ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 2

1. НАНОЭЛЕКТРОНИКА  НА УГЛЕРОДНЫХ  НАНОТРУБКАХ 3

1.1. Диоды 3

1.2. Транзисторы 4

1.3. Светодиод 5

1.4. Память на нанотрубках 7

1.5. Индикаторы и плоские  экраны 8

1.6. Выпрямитель 9

2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА  НА ФУЛЛЕРЕНАХ 10

3. ГРАФЕНОВАЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКА 13

3.1. Транзистор на  графене 13

3.2. Графеновая память 14

3.2. От графена к  графану 15

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 17

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ 18 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ

     Углеродные  наноструктуры из-за своих размеров фактически являются переходным мостом между отдельными молекулами и кристаллами. Сейчас в литературе активно обсуждается возможность применения различных углеродных наноструктур в электронике (ансамбли квантовых точек, одноэлектронные транзисторы, ячейки памяти на один электрон, самые маленькие проводники тока, квантовые нити и др.), при создании квантовых компьютеров, спектроскопии, энергетике, конструировании различных перспективных композитных материалов.

     Тема  моего реферата «Углеродная наноэлектроника». На сегодняшний день тема очень актуальна. Много литературы по этой тематике, проводятся многочисленные исследования углеродных наноструктур и возможности их применения в наноэлектронике. 5 октября 2010 года совместно с А. Геймом К. Новоселов был удостоен Нобелевской премии за открытие и выделение свободного одноатомного слоя углерода и объяснение его выдающихся электронных свойств. Это открывает большие перспективы в области углеродной наноэлектронике. 
 
 
 
 
 
 
 

1. НАНОЭЛЕКТРОНИКА  НА УГЛЕРОДНЫХ  НАНОТРУБКАХ

     Одним из наиболее привлекательных направлений  использования нанотрубок является наноэлектроника. Благодаря малым размерам, разнообразным электрическим, оптическим и магнитным свойствам, механической прочности и химической стабильности нанотрубки являются уникальным материалом для производства рабочих элементов электронных устройств.

1.1. Диоды

     Цилиндрические  неизогнутые нанотрубки образуются из повторяющихся углеродных шестиугольников. Если два углеродных шестиугольника заменить пятиугольником и семиугольником, как показано на рис. 1, нанотрубка изогнется. С разных сторон относительно изгиба ориентация углеродных шестиугольников оказывается различной. Но с изменением ориентации шестиугольников по отношению к оси нанотрубки меняется ее электронный спектр, положение уровня Ферми, ширина оптической щели и т. п.

     Таким образом, эта изогнутая нанотрубка должна представлять собой молекулярный гетеропереход металл-полупроводник.

Рисунок 1. Влияние дефекта  семиугольника-пятиугольника  на геометрию нанотрубки (а) и энергию подвижных  электронов (б).

«Одностороннее» прохождение тока через нанотрубку с изгибом используется для создания выпрямляющего диода — одного из основных элементов электронных схем (рис. 2).

Рисунок 2. Изображение изогнутой нанотрубки на кварцевой подложке в контакте с двумя золотыми электродами, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии.

1.2. Транзисторы

     На  основе полупроводниковых и металлических нанотрубок удалось сконструировать транзисторы, работающие при комнатной и сверхнизкой температуре. Транзисторы (триоды) — электронные устройства, на перенос заряда через которые оказывает сильное влияние внешнее управляющее электрическое поле, что используется в усилителях электрического сигнала, переключателях и т. п.

     Обсудим сначала первый реализованный транзистор на полупроводниковой нанотрубке (рис. 3) . В таком транзисторе электрическое поле управляет концентрацией носителей в зонах делокализованных состояний.

     В полупроводниковой нанотрубке состояния  валентной зоны отделены от   зоны проводимости энергетической щелью  — запрещенной зоной. Из-за наличия этой щели при обычных условиях концентрация носителей в зонах

Рисунок 3. Схема первого полевого транзистора на полупроводниковой нанотрубке. Нанотрубка лежит на непроводящей (кварцевой) подложке в контакте с двумя сверхтонкими проводами, в качестве третьего электрода (затвора) используется кремниевый слой.

мала  и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При подаче на третий электрод (затвор) электрического потенциала V₃ в области нанотрубки возникает электрическое поле, и меняется изгиб энергетических зон. Включение отрицательного потенциала затвора V₃ приводит к возрастанию, а положительного — к убыванию тока через нанотрубку, что говорит о том, что дырки являются основными носителями заряда в транзисторе.

     Присутствие дырок обусловлено несовпадением  работы выхода нанотрубки и металлических электродов и, как следствие, перетеканием электронов с нанотрубки на электроды, а также влиянием заряженных центров на поверхности и в объеме кварцевой подложки. При изменении V₃ концентрация дырок в валентной зоне и, соответственно, электропроводность возрастают по экспоненциальному закону, в зависимости от величины смещения края зоны относительно уровня Ферми.

     Анализ  характеристик полупроводникового транзистора свидетельствует о том, что дырки, участвующие в процессе переноса, присутствуют именно в нанотрубке, а не инжектируются на контактах между электродом и нанотрубкой, и, следовательно, можно ожидать высокую однородность распределения дырок вдоль трубки независимо от напряжения на затворе. Концентрация дырок в трубке равна примерно одной дырке на 250 атомов углерода (для сравнения, в графите только одна дырка на 10⁴ атомов). Подвижность носителей, оцененная по крутизне вольтамперной характеристики, почти совпадает с подвижностью в сильнолегированном кремнии р-типа при аналогичной концентрации дырок, но значительно ниже подвижности дырок в графите.

1.3. Светодиод

     Удалось заставить светиться углеродные нанотрубки. Светоизлучающая нанотрубка в 50 тысяч раз тоньше человеческого волоса. Это самое миниатюрное твердотельное светоизлучающее устройство. Наиболее перспективной сферой его применения является оптоэлектроника, в частности, системы передачи данных по волоконно-оптическим сетям. В основе этого устройства — амбиполярный транзистор на полупроводниковой одностенной нанотрубке (рис. 4).

Рисунок 4. Схема амбиполярного  транзистора на полупроводниковой нанотрубке.

Для создания транзистора была взята нанотрубка толщиной 1,4 нм. Нанотрубку размещали на кремниевой подложке с поверхностным слоем диоксида кремния толщиной 150 нм.

     Зависимость тока через нанотрубку от подаваемого  на затвор напряжения V при напряжении смещения V_CM = 1 В приведена на рис. 5. Это характерная для амбиполярного транзистора зависимость: при отрицательных значениях V носителями заряда являются электроны, а при положительных значениях V > 10 В — дырки. Она объясняется тем, что в зависимости от знака и величины поля затвора облегчается туннелирование электронов или дырок через барьеры Шотки, образующиеся на границе нанотрубка — металл.

Рисунок 5. Зависимость тока через нанотрубку от подаваемого на затвор напряжения V₃ при напряжении смещения V_CM = 1 В. 

     Возможно  и одновременное инжектирование носителей заряда обоих знаков в нанотрубку. Это достигается в том случае, когда напряжение смещения превышает напряжение затвора. Например, если исток заземлен, напряжение на стоке 10 В, а напряжение затвора 5 В, разность потенциалов истока и стока относительно затвора будет одна и та же (5 В), но знак поля затвора на контактах будет противоположный. Поле на истоке будет облегчать прохождение электронов в нанотрубку, а поле стока — дырок. Вблизи истока и стока образуются области материала п- и р-типа, соответственно.

     В условиях одновременного инжектирования электронов и дырок наблюдается свечение нанотрубки в инфракрасной области, обусловленное рекомбинацией электронов и дырок в середине нанотрубки с генерацией фотонов. Принцип работы такого излучающего устройства — светодиода — поясняет рис. 6. Стоит отметить, что подобным же образом получают свет и в современном оптоволоконном оборудовании, но чтобы противоположные заряды встретились, его компоненты подвергаются специальному химическому процессу легирования. Нанотрубки же настолько тонки, что никакого легирования не требуется.

Рисунок 6. Схема работы излучателя света на базе углеродной нанотрубки.

1.4. Память на нанотрубках

     На  основе полупроводниковых углеродных нанотрубок создаются элементы памяти, потенциально пригодные для записи и длительного хранения информации.

     Нанотрубки промывали в однопроцентном водном растворе литий додецилсульфата и центрифугировали. Затем нанотрубки осаждали на легированную сурьмой кремниевую пластину, покрытую слоем Si0₂ толщиной 100 нм. Методами электронно-лучевой литографии поверх нанотрубок на расстоянии 150 нм размещали электроды, в качестве которых служили провода из сплава AuPd толщиной 15 нм. Кремниевая пластина служила в качестве затвора. Примерно на половине одностенных нанотрубок при комнатной температуре наблюдаются эффекты памяти в виде гистерезиса зависимости тока через нанотрубку 1_С от потенциала затвора V_з по мере того, как этот потенциал варьируется от 0 до +3 В, а за тем до -3 В и снова до 0 В. Проводимость двух состояний при V₃ = О В различается более чем на два порядка. При подаче напряжения V₃ = ± 5 В наблюдается обратимое переключение этого устройства между состояниями с высокой и низкой проводимостью. Если такое устройство отключить, его состояние высокой или низкой проводимости сохраняется при комнатной температуре не менее 12 суток.

1.5. Индикаторы и плоские экраны

     Оказалось, что углеродные нанотрубки могут  быть полезны также и для создания дисплеев нового поколения, работа которых основана на эффекте эмиссии электронов под действием электрического поля. Углеродные нанотрубки имеют идеальную геометрию для создания эмиттеров — атомарные размеры заостренных участков эмитирующей поверхности, обеспечивающие создание высоких электрических полей. К тому же они, как и графит, обладают высокой устойчивостью к агрессивным средам, высокой механической прочностью, высокой температурой плавления, свойственной углеродным материалам. Наконец, они могут работать в условиях технического вакуума. Холодные эмиттеры на нанотрубках — ключевой элемент плоского телевизора будущего, они заменяют горячие эмиттеры современных электронно-лучевых трубок, позволяют избавиться от гигантских и небезопасных разгонных напряжений 20-30 кВ. При комнатной температуре нанотрубки способны испускать электроны, производя ток такой же плотности, что и стандартный вольфрамовый анод при почти тысяче градусов, да еще и при напряжении всего 500 B.

1.6. Выпрямитель

     Эффект  автоэлектронной эмиссии из нанотрубок используется для создания выпрямителей. Берут два плоских электрода, один из которых покрывают слоем углеродных нанотрубок, ориентированных перпендикулярно ко второму электроду. Если на электроды подается такое напряжение, что нанотрубка заряжается отрицательно, из нанотрубки на второй электрод излучается пучок электронов: ток в системе идет.