Лекции_Введение_в_нанотехнологии. Введение в нанотехнологии
 Скачать 5.09 Mb.
|
Глава 2. Наноматериалы и технологии их получения. Технология получения наноматериалов (технология «сверху-вниз» и «снизу-вверх»)Нанотехнологии позволяют создавать и использовать материалы и устройства нанометровых размеров. Существует два подхода при получении нанометровых объектов и изделий. Эти подходы принято называть технологиями «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Технология «сверху-вниз» основана на уменьшении размеров тел механической или иной обработкой, вплоть до получения объектов нанометрового размера. Так, например, наночастицы можно получить, перемалывая в специальной мельнице материал макроскопических размеров. Технология получения наноматериалов (технология «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Литография Рис. 2.9. Структура, полученная при помощи литографии (http://perst.isssph.kiae.ru) В настоящее время литография является одним из основных инструментов получения наноструктур в электронике (рис. 2.9). Название «литография» происходит от греческих слов «литос» – камень и «графо» – пишу, что дословно означает «пишу на камне». Литография позволяет создавать наноструктуры на поверхности твердых тел. В простейшем случае литография состоит из нескольких этапов. На первом этапе на поверхность твердого тела наносится слой фоторезиста. Фоторезист – это светочувствительное вещество, которое под действием излучения изменяет структуру поверхности, на которую нанесено. Следующий этап процесса литографии называется экспонированием. Поверхность твердого тела с нанесенным на нее фоторезистом и наложенным сверху фотошаблоном подвергается облучению оптическим источником излучения (лампа или лазер). В результате, под прозрачными для излучения участками фотошаблона происходит изменение структуры поверхности, вызванное действием фоторезиста. Измененная фоторезистом часть поверхности может быть удалена вместе с фоторезистом с помощью процедуры травления. Химическое травление основано на растворении специальными химическими веществами (травителями) поверхности, изменившей свою структуру под действием облученного фоторезиста. Таким образом можно «вырезать» на поверхности твердого тела достаточно сложные структуры. Литография является одним из основных этапов создания микросхем – устройств, управляющих электронной техникой. Уменьшение размеров микросхем может быть достигнуто при уменьшении размеров «рисунков», формируемых при литографии. Характеристикой источника оптического излучения, используемого для «засветки» фоторезиста через фотошаблон является длина волны излучения. Из-за явления дифракции данная величина не может быть больше размера деталей, которые мы хотим вырезать с помощью литографии. Если мы используем в литографии источник излучения с длиной волны в 1 микрон, то и минимальный размер деталей, которые нам удастся нарисовать, будет таким же. Для того чтобы нарисовать с помощью литографии объект нанометрового размера, необходимо использовать источники дальнего ультрафиолетового излучения с длиной волны в несколько десятков нанометров. Технология получения наноматериалов (технология «сверху-вниз» и «снизу-вверх». ЭпитаксияТехнология «снизу-вверх» сводится к получению наноразмерного объекта путем сборки из отдельных атомов и молекул. В большинстве технологий сборки наноматериалов из отдельных атомов лежит явление конденсации. Конденсация (от лат. condenso – уплотняю, сгущаю) – переход вещества из газообразного состояния в жидкое или твёрдое вследствие его охлаждения или сжатия. Дождь, снег, роса, иней – все эти явления природы представляют собой следствие конденсации водяного пара в атмосфере. Конденсация пара возможна только при температурах ниже критической для данного вещества. Аналогично молекулам воды, можно «конденсировать» атомы и молекулы других химических элементов. Конденсация, как и обратный процесс – испарение, является примером фазовых превращений вещества. Процесс фазового превращения из газа в жидкость или из жидкости в твердое вещество протекает за определенное время. На начальной стадии процесса превращения образуются наночастицы, которые затем перерастают в макроскопические объекты. Наночастицы можно получить, если «заморозить» фазовый переход на начальной стадии. При конденсационном методе получения наночастиц необходимо испарить из макроскопического тела атомы, из которых и будет проходить «сборка». Испарение можно произвести за счет термического или лазерного разогрева макроскопического тела. Испаренные атомы необходимо перенести в область пониженных температур, где и происходит их конденсация в наночастицы. Сложность технологического процесса заключается в создании условий, при которых наночастицы не перерастут в макроскопические тела. На основе явления конденсации получают фуллерены, углеродные трубки, нанокластеры и наночастицы различного размера. Управляемая конденсация атомов на поверхности кристалла (подложки) лежит в основе технологии эпитаксии. Эпитаксия (от греч. ерí – на, над и греч. táxis – расположение, порядок) – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки) (рис. 2.10).
Эпитаксию необходимых атомов на поверхность кристалла можно производить как из жидкой, так и газовой фазы. Процесс эпитаксии обычно начинается с возникновения на подложке отдельных кристалликов, которые, срастаясь друг с другом, образуют сплошную плёнку. Современные методы эпитаксии позволяют наращивать слои толщиной в несколько (даже один!) атомных слоев, а также последовательно наращивать слои с различными физико-химическими свойствами. Эпитаксия широко используется в микроэлектронике (транзисторы, интегральные схемы, светодиоды и т. д.), в квантовой электронике (многослойные полупроводниковые гетероструктуры, инжекционные лазеры), в устройствах интегральной оптики; в вычислительной технике (магнитные элементы памяти) и т. п. Самым современным методом осуществления процесса эпитаксии является молекулярно-лучевая эпитаксия. При этом методе на подготовленную и очищенную подложку направляются потоки отдельных атомов (рис. 2.11). Скорость потока каждого сорта атомов регулируется независимо.
Достигая поверхности подложки, атомы тем или иным способом упорядочиваются (рис. 2.12), образуя необходимые нам структуры. | ||||||
