Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Нанотехнологические процессы самоорганизации наноструктур и наносборки радиоэлектронных систем

Покупка
Новинка
Артикул: 837691.01.99
Доступ онлайн
640 ₽
В корзину
Рассмотрены процессы изготовления наноструктур различных размерностей с помощью их самоорганизации и наносборки, описаны процессы самосборки 2D-наноструктур (нанослоев), 1D-наноструктур (нанонитей) и 2D-наноструктур (наночастиц). Приведены основные понятия и описаны процедуры, необходимые для экспериментального и теоретического изучения процессов самоорганизации наноструктур, применяемых в нанотехнологиях.
Малышев, К. В. Нанотехнологические процессы самоорганизации наноструктур и наносборки радиоэлектронных систем : учебное пособие / К. В. Малышев, Е. А. Скороходов, В. А. Шалаев. - Москва : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2008. - 54 с. - ISBN 978-5-7038-3265-3. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2161386 (дата обращения: 16.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
 

Московский государственный технический университет  
имени Н.Э. Баумана 

К.В. Малышев,   Е.А. Скороходов,   В.А. Шалаев 
 
 
НАНОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ  
САМООРГАНИЗАЦИИ НАНОСТРУКТУР  
И НАНОСБОРКИ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ  
СИСТЕМ 
 
 
Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

М о с к в а  

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 

2 0 0 8  
 

УДК 621.38(075.8) 
ББК 32.85 
М207 
Рецензенты: В.В, Маркелов, Г.Ф, Гармаш 

Малышев К.В., Скороходов Е.А., Шалаев В.А. 
Нанотехнологические процессы самоорганизации нано- 
структур и наносборки радиоэлектронных систем: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008. — 54 с.: ил. 
ISBN 978-5-7038-3265-3 
Рассмотрены процессы изготовления наноструктур различных 
размерностей с помощью их самоорганизации и наносборки, описаны 
процессы самосборки 2D-наноструктур (нанослоев), 1D-наноструктур 
(нанонитей) и 0D-наноструктур (наночастиц). Приведены основные 
понятия и описаны процедуры, необходимые для экспериментального и теоретического изучения процессов самоорганизации наноструктур, применяемых в нанотехнологиях. 
Для студентов 6-го курса. 
 
УДК 621.38(075.8) 
ББК 32.85 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
ISBN 978-5-7038-3265-3 
 
 
      © МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2008 

 
М207
ПРЕДИСЛОВИЕ 

Нанотехнологические процессы формирования наноструктур 
развиваются в настоящее время по нескольким направлениям. В 
последние несколько лет возникло и бурно совершенствуется новое направление, основанное на самоорганизации наноструктур. 
Суть этого направления хорошо иллюстрируется открытием самоорганизации арсенид-индиевых островков нанометровых размеров 
на арсенид-галлиевой подложке, за которое Ж.И. Алферов недавно 
получил Нобелевскую премию.  
Коллектив Алферова столкнулся с проблемой получения арсенид-индиевых нанослоев хорошего качества. Эти нанослои никак не 
удавалось вырастить гладкими и сплошными. А именно такие нанослои нужны для изготовления полупроводниковых лазеров на 
квантовых ямах. Над этой проблемой трудились (и продолжают 
трудиться с очень незначительным успехом) многие научные коллективы во всем мире. Вместо того чтобы идти по этой проторенной 
дороге, Алферов и его коллеги задались вопросом: «А что вырастет 
вместо арсенид-индиевого нанослоя, если предоставить ему свободу, а не стараться получить из него гладкий слой?». Оказалось, что 
совершенно самостоятельно вырастают хорошо упорядоченные арсенид-индиевые островки одинакового нанометрового размера на 
одинаковом нанометровом расстоянии друг от друга. Вместо искомого полупроводникового лазера на квантовых ямах в результате 
был получен гораздо лучший лазер на квантовых точках. 
Приставка «само» в слове «самоорганизация» призвана подчеркнуть самостоятельность явления, его неожиданность для экспериментатора. Самоорганизация не исключает применимости физических законов. После обнаружения каждого конкретного 
явления самоорганизации для него составляют математическую 
модель, которую далее совершенствуют по обычному сценарию.  
Отличие этой новой методологии от традиционной заключается 
только в том, что человек не диктует природе свои процессы, а присматривается к тем, которые идут сами по себе, и адаптируется к 
ним, чтобы направить их течение в нужном для себя направлении. 
Такая замена ставшего уже традиционным образа «хозяина природы» на образ «соавтора природы» актуальна, так как в настоящее 
время на первый план выходит требование бережного взаимодействия с окружающей средой. Самоорганизационное направление в 
нанотехнологии гармонично развивает и природу, и человека в единении с природой. 
В 
пособии 
рассматриваются процессы 
самоорганизации  
2D-наноструктур (нанослоев), 1D-наноструктур (нанонитей) и 0Dнаноструктур (наночастиц). Рассмотрены также основные теоретические и экспериментальные процедуры, применяемые при изучении этих процессов. 
 
 
1. ТЕХНОЛОГИЯ ПРОЦЕССОВ  
САМООРГАНИЗАЦИИ НАНОСТРУКТУР 

1.1. Наносборка, самосборка и самоорганизация наноструктур 

Наноструктуры различных размерностей можно собирать из 
других наноструктур, как из деталей конструктора. Такой нанотехнологический процесс называется наносборкой. На рис. 1.1 
показана наноструктура, состоящая из нанослоя 1, нанонити 2 и 
наночастиц 3, которая может входить в состав будущих наноэлектронных интегральных схем и наноэлектромеханических 
систем. В наносборке можно выделить два главных направления: 
1) традиционное для микроэлектроники, при котором не используются принципы самоорганизации; 2) новое направление,  
основанное на принципах самоорганизации и синергетики. Для 
реализации традиционного «микроэлектронного» направления 
требуется использовать бездефектные материалы и сверхчистые 
условия, например сверхвысокий вакуум и чистые комнаты для 
оборудования и персонала. «Синергетическое» и «самоорганизационное» направления принципиально ориентированы на обычные условия окружающей среды.  
Рассмотрим основное различие между двумя направлениями на 
наглядном примере. Пусть перед нами стоит задача построить дом 
в лесу. Традиционный способ его строительства или сборки состоит в том, чтобы сначала очистить площадку от всего лишнего (например, вырубить деревья и выровнять площадку) и только затем 
строить на подготовленном месте. Новый «самоорганизационный» 
способ предполагает во многом противоположные действия. Мы 
должны присмотреться к тому, что происходит на «месте будущего строительства» без нашего вмешательства, и принять участие в 
этих процессах, не уничтожая их, а гармонично дополняя. Напри
мер, можно сделать из деревьев дом (что-то вроде «шалаша») не 
выкорчевывая их, а «мягко» влияя на их рост.  
Говоря кратко, «самоорганизационная» нанотехнология предполагает сотрудничество («синергию») нанотехнолога с теми процессами, которые идут в природе без его участия. Преимуществами 
«самоорганизационной» концепции нанотехнологии являются:  
1) дешевизна процесса (не нужны сверхвысокий вакуум и сверхчистые материалы и подложки); 2) гармоничность взаимодействия 
природы и человека, что жизненно важно для общества и личности, 
особенно в условиях нынешнего экологического кризиса. Процессы 
наносборки на основе самоорганизации кратко называют «самосборкой». Таким образом, в рамках самоорганизационного направления нанотехнологии термины «наносборка», «самосборка» и «самоорганизация» можно рассматривать как синонимы. 
Самоорганизацией формально называется внезапное возникновение упорядоченной структуры в открытой нелинейной диссипативной системе при плавном изменении некоторого параметра А, 
управляющего этой системой (рис. 1.2). Сначала в состоянии системы t = 0 не видно никакой структуры, например распределение 
величины P(x) по координате x равномерно. Затем при плавном 
увеличении параметра А наступает такой момент t = t1, когда произвольно малого изменения А достаточно, чтобы распределение 
P(x) из хаотичного стало упорядоченным, например синусоидальным или дельтаобразным (сосредоточенным в одном или нескольких скоплениях).  
Самоорганизация свойственна явлениям в областях самых разных характерных размеров (10–9…10–3 м и выше) — от нанометров 
до микрометров, миллиметров и выше. По такому сценарию раз
1

2

3

10 нм 
10 нм 

10 нм 

Рис. 1.1 
вивается большинство природных явлений в многочастичных системах. К ним относятся, например, такие привычные в быту явления, как конденсация водных капель из пара на холодном оконном 
стекле, образование снежинок и все фазовые переходы, сопровождаемые упорядочением. В субмикронных масштабах процессы самоорганизации являются основой биологической жизни клеток 
любого организма, в том числе и человеческого.  

1.2. Сборка приборов из наноструктур  
различных размерностей 

Из наноструктур можно собирать разные варианты приборов 
типа полевого транзистора (рис. 1.3). Наноструктура играет роль 
канала транзистора. Области истока, стока и затвора имеют «большие», т. е. микронные, размеры, обычные для полупроводниковой 
микроэлектроники. Электроны из истока через туннельный барьер 
толщиной порядка 10 нм попадают в канал (2D-, 1D- или 0Dнаноструктуры) и движутся к стоку под управлением напряжения 
на затворе. При движении электронов проявляются два эффекта: 
резонансное туннелирование и кулоновское отталкивание.  
Для примера рассмотрим рис. 1.4, на котором показан профиль 
Ec дна зоны проводимости вдоль канала полевого транзистора из 
нанонити диаметром около 10 нм. Средний участок нити длиной 
около 10 нм образует потенциальную яму для электронов, проходящих вдоль нанонити из истока к стоку. Эту яму можно получить 

P(x) 

x

t = 0 
P(x) 

x

t = t1 

Хаос 

Порядок 

A 

Рис. 1.2 
Исток 
Сток 
Яма 

1 
2 

разными способами: 1) из материала с меньшей шириной 
запрещенной зоны, чем материал нанонити; 2) с помощью внешнего 
электрического поля посредством заостренных металлических электродов-затворов (1 и 2 на рис. 1.5). Как и в случае затвора МОПтранзистора (металл – окисид – полупроводник), подача напряжения на поверхностные электроды создает в подложке барьер — область обеднения примерно микронного размера. Поэтому для создания таким способом потенциальной ямы порядка 10 нм между 
областями обеднения на подложку достаточно нанести электроды с 
микронным зазором. Недостатком такого способа является большая 
(микронная) толщина барьеров. Для ее уменьшения до 10 нм нужны 
затворы примерно такой же ширины, а это резко усложняет технологию.  
Резонансное туннелирование считают самым перспективным 
принципом работы будущих наноэлектронных интегральных схем, 
собираемых с помощью процессов самоорганизации. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Рис. 1.5 

Исток 

Затвор 

Сток 
НС 

Барьер 

Исток 

Ec 

Сток 

НН 
Яма 

   Рис. 1.3 
Рис. 1.4 
1.3. Самоорганизация квантовых точек и грядок из InAlGaAs 

Рост нанослоев на поверхности подложки может происходить 
тремя способами (рис. 1.6, а–в) в зависимости от того, с чем сильнее взаимодействует частица нанослоя: с другой частицей нано- 
слоя (сила Fч.ч) или с подложкой (сила Fч.п), или эти силы примерно 
равны. 
Если частица нанослоя сильнее взаимодействует с подложкой, 
чем с другой частицей нанослоя (Fч.ч < Fч.п), то рост происходит 
путем последовательного заполнения монослоев (рис. 1.6, а). Зародышевые островки 1 толщиной в одну частицу растут за счет 
присоединения к их краям блуждающих частиц 2. Именно к такому росту стремятся в классическом методе молекулярно-лучевой 
эпитаксии (МЛЭ), например при выращивании слоистых AlGaAsнаноструктур. Когда частица из пара (или молекулярного пучка) 
приходит на поверхность островка, она мигрирует до его края и 
«скатывается» на подложку. Поэтому при такой эпитаксии значение шероховатости поверхности никогда не превышает толщины 
монослоя.  
В противоположном случае (Fч.ч > Fч.п) частица взаимодействует с другими частицами нанослоя сильнее, чем с подложкой (рис. 
1.6, б). Частица, приходящая из пара на поверхность островка, остается на месте, прилипая к поверхности. Начинается рост нового 

GaAs 

InAs 
In 

GaAs 

AlAs 

а
б 

в 

Fч.ч 

Fч.п 

Fч.ч 

Fч.п 

1 
2 
3

4
5

г

Ec 

Eрез 

Рис. 1.6
островка на поверхности старого. В результате поверхность покрывается «небоскребами» 3 случайной неконтролируемой формы 
и толщины. В классических эпитаксиальных методах выращивания наноструктур стараются избегать такого режима роста из-за 
большой шероховатости получаемой поверхности.  
В промежуточном случае (Fч.ч ≈ Fч.п) (рис. 1.6, в) возможно появление массива конусообразных наночастиц 4 на поверхности 
тонкого (толщиной около двух монослоев) нанослоя 5, называемого смачивающим.  

Самоорганизация квантовых точек из InGaAs 

МЛЭ-рост чередующихся нанослоев InAs и GaAs идет по 
третьему механизму, т. е. при равенстве энергий взаимодействия 
частиц пучка с подложкой. На поверхности смачивающего InAsнанослоя образуются конусообразные островки из индия, имеющие основание размером примерно 10 нм и высоту приблизительно 1 нм (см. рис. 1.6, в). В полупроводниковых наночастицах такого размера электрон проводимости может иметь не любые 
значения энергии, а только некоторые, называемые резонансными 
Eрез порядка 0,1 эВ над дном зоны проводимости Eс (рис. 1.6, г). 
Эти резонансные уровни аналогичны разрешенным уровням энергии внутри атома. Поэтому такие наночастицы называют «искусственными атомами» или квантовыми точками. 
Для выделения квантовых точек индия из InAs-нанослоя на поверхности GaAs важны сжимающие механические напряжения в 
InAs. Они вызваны большим рассогласованием кристаллических 
решеток InAs и GaAs. Постоянная решетки у InAs заметно (примерно на 0,02 нм, т. е. на 0,1 диаметра атома) меньше, чем у GaAs. 
Сжимающие напряжения собирают индий в квантовые точки аналогично тому, как собирается в капли водяной пар на холодной 
поверхности при его конденсации. Аналогичная самоорганизация 
квантовых точек наблюдается и при МЛЭ-росте германия на поверхности кремния. Германий собирается в квантовые точки на 
кремнии так же, как индий на InGaAs.  
Сжимающие напряжения приводят к трем самоорганизующим 
эффектам в InGaAs-наноструктурах: 1) выстраивание квантовых 
точек в двумерную решетку с расстоянием в плоскости InAs-слоя 
Доступ онлайн
640 ₽
В корзину