Будущее за нанотрубками

Сергей Пахомов

Что такое нанотрубка

Свойства нанотрубок

Транзистор на основе нанотрубки

Память на основе нанотрубок

 

Современная микроэлектроника вплотную приблизилась к атомарному рубежу, то есть типичные размеры транзисторов (например, толщина оксидной пленки или размер затвора) составляют несколько десятков атомных слоев. Дальнейшее уменьшение размеров транзисторов становится все более проблематичным, и поэтому многие компании активно занимаются разработкой альтернативных технологий. К одной из таких перспективных технологий можно отнести использование в производстве транзисторов карбоновых (углеродных) нанотрубок.

Что такое нанотрубка

Углеродные нанотрубки, которые также называют фуллеренами, или углеродными каркасными структурами,  — это большие молекулы, состоящие только из атомов углерода. Принято даже считать, что эти молекулы представляют собой новую форму углерода, наряду с известными формами — графитом и алмазом. Если подходить к понятию фуллеренов формально, то можно сказать, что это аллотропные молекулярные формы углерода, в которых атомы расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников.

Главная особенность нанотрубок заключается в том, что они имеют каркасную форму, напоминающую замкнутую полую оболочку. По форме фуллерены могут быть различными: как оболочка футбольного мяча или мяча для регби либо как цилиндрическая труба. Молекулы фуллеренов могут содержать 28, 32, 50, 60, 70, 76 и т.д. атомов углерода. Самый известный из фуллеренов — это так называемый фуллерен C60, каркасная форма которого напоминает футбольный мяч (рис. 1). Этот фуллерен, имеющий форму правильного усеченного икосаэдра, обладает наибольшей симметрией и, следовательно, максимальной стабильностью. Атомы углерода в нем располагаются на сферической поверхности в вершинах 20 правильных шестиугольников и 12 правильных пятиугольников; каждый шестиугольник имеет три общие стороны с другими шестиугольниками и три общие стороны с пятиугольниками, то есть все пятиугольники граничат только с шестиугольниками.

 

Рис. 1. Форма фуллерена C60

Рис. 1. Форма фуллерена C60

Именно с фуллерена C60, открытого в 1985 году, началась целая эпоха развития этих удивительных по своим свойствам каркасных структур. Фуллерены были названы по имени американского архитектора Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), который при конструировании куполов зданий применял структуры, подобные фуллеренам.

В конце 80-х — начале 90-х годов фуллерены научились получать в макроскопических количествах, а в 1991 году неожиданно были открыты новые фуллерены, напоминающие длинные цилиндрические каркасные формы (рис. 2), — они называются нанотрубки. В поперечном сечении их размер обычно составляет несколько нанометров, в то время как по длине они могут достигать гигантских размеров — вплоть до миллиметра.

 

Рис. 2. Форма нанотрубок

Рис. 2. Форма нанотрубок

Визуально структуру таких нанотрубок можно представить следующим образом: это графитовая плоскость (то есть плоскость, в которой атомы углерода упакованы по типу графита), из которой вырезана длинная полоска, свернутая в цилиндр. Этот цилиндр и представляет собой карбоновую нанотрубку.

Очевидно, что от того, каким образом из графитовой плоскости вырезается полоска, будет зависеть степень скрученности нанотрубки. Рассмотрим это более подробно.

Возьмем графитовую плоскость, в которой атомы углерода расположены в вершинах правильных шестиугольников. Выберем в этой плоскости базовые векторы и , как показано на рис. 3, и отложим векторы и , где n и m — целые числа. Далее проведем вектор , который будет характеризовать геометрию нанотрубки. Через конец и начало вектора проведем перпендикулярные к нему прямые L и L`. Эти прямые ограничивают в плоскости бесконечную полоску. Если теперь свернуть эту полоску в цилиндр, так чтобы прямые L и L` совпали, то получим нанотрубку, диаметр которой будет выражаться через длину вектора как

.

Понятно, что в зависимости от чисел m и n положение полосы, ограниченной прямыми L и L`, в графитовой плоскости может быть различным. Ось, образованная закрашенными в розовый цвет шестиугольниками на рис. 1, в общем случае составляет некоторый угол с линией L, и при сворачивании полосы в цилиндр эта ось будет представлять собой винтовую линию, по которой можно судить о скрученности нанотрубки. Единственное исключение составляет случай, когда m = n (рис. 4), при котором границы L и L` вырезаемой из плоскости полосы параллельны указанной оси. В этом случае нанотрубка не имеет скрученности.

 

Рис. 3. Образование нанотрубки с геометрией (7, 4)

Рис. 3. Образование нанотрубки с геометрией (7, 4)

Степень скрученности нанотрубок, характеризуемая парой чисел m и n, оказывает значительное влияние на электрические свойства нанотрубок. Не углубляясь в теорию кристаллических структур, отметим лишь, что степень скрученности нанотрубок определяет ее зонную структуру и взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости на энергетической диаграмме. Оказывается, что если разность nm кратна трем, то нанотрубка будет обладать электронной проводимостью по типу металлов. Во всех остальных случаях нанотрубки являются полупроводниками и между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона с шириной от нескольких десятых до единиц электрон-вольт (эВ). Причем чем меньше диаметр нанотрубки, тем больше ширина запрещенной зоны.

В начало В начало

Свойства нанотрубок

Удивительные свойства проводимости нанотрубок — это далеко не все особенности описанных выше загадочных молекул. К примеру, нанотрубки оказались на редкость прочным материалом как на растяжение, так и на изгиб. Как показывают результаты экспериментов, модуль Юнга нанотрубки достигает величин в несколько ТПа, что на порядок больше, чем у стали. И если в будущем удастся выращивать нанотрубки неограниченной длины, то такой «трос» толщиной меньше человеческого волоса, состоящий из нескольких нанотрубок, способен будет выдерживать груз массой сотни килограмм.

Впрочем, вернемся к основной теме нашей статьи. Как уже отмечалось, благодаря своим уникальным свойствам нанотрубки находят все большее применение в микроэлектронике. К примеру, изогнутая нанотрубка по свойствам проводимости адекватна диоду. Дело в том, что для изгиба нанотрубки в нее нужно внедрить дефектный элемент (например, заменить один из шестиугольников на пятиугольник). В результате степень скрученности нанотрубки с разных относительно изгиба сторон оказывается различной, что приводит к разному типу проводимости. К примеру, с одной стороны относительно изгиба может быть металлическая проводимость, а с другой — полупроводниковая. В этом случае такая нанотрубка с изломом будет представлять собой структуру типа «металл—полупроводник» с односторонней (как и у диода) проводимостью.

В начало В начало

Транзистор на основе нанотрубки

Другое, не менее интересное применение нанотрубок — это создание полевых транзисторов, в которых роль канала проводимости выполняет именно нанотрубка. Напомним, что полевые транзисторы являются фундаментом современной микроэлектроники, и вполне возможно, что в скором будущем процессоры будут формироваться из миллиардов мельчайших транзисторов на основе нанотрубок.

Напомним, что в традиционном полевом транзисторе канал переноса носителей заряда (дырок и электронов), который представляет собой область между стоком и истоком, обогащенную основными носителями заряда, образуется в подзатворной области под действием электрического поля, возникающего при приложении напряжения к затвору. Меняя напряжение на затворе, можно управлять каналом переноса (концентрацией носителей заряда в подзатворной области). При этом, как правило, рассматриваются два состояния полевого транзистора: открытое и запертое. В открытом состоянии существует канал переноса заряда, и под воздействием напряжения между стоком и истоком возникает электрический ток. В запертом состоянии канала переноса нет и тока между стоком и истоком не возникает.

Принцип действия полевого транзистора на основе нанотрубки подобен принципу действия традиционного транзистора, но каналом переноса заряда в данном случае является сама нанотрубка.

В простейшем случае транзистор с нанотрубкой выглядит следующим образом (рис. 5). На подложку из кремния, которая сама является управляющим электродом (затвором), наносится тончайшая пленка защитного слоя — оксида кремния. На этой пленке расположены сток и исток в виде тонких проводящих рельсов. Между этими рельсами располагается сама нанотрубка с полупроводниковой проводимостью. В обычном состоянии концентрация свободных носителей зарядов (дырок и электронов) в нанотрубке мала, то есть она является диэлектриком. Зона проводимости в данном случае отделена от валентной зоны запрещенной зоной шириной в несколько электрон-вольт. Однако при помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны меняется и концентрация свободных носителей зарядов увеличивается. В этих условиях нанокарбоновая трубка становится проводником. Электрическое поле, управляющее проводимостью нанокарбоновой трубки, создается затвором, которым, как уже отмечалось, является кремниевая подложка. При потенциале затвора порядка 6 В концентрация свободных носителей заряда в валентной зоне достигает максимума, и нанотрубка становится хорошим проводником. Таким образом, меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки и соответственно открывать или запирать транзистор.

 

Рис. 5. Структура полевого транзистора на основе нанотрубки

Рис. 5. Структура полевого транзистора на основе нанотрубки

Первой компанией, изготовившей в 2001 году транзистор на нанотрубках, стала IBM. С тех пор было разработано множество альтернативных схем транзисторов с нанотрубками. К примеру, в компании Samsung была создана схема транзистора с вертикальным расположением нанотрубок.

Конечно, пройдет еще немало времени, прежде чем транзисторы на основе нанотрубок будут внедрены в массовое производство, однако уже сейчас становится очевидным, что эти транзисторы имеют массу преимуществ в сравнении с традиционными и что они будут востребованы в скором будущем.

В начало В начало

Память на основе нанотрубок

Другое интересное применение нанотрубок — это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory). Первой данный тип памяти реализовала компания Nantero (www.nantero.com).

В предложенной компанией схеме (рис. 6) на кремниевую подложку наносится тонкая изолирующая пленка оксида кремния, вдоль которой размещены токопроводящие электроды шириной в 130 нм, отделенные друг от друга изолирующими слоями. Над электродами перпендикулярно к ним расположены массивы нанотрубок, которые замыкаются с обеих сторон на проводящие контакты. В обычном состоянии (состояние OFF) нанотрубки не касаются электродов и находятся над ними на высоте порядка 13 нм. Если к нижнему электроду приложить напряжение, то нанотрубка под воздействием электрического поля начнет выгибаться и коснется нижнего электрода. Однако такое состояние (состояние ON) оказывается устойчивым за счет баланса между возникающим механическим напряжением и Ван-дер-Ваальсовыми силами (рис. 7). В результате даже после исчезновения напряжения форма нанотрубки не изменится. Таким образом, меняя напряжение на электроде, можно переходить между двумя стабильными механическими состояниями нанотрубок, в одном из которых имеется контакт с электродом, а в другом — нет. Одно из этих состояний будет отвечать логическому нулю, а другое — логической единице.

 

Рис. 6. Структура массива NRAM-памяти на нанотрубках

Рис. 6. Структура массива NRAM-памяти на нанотрубках

Рис. 7. Два устойчивых механических состояния нанотрубок

Рис. 7. Два устойчивых механических состояния нанотрубок

Для того чтобы прочитать содержимое элементарной ячейки памяти, между нижним электродом и контактом, к которому подсоединены нанотрубки, отвечающие выбранной ячейке памяти, подается напряжение. Если ячейка памяти находится в состоянии OFF, при котором нет физического контакта между электродом и нанотрубкой, то электрическая цепь оказывается разомкнутой и напряжение будет высоким, что соответствует логической единице. Если же ячейка памяти находится в состоянии ON, то есть имеется контакт между нанотрубкой и нижним электродом, то цепь замыкается и напряжение будет низким, что соответствует логическому нулю (рис. 8).

 

Рис. 8. Считывание информации с ячейки памяти на основе нанотрубок

Рис. 8. Считывание информации с ячейки памяти на основе нанотрубок

В сравнении с традиционными типами памяти, память NRAM имеет ряд преимуществ. Во-первых, несмотря на то, что это RAM-память, она является энергонезависимой. Во-вторых, по утверждениям компании Nantero, плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд. бит на квадратный сантиметр (в несколько раз больше, чем в сегодняшних микросхемах памяти), а частота работы памяти — до 2 ГГц.

К настоящему времени компания Nantero выпустила модуль NRAM-памяти емкостью 10 Гбит. Массовое производство модулей NRAM-памяти, вероятно, начнется через год-два.

КомпьютерПресс 1'2005