Создание баз данных в области наноэлектроники как элементов информационной составляющей инфрастр (стр. 14 из 19)
Тем не менее истинно «наноразмерные» эффекты ожидаются именно в этом классе. Конструируются молекулярные наномашины и наномоторы (роторы), динамические молекулярные переключатели, транспортировщики энергии, устройства распознавания, хранения информации. Для исследования инжекции носителей и туннельного тока в отдельных молекулах совершенствуются методы зондовой микроскопии.
Следует учитывать, что в числе главных достоинств (если не самых главных) органики находятся дешевизна и доступность. Изощренный синтез новых соединений делает их едва ли не дороже высокочистых неорганических веществ, поэтому наибольшие практические перспективы имеют исследование и модификация (оптимизация) широко распространенных и изученных (более или менее) соединений с высокой стабильностью и способностью интегрироваться в разработанные технологические процессы. Из наиболее известных — это фталоцианины, фуллерены, политиофены и полиарены.
1.2.7. Фуллереноподобные материалы
Графит, алмаз и карбин в течение долгого времени считались основными аллотронными состояниями углерода. Их применяли во многих отраслях промышленности и техники, в том числе в микро- и оптоэлектронике. За 10 лет до конца XX века были обнаружены сначала в космосе, а потом получены в лаборатории новые молекулярные формы углерода — фуллерены и фуллереноподобные индивидуальные вещества и материалы. В настоящее время фуллереновые материалы начинают широко применять в промышлен-ности: от микро- и наноэлектроники до эффективных медицинских препаратов.
К фуллереновым материалам относятся следующие:
Фуллерены.Они образуют молекулярно-кристаллические твердые тела, часто вследствие большого размера и высокой симметрии своих молекул — пластические кристаллы без температуры плавления. Они образованы молекулами С2n, имеющими форму либо сфер, либо эллипсов, хотя возможны их другие комбинации (полусферы с цилиндрами из углерода). Возможны многослойные сферы или эллипсы («оолитовые» или «луковичные» структуры). Размер молекул главного представителя фуллеренов С60 составляет 1 нм, и в растворе молекулы обладают свойствами броуновской частицы.
Углеродные нанотрубки. Они образованы из свернутых по различным направлениям графитовых плоскостей и закрыты на концах сетчатыми углеродными полусферами. Такие «графитовые» нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Последние могут быть переведены окислением и травлением в однослойные. Углеродные нанотрубки могут иметь разветвления и изгибы. В этом случае они теряют исходную «графитовую» структуру и не называются «графитовыми». Однослойные нанотрубки имеют размеры от 1 до 10 нм в диаметре и длину 100—1000 нм и более, а многослойные имеют диаметры и длину в 10—100 раз больше. Твердые тела могут быть образованы из жгутов нанотрубок или коллинеарных (но более коротких) образований.
Наполненные фуллерены(эндопроизводные). Наполнением могут быть молекулы инертных или других газов, небольшие органические и неорганические молекулы, атомы металлов (щелочных, щелочноземельных, лантанидов и др.). Несмотря на трудности получения и малый выход таких производных, присущие им свойства заставляют исследовать их синтез и возможные применения. Эти производные в большинстве своем имеют крайне низкие потенциалы ионизации по сравнению с металлами, и по-видимому, обладают металлическими свойствами.
Наполненные углеродные нанотрубки. Помимо перечисленного выше для наполнения могут быть использованы фуллерены меньшего диаметра.
Неорганические нанотрубки (MoS2, WSe2 и др.). Патентная литература и применения фуллереноподобных материалов чрезвычайно разнообразны. Фуллереноподобные материалы обладают рядом замечательных характеристик, включая химическую стойкость, высокую прочность, жесткость, ударную вязкость, теплопроводность и электропроводность. В зависимости от тонких особенностей молекулярной симметрии фуллерены и нанотрубки могут быть диэлектриками, полупроводниками, обладать металлической проводимостью и высокотемпературной сверхпроводимостью. Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными — возможно даже уникальными — материалами для изготовления электрических проводов, сверхпроводящих соединений или целых устройств, которые с полным основанием можно назвать изделиями молекулярной электроники. Химической сборке элементов различных схем благоприятствуют свойства фуллерена, который может образовывать ионы от +6 до -6 и в различных матрицах — связи с донорами, акцепторами, свободными радикалами и ионами. Фуллерены могут также использоваться при создании средств молекулярной оптоэлектроники для фемтосекундной оптоволоконной передачи информации. Полимеризация фуллеренов при электронно-лучевом или ионизирующем воздействии дает возможность получать резисты нового поколения.
Углеродные нанотрубки используются в качестве игольчатых щупов сканирующих зондовых микроскопов и в дисплеях с полевой эмиссией, в высокопрочных композиционных материалах, электронных устройствах со схемами из коротких нанотрубок, подвергнутых манипулированию и сборке. Молекулярный характер фуллереновых материалов позволяет разработать химическую стратегию сборки этих элементов в пригодные для использования структуры, материалы и, возможно, даже молекулярные электронные устройства.
1.2.7.1. Углеродные нанотрубки
Углеродные нанотрубки (УНТ) являются наноструктурами с широким потенциалом применения. Впервые они были получены в 1991 г. Ижимой [184].
Кроме фундаментальных исследований УНТ оказались перспективными материалами для получения новых наноматериалов и наноустройств. Это прежде всего возможность регулировать проводимость нанотрубки путем изменения ее структуры. Второе важное свойство — это высокая напряженность электронного поля, порождаемая малым нанометровым диаметром нанотрубки по отношению к среднему приложенному напряжению. Это приводит к аномально высокому току эмиссии при относительно малых напряжениях и лежит в основе создания холодных катодов и эмиттеров на основе УНТ. Поскольку УНТ представляют собой полости, они могут использоваться не только как адсорбенты, но и как хранилища газообразных или жидких веществ, в частности для хранения водорода.
УНТ образуются в результате химических превращений углерода при высоких температурах. Можно выделить три основных способа их получения: электродуговое распыление графита, абляция графита с помощью лазерного или солнечного облучения и каталитическое разложение углеводородов в процессах химической газофазной эпитаксии и СВЧ плазменного эпитаксиального осаждением из газовой фазы [185].
Метод электродугового распыления состоит в использовании дугового разряда с графитовыми электродами, горящими в атмосфере инертного газа. К электродам из углерода диаметром 5-20 мм, разнесенным на расстояние около 1 мм, в потоке гелия при давлении 66500 Па прикладывается напряжение 20 - 25 В. Нанотрубки образуются на отрицательном электроде. Для получения однослойных нанотрубок в центральную область положительного электрода добавляют небольшие количества кобальта, никеля или железа в качестве катализаторов. Отсутствие катализатора приводит к получению многослойных или вложенных нанотрубок, то есть нанотрубка внутри нанотрубки, как показано на рис. 14, с внутренним диаметром от 1 до 3 нм и внешним диаметром от 2 до 25 нм. Применение катализатора, например Fe, Co, Ni, Cr, Pd и т. д., приводит к образованию однослойных УНТ с диаметром от 0,79 нм и длиной порядка 1 мкм.
Второй основной способ получения УНТ состоит в испарении лазером мишени из графита нагретой до 1200°С в атмосфере инертного газа. Графитовая мишень содержит небольшие количества кобальта и никеля, выступающие в качестве каталитических зародышей образования нанотрубок. Здесь опять применение металлических катализаторов ведет к изменению характера синтеза и переходу от многослойных трубок к однослойным, при этом размеры УНТ определяются длительностью лазерного импульса и его интенсивностью. Таким методом можно получить трубки диаметром 10 - 20 нм и длиной 100 микрон.Наибольшие достижения в получении УНТ получены с помощью каталитического разложения углеводородов на поверхности металлического катализатора. Этот метод подобен CVD методу получения тонких плёнок. Катализатор представляет из себя, например, высокодисперсный порошок металлического железа при Т = 700° С, который помещен в тигель внутри трубки, через которую пропускается смесь, например; С2Н2:N2 в соотношении 1:10. В результате на поверхности катализатора образуются различного рода УНТ и металлические нанокластеры внутри многослойной графитовой оболочки. Однако наиболее высокая степень однородности УНТ получается при использовании пористой подложки с высокой степенью однородности пор, которые заполнены нанокластерами металлического катализатора. В этом случае диаметр УНТ будет совпадать с размером кластера и размером нанопоры. Если поры обладают достаточной глубиной и поверхностной плотностью, то нанотрубки образуются перпендикулярно к поверхности и обладают высокой степенью однородности. Размеры УНТ и ее структура определяются температурным режимом процесса, составом газовой фазы, но, главным образом, составом и размером нанокластеров катализатора.
Схема процесса плазменного эпитаксиального осаждения из газовой фазы нанотрубок состоит из следующих этапов [186]: 1) в камеру реактора подают технологический газ (метан, водород); 2) через кварцевое окно зажигают плазму путем ввода микроволнового излучения в камеру реактора, и 3) к подложке, на которую напылен металл-катализатор для роста углеродных нанотрубок, прикладывают отрицательное напряжение смещения.