Наноматериалы и наноустройства в радиоэлектронике

В. Д. КАЗАКОВ 
НАНОМАТЕРИАЛЫ 
И НАНОУСТРОЙСТВА 
В РАДИОЭЛЕКТРОНИКЕ 
Учебное пособие 
Москва    Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 

УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
К14 
Рецензенты: 
д-р техн. наук, профессор Ю. Ф. Казаков  
(кафедра «Транспортно-технологические машины и комплексы»,  
Чувашский государственный аграрный университет); 
канд. техн. наук, доцент В. Г. Медведев 
Казаков, В. Д. 
К14  
 
Наноматериалы и наноустройства в радиоэлектронике : учебное пособие / В. Д. Казаков. - Москва ; 
Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. - 164 с. : ил., 
табл. 
ISBN 978-5-9729-1596-5 
Изложены основные свойства применяемых в наноэлектронике материалов; описаны методы применения их в полупроводниковых приборах и системах. Показаны примеры применения наноструктур в полупроводниковой технике: создание биполярных 
транзисторов, диодов, цифровых устройств; в компьютерной технике. Рассматривается возникновение и развитие нанонауки и 
нанотехнологий; перспективы развития нанотехнологии в электронике; нанотехнология в микроэлектронике; новые технологии будущего: компьютерная технология, суперкомпьютеры в нанотехнологиях, лазерные видеотехники. 
Для студентов факультета радиоэлектроники и автоматики. 
УДК 621.38 
ББК 32.844.2 
ISBN 978-5-9729-1596-5 ” Казаков В. Д., 2024 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 

ВВЕДЕНИЕ 
Понятие нанотехнологий. Нанотехнологии - это область, 
находящаяся на стыке фундаментальной и прикладной науки и 
техники, работающая с совокупностью теоретических обоснований, практических методов исследования, синтеза и анализа, 
методов производства и применения продуктов с определенной 
атомной структурой, полученной за счет контролируемого манипулирования отдельными молекулами и атомами. Нанотехнология занимается изучением нанометровых объектов. Практический аспект нанотехнологий заключается в производстве 
устройств и их компонентов, которые необходимы для создания, обработки и манипуляций молекулами, атомами и наночастицами. При этом не обязательно объект должен обладать линейным размером меньше 100 нм, он может представлять собой 
макрообъект, атомарная структура которого подконтрольно создается с разрешением на уровне атомов или содержит в себе 
нанообъекты. Термин нанотехнологии в более широком смысле 
охватывает методы диагностики и исследований таких объектов. Нанотехнологии отличаются от традиционных дисциплин, 
так как на таких малых масштабах привычные нам макроскопические технологии взаимодействия с материей чаще всего неприменимы. При этом микроскопические явления, которыми 
пренебрегают на привычных масштабах, становятся значительными. Нанотехнология, особенно ее часть - молекулярная технология, являются новыми и мало исследованными дисциплинами. 
Основные открытия в этой области еще предстоит сделать. Но 
проводимые исследования уже сейчас дают практические результаты. Применение в нанотехнологии современных научных достижений дает право относить ее к области высоких технологий. 
Что такое «нано»? 
Когда-то на слуху были достижения микроэлектроники. 
Сейчас мы перешли к новой эре нанотехнологий. Так что такое 
это «нано», которое то тут, то там стали добавлять к привычным 
словам, придавая им новое современное звучание: нанороботы, 
наномашины, нанорадио и так далее" Приставка «нано-» при- 
меняется в Международной системе единиц (СИ). Ее используют для образования обозначений десятичных дольных единиц.  
3 

Это одна миллиардная часть исходной единицы. В данном случае мы говорим об объектах, чьи размеры определяются в 
нанометрах. Значит, один нанометр - это одна миллиардная 
часть метра. Для сравнения, микрон (он же микрометр, давший 
название микроэлектронике, а кроме того, микробиологии, микрохирургии и т. д.) - это одна миллионная часть метра. 
Если взять для примера миллиметры (приставка «милли» - 
одна тысячная), то в миллиметре 1 000 000 нанометров (нм) и, соответственно, 1 000 микрометров (мкм). Человеческий волос имеет 
толщину в среднем 0,05…0,07 мм, то есть 50 000…70 000 нм. Хотя 
диаметр волоса и можно записать в нанометрах, это еще далеко не 
наномир. Углубимся и посмотрим, что там есть уже сейчас. 
Размеры бактерий составляют в среднем 0,5…5 мкм  
(500-5000 нм). Вирусы, одни из главных врагов бактерий, еще 
меньше. Средний диаметр большинства изученных вирусов составляет 20…300 нм (0,02…0,3 мкм). А вот спираль ДНК имеет 
диаметр уже 1,8…2,3 нм. Считается, что самый маленький 
атом - это атом гелия, его радиус 32 пм (0,032 нм), а самый 
большой - цезия 225 пм (0,255 нм). В целом, нанообъектом будет считаться такой объект, размер которого хотя бы в одном 
измерении находится в нанодиапазоне (1…100 нм). 
Можно ли увидеть наномир? 
Конечно, все, о чем говорится, хочется увидеть своими глазами. Ну хотя бы в окуляр оптического микроскопа. Можно ли заглянуть в наномир" Обычным способом, как мы наблюдаем, 
например, микробов, нельзя. Почему" Потому что свет с некоторой долей условности можно назвать нановолнами. Длина волны 
фиолетового цвета, с которого начинается видимый диапазон, - 
380…440 нм. Длина волны красного цвета - 620…740 нм. Длины 
волн видимого излучения составляют сотни нанометров. При этом 
разрешение обычных оптических микроскопов ограничивается дифракционным пределом Аббе примерно на уровне половины длины волны. Большинство интересующих нас объектов еще меньше. 
Поэтому первым шагом на пути проникновения в наномир 
стало изобретение просвечивающего электронного микроскопа. 
Причем первый такой микроскоп был создан Максом Кноллем и 
Эрнстом Руска еще в 1931 году. В 1986 году за его изобретение 
4 

была вручена Нобелевская премия по физике. Принцип работы 
такой же, как и у обычного оптического микроскопа. Только вместо света на интересующий объект направляется поток электронов, 
который фокусируется магнитными линзами. Если оптический 
микроскоп давал увеличение примерно в тысячу раз, то электронный уже в миллионы раз. Но у него есть и свои недостатки. Вопервых, это необходимость получить для работы достаточно тонкие образцы материалов. Они должны быть прозрачны в электронном пучке, поэтому их толщина варьируется в пределах  
20-200 нм. Во-вторых, это то, что образец под воздействием пучков электронов может разлагаться и приходить в негодность. 
Другим вариантом микроскопа, использующего поток электронов, является сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) 
(рис. 1). Он не просвечивает образец, как предыдущий, а сканирует 
его пучком электронов. Это позволяет изучать более «толстые» 
образцы. Обработка анализируемого образца электронным пучком 
порождает вторичные и обратноотраженные электроны, видимое 
(катодолюминесценция) и рентгеновское излучения, которые улавливаются специальными детекторами. На основании полученных 
данных и формируется представление об объекте. Первые сканирующие электронные микроскопы появились в начале 1960-х годов. 
 
 
Рис. 1. Сканирующий электронный микроскоп (СЭМ) 
5 
 

Сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ) (рис. 2) - 
относительно новый класс микроскопов, появившихся уже 
в 80-е годы. Сканирующие микроскопы позволяют скорее не 
рассмотреть, а «ощупать» рельеф поверхности образца. Полученные данные затем преобразуются в изображение. В отличие 
от сканирующего электронного микроскопа, зондовые используют для работы острую сканирующую иглу (рис. 3).  
Рис. 2. Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) 
Рис. 3. Сканирование при постоянной силе взимодействия зонда  
с образцом 
6 

Игла, острие которой имеет толщину всего несколько атомов, выступает в роли зонда, который подводится на минимальное расстояние к образцу - 0,1 нм. В ходе сканирования игла 
перемещается над поверхностью образца. Между иглой и поверхностью образца возникает туннельный ток, и его величина 
зависит от расстояния между ними. Изменения фиксируются, 
что позволяет на их основании построить карту высот - графическое изображение поверхности объекта. 
Похожий принцип работы использует и другой микроскоп 
из класса сканирующих зондовых микроскопов - атомносиловой (АСМ) (рис. 4).  
 
 
 
Рис. 4. Схема работы атомно-силового микроскопа 
 
Здесь есть и игла-зонд, и аналогичный результат - гра- 
фическое изображение рельефа поверхности. Но измеряется  
не величина тока, а силовое взаимодействие между поверхностью и зондом. В первую очередь подразумеваются силы  
Ван-дер-Ваальса, но также и упругие силы, капиллярные силы, 
силы адгезии и другие. В отличие от сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) (рис. 5), который может применяться 
только для исследования металлов и полупроводников, атомносиловой позволяет изучить и диэлектрики. 
 
7 
 

 
 
Рис. 5. Схема устройства сканирующего туннельного микроскопа 
 
Но это не единственное его преимущество. Он позволяет  
не только заглянуть в наномир, но и манипулировать атомами 
(рис. 6). 
 
 
 
Рис. 6. Молекула пентацена:  
А - модель молекулы; В - изображение, полученное 
 сканирующим туннельным микроскопом;  
С - изображение, полученное атомно-силовым микроскопом;  
D - несколько молекул (АСМ); А, B и C в одном масштабе 
  
 
8 
 

ГЛАВА 1. НАНОМАТЕРИАЛЫ  
И ИХ ПРОИЗВОДСТВО 
  
1.1. Наноструктуры - наноматериалы 
 
Существует несколько подходов к определению понятия 
«наноматериал». 
Самый простой подход связан с геометрическими параметрами, в соответствии с которыми материалы с характерным 
размером структурных элементов в диапазоне от 1 до 100 нм 
называют наноструктурными. 
Нижняя граница диапазона обусловлена критическим размером существования нанокристаллического материала как 
структурного элемента, имеющего упорядоченное строение,  
т. е. кристаллическую решетку. Такой критический размер,  
в частности, для железа, составляет примерно 0,5 нм. 
Верхняя граница диапазона обусловлена тем, что заметные  
и интересные с технической точки зрения изменения физикомеханических свойств материалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и др.) начинаются при размерах наноструктурных элементов, существенно меньших 100 нм. 
Второй подход связан со значительной ролью в формировании свойств наноматериалов многочисленных поверхностей 
раздела. При этом наибольшее изменение свойств происходит  
в случае, когда объемная доля площадей поверхностей раздела  
в общем объеме материала составляет более 50 . 
Третий подход основан на понятии характерного размера 
для определенного физического явления: 
- для прочностных свойств это будет размер бездефектного 
кристалла; 
- для магнитных свойств - размер однодоменного кристалла; 
- для электропроводности - длина свободного пробега 
электронов. 
Считается, что если при уменьшении объема какого-либо 
вещества по одной, двум или трем координатам до размеров 
нанометрового масштаба возникает новое качество или это качество возникает в композиции из таких объектов, то эти обра9 
 

зования следует отнести к наноматериалам, а технологии их 
получения и дальнейшую работу с ними - к нанотехнологиям. 
Итак, в науке используются следующие термины: 
- нанотехнологии;
- наноматериалы (наночастицы, наноструктуры).
Материалы, разработанные на основе наночастиц с уникальными характеристиками, вытекающими из микроскопических размеров их составляющих. 
Углеродные нанотрубки - протяженные цилиндрические 
структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров, состоящие из  
одной или нескольких свернутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей (графенов), выложенные правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы  
углерода, и обычно заканчивающиеся полусферической го- 
ловкой. 
Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки.  
Они обладают особой прочностью и упругостью. При использовании определенных методов получения нанотрубок они 
получаются малодефектными, с заранее заданной структурой  
и направлением роста. 
Нанотрубки имеют разную структуру: одностенные и многостенные нанотрубки (рис. 1.1, 1.2).  
Рис. 1.1. Одностенная нанотрубка     Рис. 1.2. Многостенная нанотрубка 
Структура одностенных нанотрубок (рис. 1.1) во многих отношениях отличается от представленной выше идеализированной картины. Прежде всего, это касается вершин нанотрубки, 
форма которых, как следует из наблюдений, далека от идеальной 
полусферы. 
10