяющиеся в наноэлектромеханических приборах

Актуальность

Проблема создания и исследования наноструктур с контролируемыми размерами и заданными свойствами входит в число важнейших проблем нашего времени, прежде всего, потому, что ее решение приведет к революционным изменениям в наноэлектронике, наномеханике, биологии, медицине, материаловедении и других областях. Многие государства имеют свои национальные программы по нанотехнологии. Большой интерес к нанотехнологии и успехи последних лет в этой области позволяют надеяться на создание в ближайшие годы новых материалов и новых приборов. Отметим, что производство наноприборов можно будет организовать только если погрешность в соблюдении размеров при изготовлении элементов будет меньше 3 %. Надо также изменить и наше представление о требованиях к размерам и форме наноэлементов, которые должны быть прецизионны, последнее связано с тем, что такие квантовые явления как туннелирование, размерное квантование, сильно зависят от размеров.

Некоторые развивающиеся направления

- Направленное сворачивание пленок (мезаструктур)

- Формирование разнообразных по форме структур

- Сборку из оболочек сложных конструкций

- Формирование прецизионных в 3-х измерениях наноструктур

Технологии создания наноструктур

Тop-down – это подход вырезания наноструктур из исходного материала, использующий литографию (электронную, рентгеновскую, с помощью сканирующих зондов)

Bottom-up – метод использующий химический синтез и сборку наноэлементов из отдельных атомов или молекул на подложке

Нанотрубки

Недавно впервые продемонстрированна возможность освобождения сверхтонких напряженных слоев с минимальной толщиной в два монослоя. Было показано, что такие освобожденные пленки самоформируются в нанотрубки с диаметром до 2 нм. По существу рассматриваемая ниже технология является молекулярной технологией, в которой ключевую роль играют твердотельные молекулы.

Рис. 1 демонстрирует метод формирования нанотрубок на примере полупроводниковой гетеропленки GaAs/InAs с толщиной слоев 2ML. Постоянные решеток слоев GaAs и InAs значительно различаются: Δа/а = 7.2%. В процессе эпитаксиального выращивания данных слоев, например, на InP подложке образуется напряженная гетеропленка, в которой решетки материалов подстраиваются под решетку подложки, и слой InAs оказывается, сжат, а слой GaAs растянут (рис.1 a, b). При освобождении от связи с подложкой пленки GaAs/InAs межатомные силы будут стремиться увеличить расстояние между атомами в сжатом слое InAs и уменьшить их в растянутом слое GaAs. Возникающие в слоях InAs и GaAs силы межатомного взаимодействия F1 и F2 противоположно направлены и создают момент сил M, изгибающий пленку GaAs/InAs (рис.1 c). В результате этого, изначально плоская гетеропленка сворачивается в трубку-свиток (рис.1 d). Для освобождения от связи с подложкой пленки GaAs/InAs можно использовать селективное травление жертвенного слоя AlAs, дополнительно выращенного между пленкой и подложкой (рис.1 с,d). Этот слой селективно удаляется в слабых растворах плавиковой кислоты, которые не травят GaAs и InAs. Диаметр D свернутых гетероструктур определяется толщиной сворачиваемой гетеропленки d и величиной упругих напряжений в ней. Эти параметры задаются в процессе МЛЭ с высокой точностью, что позволило нам создать трубки с прецизионными диаметрами от сотен микрон до нескольких нанометров. В простейшем случае гетеропленки, состоящей из двух слоев равной толщины, D≈d/(Δa/a), где Δa/a – рассогласование параметров решетки этих слоев. Высокое качество выращенных МЛЭ гетероструктур позволяет получать свернутые гетероструктуры длиной до нескольких сантиметров с гладкими, однородными по толщине стенками.

Формирование сложных конструкций заданной формы методом литографии

С помощью литографии на поверхности исходной пленки могут быть созданы мезоструктуры различной формы. При освобождении от подложки заданные фрагменты пленки, изгибаясь или сворачиваясь, преобразуются в оболочки сложной формы. При этом важно задать необходимое направление сворачивания пленки. В случае, если направленное сворачивание не детерминировано мы получим результаты подобные приведенным на рис.

Существует несколько методов формирования сложных наноконструкций с прецизионной точности: Первый вариант с использованием полностью свободных оболочек, покрытых гидрофобными или гидрофильными молекулами, и помещенных на поверхность воды. Процесс сборки подобен сборке из молекул пленок Легмюра-Блоджет.

Второй вариант осуществляется непосредственно на подложке в процессе сворачивания пленок. Направление сворачивания задавется так, чтобы движение оболочек осуществлялось навстречу или под углом друг к другу, а при столкновении процесс сворачивания, прекращается, и образовывается желаемая стабильная конструкции.

Задавая соответствующий литографический рисунок и задав желаемое направление сворачивания пленки можно получить разнообразные по форме и функционалу структуры.

Выше были рассмотрены простейшие конструкции, реализованные на простейших структурах, содержащих один бислой. Молекулярно-лучевая эпитаксия позволяет выращивать многослойные структуры, включающие несколько бислоев, разделенных жертвенными слоями. При использовании таких многослойных структур существенно расширяется возможность создания более сложных архитектурных конструкций, необходимых для изготовления наноприборов.

Монокристаллические полупроводниковые и металлические нановолокна и спирали

Для практических применений в наномеханике, магнитоэлектронике, вакуумной электронике и материаловедении необходимы нановолокна не только из полимеров, но и из полупроводников и металлов. Нановолокна из твердых тел привлекательны, прежде всего, целым рядом важных для практики свойств: высокой электропроводностью (сверхпроводимостью), механическими и магнитными свойствами, термостойкостью, прочностью. В отличие от традиционных методов производства полимерных нановолокон путем использования растворов полимеров и синтеза с использованием катализаторов мы предлагаем использовать ультра тонкие пленки. Получить нановолокна можно двумя принципиально разными способами.

Первый метод основан на особенности нанесения литографического рисунка на тонкопленочную конструкцию и задании направления травления жертвенного слоя. Одним их преимуществ а является возможность массового производства нановолокон. Последовательным наложением слоя на слой можно получить до 300 уровневый компакт, к которому будет удачно применен данный метод.

Второй способ, за которым, несомненно, будущее, основан на селективной эпитаксии, позволяет изготовлять прецизионные волокна. В качестве исходных высокоточных строительных блоков используются, прецизионные тонкопленочные полоски, выращенные на боковых гранях многослойной структуры. Ширина выращенных полосок может достигать наноразмеров и задаваться с высочайшей точностью. Важно, что данный метод так же можно применить для массового изготовления прецизионных нановолокон.

3D наноструктуры прецизионной точности

Сочетание возможностей молекулярной эпитаксии, стандартной литографии и процессов самоформирования напряженных пленок позволяет, контролируемо создавать трехмерные объекты разнообразной формы и формировать организованные массивы на их основе. Подход основан на:

- использовании выращенных с помощью молекулярной эпитаксии напряженных пленок;

- на процессах самоформирования, происходящих при отсоединении от подложки сжатых пленок.

Исходная сжатая пленка при ее освобождении от связи с подложкой упруго релаксирует, увеличивая свою длину, и выпучивается с амплитудой А, которая зависит от длины L(длинна промежутка отсоединения) и несоответствия постоянных решеток Δa/a:

Следует отметить то, что поскольку молекулярная эпитаксия позволяет задавать толщину эпитаксиальных слое, а соответственно и расстояние между слоями с атомарной точностью, то получаемые вышеописанным способом гофрировки будут иметь прецизионную амплитуду и период.

Предложенный выше подход позволяет формировать одиночные периодичные прецизионные наноструктуры разнообразных форм и размеров, что делает реальным в ближайшем будущем создание с их помощью приборов наномеханики, нанотранзисторов, одноэлектронных транзисторов и приборов, использующий массив квантовых точек.

Используемый материал взят здесь