Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок. Успехи и перспективы транзисторостроения

Брянская  государственная  сельскохозяйственная академия 
 

Кафедра информационных технологий 
 
 
 

Реферат

На  тему: «Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок. Успехи и перспективы транзисторостроения» 
 
 
 
 

Выполнил: студент группы

Е-742 Прокопенко С. А.

Проверил: Малявко 
 
 
 

Брянск 2011

Содержание:

     Введение                  3

1. Графен                  3
2. Углеродные нанотрубки               4
3. Транзисторы                  6
4. Транзистор на основе углеродных нанотрубок            6
5. Транзисторы на основе графена              7 
6. Одноэлектронный транзистор               8
7. Нанотрубочный транзистор                                                                    9
8. Полевой транзистор                                                                10
9. Нанотрубка в роли транзистора              12

Литература                 16 
 
 

 
Введение 
Еще 15-20 лет назад многие даже и не задумывались над возможной заменой кремния. Мало кто мог предполагать, что уже в начале двадцать первого века между полупроводниковыми компаниями начнется настоящая «гонка нанометров». Постепенное сближение с наномиром заставляет задуматься, а что же будет дальше? Будет ли продолжен знаменитый закон Мура? Ведь с переходом на более тонкие производственные нормы перед разработчиками предстают все более сложные задачи. Многие специалисты вообще склонны считать, что через десяток-другой лет кремний приблизится к физически непреодолимой границе, когда создавать более тонкие кремниевые структуры уже будет невозможно.  
Судя по последним исследованиям, одними из наиболее вероятных (но далеко не единственных) кандидатов на должность «кремниезаменителей» являются материалы на основе углерода — углеродные нанотрубки и графен — которые, предположительно, могут стать основой наноэлектроники будущего. Разработок, связанных с графеном пока гораздо меньше, но это ни чуть не умаляет его достоинства. Часть исследователей полагают, что графен является более перспективным материалом, чем углеродные нанотрубки. Тем более, некоторые достижения исследователей, которые произошли совсем недавно, придают немного оптимизма.  

1.Графен 
Графен является двумерным кристаллом, состоящим из одиночного слоя атомов углерода, собранных в гексагональную решётку. Представьте себе углеродную пластину толщиной всего в один атом, но более прочную, чем алмаз, и пропускающую электричество в 100 раз лучше, чем кремний компьютерных чипов.  
Графен - новейший материал с потрясающими свойствами - скоро покинет стены научных лабораторий. Уже сейчас физики, химики и инженеры-электронщики много говорят о его уникальных возможностях.  
В октябре 2004 года информационный ресурс BBC News сообщил о том, что профессор Андре Гейм со своими коллегами из Манчестерского Университета (Великобритания) совместно с группой доктора Новоселова (Черноголовка, Россия) сумели получить материал толщиной в один атом углерода. Названный графеном, он представляет собой двухмерную плоскую молекулу углерода толщиной в один атом. Впервые в мире удалось отделить атомарный слой от кристалла графита.  
Тогда же Геймом и его командой был предложен так называемый баллистический транзистор на базе графена. Графен позволит создавать транзисторы и другие полупроводниковые приборы с очень малыми габаритами (порядка нескольких нанометров). Уменьшение длины канала транзистора приводит к изменению его свойств. В наномире усиливается роль квантовых эффектов. Электроны перемещаются по каналу как волна де Бройля, а это уменьшает количество столкновений и, соответственно, повышает энергоэффективность транзистора.  
Графен можно представить в виде «развернутой» углеродной нанотрубки. Повышенная мобильность электронов переводит его в разряд наиболее перспективных материалов для наноэлектроники. Поскольку с момента получения графена не прошло и трех лет, его свойства пока изучены не очень хорошо. Но первые интересные результаты экспериментов уже есть. 

2.Углеродные нанотрубки 
После того, как к традиционным трем аллотропным формам углерода (графиту, алмазу и карбину) добавилась еще одна (фуллерены), на протяжении нескольких последующих лет с исследовательских лабораторий шквалом посыпались сообщения об открытии и изучении разнообразных структур на основе углерода с интересными свойствами, таких как нанотрубки, нанокольца, ультрадисперсные материалы.  
В первую очередь представляют интерес углеродные нанотрубки — полые продолговатые цилиндрические структуры диаметром порядка от единиц до десятков нанометров (длина традиционных нанотрубок исчисляется микронами, хотя в лабораториях уже получают структуры длиной порядка миллиметров и даже сантиметров). Эти наноструктуры можно представить следующим образом: просто берем полоску графитовой плоскости и сворачиваем её в цилиндр. Конечно, это лишь образное представление. В действительности же непосредственно получить графитовую плоскость и скрутить её «в трубочку» не представляется возможным. Методы получения углеродных нанотрубок являются довольно сложной и объемной технической проблемой.  
Углеродные нанотрубки характеризуются большим разнообразием форм. К примеру, они могут быть одностенными или многостенными, прямыми или спиральными, длинными и короткими, и т.д. Что важно, нанотрубки оказались необыкновенно прочными на растяжение и на изгиб. Под действием больших механических напряжений нанотрубки не рвутся, не ломаются, а просто перестраивается их структура. Кстати, раз уж зашла речь о прочности нанотрубок, интересно отметить одно из последних исследований природы этого свойства.  
Кроме того, нанотрубки демонстрируют множество неожиданных электрических, магнитных, оптических свойств, которые уже стали объектами ряда исследований. Особенностью углеродных нанотрубок является их электропроводность, которая оказалась выше, чем у всех известных проводников. Они также имеют прекрасную теплопроводность, стабильны химически и, что самое интересное, могут приобретать полупроводниковые свойства. По электронным свойствам углеродные нанотрубки могут вести себя как металлы, либо как полупроводники, что определяется ориентацией углеродных многоугольников относительно оси трубки.  
Нанотрубки склонны крепко слипаться между собой, формируя наборы, состоящие из металлических и полупроводниковых нанотрубок. До сих пор трудной задачей является синтез массива из только полупроводниковых нанотрубок или сепарация (отделение) полупроводниковых от металлических. С новейшими способами решения этой проблемы мы познакомимся далее.  
 
 
3.Транзисторы  
Транзи́стор (transistor) — электронный прибор из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, позволяющий входным сигналам управлять током в электрической цепи. Обычно используется для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов.  
Управление током в выходной цепи осуществляется за счёт изменения входного напряжения или тока. Небольшое изменение входных величин может приводить к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Это усилительное свойство транзисторов используется в аналоговой технике (аналоговые ТВ, радио, связь и т. п.).  
 
4.Транзистор на основе углеродных нанотрубок  
Одна из главных проблем - способ синтеза массива, состоящего только из нанотрубок с определенными свойствами, формой и габаритами, который смог бы быть внедрен в массовое производство, на данный момент пока не создан. Большее внимание уделяется сортировке «смешанного» массива, состоящего из нанотрубок с полупроводниковыми и металлическими свойствами (не менее важной является также сортировка по длине и диаметру). Тут уместно вспомнить одну из первых разработок в этой области, которая принадлежит компании IBM, после которой перейдем к последним достижениям.  
В работе, датированной апрелем 2001 года, «Engineering Carbon Nanotubes and Nanotube Circuits Using Electrical Breakdown», сообщается, что исследователи компании IBM впервые построили транзистор на основе углеродных нанотрубок, имеющих диаметр в 1 нанометр, и длиной порядка единиц микрон. Внимание акцентировалось на том, что им удалось найти способ, позволяющий в перспективе сделать такое производство массовым.  
Ученые из IBM разработали метод, который позволил им разрушать все металлические нанотрубки и при этом оставить неповрежденными полупроводниковые. На первом этапе массив нанотрубок помещают на подложку диоксида кремния. Далее поверх нанотрубок формируются электроды. Кремниевая подложка играет роль нижнего электрода и способствует запиранию полупроводниковых нанотрубок. Далее подается избыточное напряжение. В результате «незащищенные» нанотрубки с металлическими свойствами разрушаются, а полупроводниковые остаются целыми и невредимыми.  

5.Транзисторы на основе графена

Графеновые транзисторы  обладают наноразмерным охлаждающим  эффектом, за счет которого снижается  их температура.

Это обнаружили американские исследователи во главе  с профессорами Уильямом Кингом и  Эриком Попом, которые опубликовали результаты в издании Nature Nanotechnology.

Как известно, быстродействие и размеры компьютерных микросхем  ограничены тем, сколько теплоты  они выделяют. Это явление носит  название резистивного нагрева. В компьютерах  с кремниевыми чипами для охлаждения используются вентиляторы или радиаторы, которые потребляют массу энергии.

Микросхемы в  компьютерах будущего сделаны из графена — углеродной решетки  в 1 атом толщиной. Они быстрее кремниевых и более энергоэффективны. Однако вследствие недостаточных измерений полное понимание графеновых устройств пока ускользает от ученых.

Исследователи из университета Иллинойса с помощью  наконечника атомно-силового микроскопа в качестве температурного зонда  совершили первые температурные  измерения работающего графенового  транзистора.

Измерения эти  выявили удивительные температурные  явления в точках, где графеновый транзистор касается металлических  контактов. Ученые установили, что в  таких контактах термоэлектрические охлаждающие эффекты могут быть сильнее резистивного нагрева, фактически снижая температуру транзистора.

«В кремнии  и большинстве других материалов электронное нагревание больше самоохлаждения», сказал Кинг. «Однако мы установили, что в графеновых транзисторах есть области, где охлаждение выше нагрева, что позволяет этим устройствам  самоохлаждаться. Ранее подобное не было замечено в графеновых транзисторах».

Этот эффект означает, что графеновая электроника  может требовать лишь незначительного  охлаждения, а то и вовсе никакого, что приведет к повышению энергоэффективности  и росту привлекательности графена  как замены кремния. 

В дальнейшем ученые намерены провести температурное исследование амплитудно-частотной модуляции, чтобы  изучить нагревание и охлаждение в углеродных нанотрубках и других наноматериалах.

 
6.Одноэлектронный транзистор  
В Кембриджском университете и токийской Japan Science & Technology Corporation разработан одноэлектронный транзистор, функционирующий при комнатной температуре. Проводящий канал транзистора (остров) отделен от стока и истока туннельными барьерами из тонких слоев изолятора. Чтобы транзистор мог работать при комнатной температуре, размеры острова не должны превышать 10 нм. Высота потенциального барьера равна 0,173 эВ. В более ранней (2001 г.) конструкции тех же разработчиков остров был крупнее, высота потенциального барьера была 0,04 эВ, и рабочая температура не превышала 60 °К. Материалом для острова служит отдельный кластер аморфного кремния, поверхность которого оксидирована при низкой температуре для создания тонкого барьерного слоя.  
Метод получения графена и графеновых микросхем  
Данный метод получения графена и графеновых микросхем (Рис.5), предложен Вальт де Хиром и его коллегами. Нагревая подложку карбида кремния в высоком вакууме, ученые заставляют атомы кремния покинуть подложку, в результате чего остается только тонкий слой атомов углерода (графен). На следующем этапе они наносят фоторезистивный материал (фоторезист) и применяют традиционную электронно-лучевую литографию для вытравливания требуемых «узоров», то есть используют повсеместно применяемые сейчас производственные технологии. Это и является существенным преимуществом графена перед нанотрубками.  
В результате ученым удалось вытравливать 80-нм наноструктуры. Таким способом был создан графеновый полевой транзистор. Серьезным недостатком можно назвать большие токи утечки созданного прибора, хотя ученых тогда это нисколько не огорчило. Они полагали, что на начальном этапе это вполне нормальное явление. Кроме того, было создано вполне работоспособное устройство квантовой интерференции, которое можно применять для управления электронными волнами. 

7.Нанотрубочный транзистор

Графеновые транзисторы  способны взаимодействовать с живыми клеткамиКоманда исследователей из Мюнхенского технического университета заявила о том, что ей удалось создать платформу, позволяющую электронике осуществлять взаимодействие непосредственно с клетками мозга. 
В основе разработки лежит массив из транзисторов на базе графена – материала на основе углерода, который обладает уникальными свойствами. Созданное учеными устройство способно не только передавать электрические импульсы клеткам мозга, но и регистрировать обратную реакцию. Использование для таких целей традиционных кремниевых полупроводников невозможно, так как кремний не обладает способностью смачиваться. 
Графен обладает химической устойчивостью, биологической инертностью и позволяет создавать полупроводниковые приборы с непревзойденной производительностью. Кроме того, транзисторы из графена значительно дешевле в производстве, чем кремниевые, так как материал создается искусственно. 
В ходе исследования ученые создали массив из 16 полевых графеновых транзисторов, размещенных на подложке из медной фольги. Графен был помещен на подложку методом осаждения паров, а транзисторы созданы с помощью фотолитографии и травления. Позже ученые вырастили поверх транзисторов слой клеток сердечной мышцы. В результате было обнаружено, что транзисторы без проблем способны регистрировать электрические сигналы этих клеток. 
Дальнейшие труды исследователей будут направлены на создание массивов транзисторов на гибкой подложке, а также на увеличение числа транзисторов на одной подложке.

8.Полевой транзистор

На основе полупроводниковой  или металлической нанотрубки удалось  сделать полевые транзисторы , работающие при комнатной (в первом случае) и  сверхнизкой (во втором) температуре. Полевые  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.

В транзисторе  на полупроводниковой нанотрубке электрическое  поле управляет концентрацией носителей  в зонах делокализованных состояний (рис. 5). В полупроводниковой нанотрубке состояния валентной зоны отделены от состояний зоны проводимости энергетической щелью - запрещенной зоной. Из-за наличия  этой щели при обычных условиях концентрация носителей в зонах мала и нанотрубка обладает высоким сопротивлением. При  подаче на третий электрод (затвор) электрического потенциала U в области нанотрубки возникает электрическое поле и  изгиб энергетических зон изменяется. При этом концентрация дырок в  валентной зоне (и соответственно электропроводность) возрастает по экспоненциальному  закону со смещением края зоны относительно уровня Ферми. При потенциале затвора  около –6 В концентрация дырок  достигает максимального значения, сопротивление - минимального, а нанотрубка становится металлической.

При создании полевого транзистора на металлической нанотрубке используются эффекты туннельного  переноса электронов через нанотрубку по отдельным молекулярным орбиталям. Из-за конечной длины нанотрубки ее электронный спектр, строго говоря, не непрерывен, а дискретен, с расстоянием  между отдельными уровнями ~1 мэВ  при длине нанотрубки ~1 мкм (рис. 6). Такой характер расщепления уровней, конечно, не сказывается на электропроводности нанотрубки, например, при комнатной  температуре (0.025 эВ), но полностью определяет ее электрические свойства при температуре  ниже 1 К.

Проводимость  металлической нанотрубки в таких  условиях обусловлена тем, что электроны  перескакивают (туннелируют) с верхнего заполненного уровня катода на проводящий дискретный уровень нанотрубки, а  затем с нанотрубки на нижний незаполненный уровень анода. В пределах нанотрубки туннелирование электрона происходит очень легко (практически без рассеяния и без потерь энергии) за счет p-электронных состояний, делокализованных на всю длину нанотрубки. Высокая металлическая проводимость в электрической цепи возможна в случае, если так же легко осуществляется перенос электронов между нанотрубкой и электродами. В эксперименте это достигается возможно более точной подгонкой уровней Ферми электродов к энергии проводящего уровня нанотрубки. Включение внешнего электрического поля при подаче электрического потенциала на третий электрод смещает электронный уровень нанотрубки, и ее сопротивление возрастает. 

9.Нанотрубка в роли транзистора

 Для того, чтобы сделать транзистор на основе нанотрубок, не нужно прилагать дополнительных усилий: делать между ними полимерные переходы и т.п. Как установили ученые из Калифорнийского университета UCSD и университета Клемсона, Y-образная нанотрубка полностью выполняет функции транзистора, обладая при этом более высоким быстродействием.

Впервые выращенная нанотрубка становится нанотранзистором без какой-либо дальнейшей обработки. Использование этих наноструктур в современной электронике позволит существенно уменьшить размеры и ускорить производительность компьютерных чипов и других электронных устройств, работающих на полупроводниковых транзисторах.  
Быстрое развитие микроэлектроники в конце XX-го века обусловлено, в первую очередь, постепенным уменьшением размеров транзисторов, которые стали базовым блоком почти всех бытовых и промышленных устройств. 

Однако, в конце текущего десятилетия будет достигнут предел миниатюризации транзисторов. По словам специалистов Intel, изготовление транзистора размером менее 100 нанометров сопряжено с большими трудностями и без радикального изменения производственного процесса невозможно вообще.