Технология получения фотонных кристаллов

1. Темплатный синтез

Темплатный или матричный синтез основан на последовательности химических реакций, в которых строение образующихся соединений и (или) кинетика процесса определяются атомом металла.

Основные этапы:

1) Близкие по размерам коллоидные сферы равномерно распределяются в виде трех- или двухмерных структур. Для упорядочения сфер помимо самоорганизованного осаждения используют центрифугирование, фильтрование и электрофорез (под действием эл.поля).

2) Пустоты в созданной темплатной структуре заполняют жидким веществом, которое под воздействием различных физико-химических процессов затвердевает. При этом формируется твердый каркас.

3) исходные сферические частицы удаляют с помощью процессов растворения, термического разложения, вытравливания. Получают пористые структуры, или обратные реплики.

Чтобы полученная структура обладала свойствами фотонного кристалла, диаметры сфер должны различаться не более чем на 5–8% от среднего размера.

Темплатный каркас, состоящий из упорядоченных монодисперсных коллоидных частиц, принято называть коллоидным кристаллом. Для формирования коллоидных кристаллов используют кварцевые или полимерные латексные сферы, эмульсионные капли монодисперсных полупроводниковых нанокристаллов. Фотонные кристаллы могут быть изготовлены из металлов, оксидных соединений.

Безтемплатный синтез

 Гранеселективный рост кристаллов

В этом процессе используется различие в поверхностных энергиях между различными гранями кристалла. Удается получать частицы-янусы  (частицы, состоящих из двух и более частей разного химического состава и/или формы) в форме гантели, «снеговика» или «желудя».

Существуют различные вариации этого процесса:

1) Наночастицы используются как затравки для роста кристаллов других материалов.

2) Одновременная кристаллизации двух различных прекурсоров в одну частицу.

3) Пошаговая эпитаксия на основе роста по механизму пар–жидкость–кристалл в присутствии катализирующих наночастиц золота.

Селективное травление

Массив окружностей, имитирующий структуру фотонного кристалла, наносится с помощью маски из фоторезиста на поверхности полупроводника. Этим задается топология фотонного кристалла и обозначаются области травления.

Маска формируется в рамках стандартного фотолитографического процесса.

Требуемая глубина травления задается соответствующими параметрами управления этим технологическим процессом. Селективное травление позволяет одновременно травить поверхность фоторезиста и полупроводник. Для получения фотонных кристаллов, имеющих характерные размеры порядка сотен нанометров, необходимо использование высокоразрешающей литографии, например, рентгеновской или электронной.

Современные системы со сфокусированными ионными пучками используют так называемую «карту травления», записанную в специальных форматах файлов. Такая карта описывает маршрут пучка ионов, его локальную интенсивность.

12. Углеродные наноматериалы: нанотрубки, нанонити, графен, фуллерены, метананотрубки. Способы визуализации структуры, возможные применения

Графен

Графен (англ. graphene) — двумерная аллотропная модификация углерода, образованная одним слоем атомов углерода, соединенных в гексагональную двумерную кристаллическую решетку.

Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объемного кристалла.

Свойства:

1. Высокая прочность;
2. Высокая теплопроводность;
3. Отсутствие запрещенной зоны;
4. Высокая подвижность носителей заряда - электроны ведут себя как носители заряда, эффективная масса которых равна нулю.

Возможные области применения:

1. Транзистор на основе графеновых нанолент

Отсутствие запрещенной зоны в графене не позволяет на его базе изготовить полевой транзистор, потому как никакое внешнее напряжение не сможет этот транзистор закрыть. Чтобы получить графеновый транзистор, необходимо создать в нем запрещенную зону. Один из способов формирования запрещенной зоны в однослойном графене — изготовление структур нулевого размера или так называемых графеновых нанолент. Наноленты графена, длина которых не намного больше ее ширины, могут иметь свойства металла или полупроводника, в зависимости от атомной структуры краев. Различают креслоподобную (б) и зигзагообрaзную (а) формы лент. Ленты с зигзагообразной формой имеют свойства металла. Сформировать наноленты можно методами литографии и травления по стандартной микроэлектронной технологии либо сочетанием термического и ультразвукового отшелушивания графита из раствора и нанесения его на подложку.

Шириной запрещенной зоны можно управлять, изменяя длину наноленты.

2. Одноэлектронный транзистор

3. газовые сенсоры с экстремальной чувствительностью, жидкокристаллические дисплеи и солнечные батареи с графеновыми прозрачными электродами.

Нанотрубки

Углеродные нанотрубки (УНТ) представляют собой протяженные цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров. По существу такая нанотрубка — это всего лишь одна молекула, состоящая из миллиона атомов углерода. Поверхность нанотрубок сформирована изправильных шестичленных углеродных циклов, или гексонов. Концы нанотрубок обычно закрыты полусферическими крышками.

В зависимости от диаметра и хиральности (направления закрутки) проводимость УНТ может иметь металлический или полупроводниковый характер. Эти свойства в сочетании с наномасштабной геометрией делают их почти идеальными материалами для изготовления квантовых проводов и соединений. Соединяя нанотрубки разного размера и типа, можно создавать гетеропереходы, а затем функциональные устройства, вентили и цепи, которые можно назвать изделиями наноэлектроники.

Нанотрубки могут быть одно- или многослойными, причем число слоев теоретически не ограничено, но обычно не превышает десятка или нескольких десятков. Расстояния между соседними слоями близки к межслоевому расстоянию в графите (0,34 нм), так что наименьший диаметр углеродных нанотрубок составляет ~0,7 нм. Разработана технология изготовления выращивания Y-образных нанотрубок.

Модифицирование углеродных нанотрубок может быть осуществлено несколькими способами:

1) заполнением внутренних полостей нанотрубки веществами, изменяющими их электронные, магнитные или механические свойства;

2) прививкой к концам нанотрубки различных функциональных групп;

3) замещением части углеродных атомов в нанотрубке на атомы других элементов;

4) частичным или полным «раскрытием» двойных связей на боковых поверхностях нанотрубки путем присоединения

определенных реагентов;

5) интеркаляцией (внедрением) атомов или молекул в межтрубное пространство сростков нанотрубок.

Электрические свойства:

УНТ могут иметь металлический или полупроводниковый тип проводимости в зависимости от их диаметра и хиральности (свойство молекулы не совмещаться в пространстве со своим зеркальным отражением). При синтезе обычно получается смесь трубок, две трети которых имеют полупроводящие свойства, и одна треть — металлические. В металлическом состоянии проводимость нанотрубок очень высока. Согласно оценкам, они могут пропускать миллиард ампер на квадратный сантиметр. Одна изпричин высокой проводимости УНТ — очень малое количество дефектов, вызывающих рассеяние электронов, а, следовательно, и очень низкое сопротивление. Поэтому УНТ не нагревается из-за пропускания тока (+высокая теплопроводность).

Углеродные нанотрубки при низких температурах демонстрируют отрицательный магниторезистивный эффект, проявляющийся в уменьшении сопротивления при увеличении магнитного поля. Этот эффект обусловлен тем, что приложенное к трубке магнитное поле приводит к появлению новых энергетических уровней электронов, связанных с их спиральным движением в магнитном поле. Другими словами, появляется большее количество возможных состояний для увеличения энергии электронов, что повышает проводимость материала.

Механические свойства:

1) высокая прочность - в ~20 разпрочнее стали

2) высокий модуль Юнга - в ~10 раз больше, чем стали

Причина: отсутствие структурных дефектов + углеродные кольца стенок в виде почти правильных шестиугольников при изгибе меняют свою структуру, но не рвутся

Применение УНТ:

1) элементы с полевой эмиссией в дисплеях, вакуумных лампах - если вдоль оси углеродной нанотрубки приложить небольшое по величине электрическое поле, то с ее концов будет происходить очень интенсивная эмиссия электронов;

2) в качестве армирующего элемента для композитов;

3) для разработки новых способов генерации микроволнового излучения,

4) для изготовления квантовых проводов, соединений или целых устройств

5) в полевых транзисторах в качестве проводящего канала

6) в качестве зонда в АСМ

7) переключающих элементов в компьютере

8) топливных элементов и многих других.

Фуллерены

Фуллерены — изолированные молекулы аллотропной модификации углерода или устойчивые многоатомные кластеры углерода с числом атомов от нескольких десятков и выше. Фуллерены обычно представляют собой шарообразные молекулы С₆₀ молекулы С₇₀. Поверхность молекул фуллерена состоит из пяти и шестиугольников, образованных атомами С; внутри молекулы полные.

Свободных связей у молекулы С60 нет, чем и объясняется ее большая химическая и физическая устойчивость. Благодаря этому среди аллотропов углерода фуллерены — самые чистые. Валентные электроны распределены равномерно по

сферической оболочке толщиной ~0,4232 нм.

В результате внедрения в фуллерит атомных или молекулярных форм или интеркаляций возможен перенос зарядов (фуллерид). Кристалл, в узлах которого находятся молекулы фуллерена называется фуллеритом.

Применение

1) В медицине, микробиологии и фармацевтике - благодаря химической устойчивости + можно доставлять молекулы (препараты);

2) для создания приборов и устройств наноэлектроники на новых физических принципах;

3) как новые материалы для нелинейной оптики;

4) Интеркаляционный фуллерит — сверхпроводник;

5) в качестве прекурсоров для роста алмазных пленок и пленок карбида кремния

6) материал для литографии.

Метананотрубки

К ним относятся одностенные углеродные нанотрубки (ОСУНТ)

Существует пять типов метананотрубок (с греч. metá- «вместе с чем-либо»):

● допированные (X:ОСУНТ),

● функционализированные (X-ОСУНТ),

● декорированные (X/ОСУНТ),

● заполненные (X@ОСУНТ)

● гетерогенные (X*ОСУНТ) нанотрубки;

Электронные свойства ОСУНТ определяются их вектором хиральности. ОСУНТ могут обладать как металлическим, так и полупроводниковым типом проводимости. На данный момент эффективных методов получения ОСУНТ с заданной хиральностью и, следовательно, электронными свойствами не существует. Решение - нанокомпозиты.

Применение:

1) водородные топливные элементы

2) нанокомпозиты

Нанонити

Углеродные нановолокна (УНВ) представляют собой класс таких материалов, в которых изогнутые графеновые слои или наноконусы сложены в форме квазиодномерной нити, чья внутренняя структура может быть охарактеризована углом α между слоями графена и осью волокна.

Типами волокон:

●  «Елочка», с плотно уложенными коническими графеновыми слоями и большими α,

● «Бамбук», с цилиндрическими чашеподобными графеновыми слоями и малыми α, которые больше похожи на многослойные углеродные нанотрубки. Однако, в случае настоящих УНТ α равна нулю.

Малые размеры и уникальная структура углеродных нанонитей определяют их необычные механические и электронные свойства. В зависимости от сферы применения требуется получать нитевидный углерод определенной морфологии и структуры. Для этого необходимо сознательно регулировать его кристаллографическое строение.

Применение:

● Источники электронной автоэмиссии

● Композитные материалы

● Иглы в сканирующей зондовой микроскопии

● Носители катализаторов

● Платформа для транспорта генов

● Материалы электродов

● Устранение разливов нефти

Способы визуализации наноструктур:

1) РЭМ,

2)  ПЭМ,

3) высокоразрешающей электронной микроскопии (ВРЭМ) с коррекцией сферической аберрации,

4) просвечивающе-растровой электронной микроскопии (ПРЭМ) с применением широкоуглового детектора тѐмного поля (HAADF) и с коррекцией аберрации,

5) поэлементного картирования,

6) энерго-дисперсионного анализа (ЭДА),

7) электронной дифракции и

8) электронной томографии (ЭТ)

15. Наноструктуры в каналах пористых матриц. Фотонные кристаллы.

Фотонный кристалл - твердотельная структура с периодически изменяющимся коэффициентом преломления, период которой сравним с длиной волны света.

Фотонные кристаллы позволяют получать разрешенные и запрещенные зоны для энергий фотонов аналогично полупроводниковым материалам, в которых наблюдаются разрешенные и запрещенные зоны для энергий носителей. Т.е. если на фотонный кристалл падает фотон, обладающий энергией, которая соответствует запрещенной зоне данного фотонного кристалла, то он не может распространяться в фотонном кристалле и отражается обратно. Фотонный кристалл выполняет функцию оптического фильтра.

Классификация фотонных кристаллов

Введение материала в нанопористую мембрану — новая методика, которая позволяет конструировать наноструктуры заранее определенных размеров и форм (нанотрубки, нанопрутки, наноточки и т. д.).

Преимущество по сравнению с методами нанесения тонких пленок: не требует дорогостоящего оборудования и длительного времени, как, например, электронно-лучевая литография.

Мембраны, которые используются в качестве матрицы, на основе оксида алюминия А1203 с упорядоченными нанопорами создают анодным окислением поверхности алюминиевой пластины. Нанопоры в пленке кремния образуются в результате кратковременной термической обработки сплошного слоя аморфного кремния.

Процесс получения сегнетоэлекриков в каналах пористых мембран:

Для синтеза сегнетоэлектриков внутри пор (каналов) используют мембраны толщиной 30...200 мкм с неупорядоченными каналами диаметром 100 и 200 нм. Внедрение сегнетоэлектрического материала в поры мембраны-матрицы проводят погружением в прекурсор, приготовленный золь-гель методом.

Раствор ЦТС (Ti/Zr = 47/53) готовят при избытке свинца 10 % (мол.) в исходном растворе, после сушки при Т = 500 °С отжиг проводят при температуре 650...700 °С.

Образуются две фазы: перовскит, пирохлор или флюорит.

Морфология и размеры фаз перовскита и пирохлора или флюорита разные - перовскитные кристаллы вырастают до 100 нм и имеют произвольную форму. Частицы пирохлора или флюорита имеют размеры 2... 10 нм и в основном сферическую форму.

Степень заполнения каналов зависит от их размера: каналы меньшего диаметра заполняются более однородно, чем каналы большего диаметра, в которых сегнетоэлектрик при кристаллизации закрепляется на стенках.

Кристаллы ТБС растут непосредственно на стенке мембраны, их форма может быть как равноосной, так и вытянутой, что связано с локальным направлением теплоотвода внутри канала. Длина кристаллов вытянутой формы, расположенных на стенках мембраны, может достигать половины диаметра канала, конгломераты кристаллов мелких размеров характеризуются значительной пористостью, крупные кристаллы вытянутой формы — меньшей пористостью.

Если использовать кремниевые пластины с упорядоченной структурой пор, сформированные методом фотолитографии, размером 500 нм, можно получить частично или полностью свободные сегнетоэлектрические нанотрубки.

Устройства на основе сегнетоэлектрических нанотрубок:

1) субмикронный пьезоэлектрический сканер;

2) устройства памяти;

3) фотонные кристаллы.

Одним из свойств таких наноструктур, определяющих их практическое применение, является запрет на распространение энергии оптического или СВЧ-излучения в определенном частотном диапазоне во всех направлениях, кроме одного. Это обстоятельство позволяет рассматривать эти наноструктуры в качестве высокоизбирательных оптических фильтров, перестраиваемых фотонных устройств, элементов резонансных антенн с высокой избирательностью, элементов светодиодных структур, оптических преобразователей, работающих на эффекте фотолюминесценции, и пр.

16.  Нанотранзисторные структуры на традиционных и новых материалах

Транзистор - радиоэлектронный компонент из полупроводникового материала, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. Является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем.

Полевым, или униполярным планарным транзистором называется транзистор, в котором управление происходит под действием электрического поля, перпендикулярного току носителей.

К нанотранзисторам на традиционных материалах относятся, выполненные по технологиям:

1) МДП (металл—диэлектрик—полупроводник) и МОП (металл—оксид —полупроводник):

Затвор отделяется от полупроводника слоев диэлектрика или оксида. Принцип работы основан на эффекте поля. При подаче напряжения на затвор под действием эл. поля  основные носители заряда отжимаются электрическим полем вглубь проводника, тем самым освобождая место для неосновных носителей заряда – электронов, которые создают проводящий канал (открывают затвор).

2) КНИ (кремний на изоляторе).

Имеют полностью или частично обедненное носителями основание.

3) Транзисторы на структурах SiGe

В процессе осаждения Si на подложку Ge происходит «растяжение» атомов кремния на границе раздела, оказывается «напряженным». При этом скорость дрейфа электронов на 70%, а быстродействие на 35% выше чем в обычном Si.

4) Гетеротранзисторы

содержит один или несколько гетеропереходов, которые ограничивают движения носителей заряда в направлении, перпендикулярном плоскости перехода.

Таким образом можно создавать системы с пониженной размерностью (двумерный электронный газ, квантовая нить, нуль-мерная квантовая точка). Обладают специальными свойствами: большой крутизной ВАХ, сверху высокой предельной частотой (СВЧ – электроника).

К нанотранзисторам на новых материалах относятся, выполненные по технологиям:

1) Нанотранзисторы на основе углеродных нанотрубок

Углеродная трубка вместо затвора. Такой нанотранзистор может работать на частотах до 1 ТГц за счет высокой подвижности электронов в нанотрубках (~10⁵ см²/(В ∙ с)).

2) Нанотранзисторы на основе графена (он же одноэлектронный транзистор)

Исток и сток также выполняются из графена. Островок на затворе представляет собой квантовую точку из графена шириной ~100 нм., в которую может туннелировать только один электрон в заданный момент времени, наличие которого соответствует логическому 0 или 1.

3)          Спиновой нанотранзистор

Спиновый транзистор основан на принципе поляризации потока электронов на истоке, т.е. придания всем электронам однонаправленного спинового момента, и регистрации направления поляризации на стоке транзистора. Направления спинов характеризуют логические 0 и 1, т.е. 1 биту двоичной информации.

 

 

17.  Спинтроника и молетроника: основные принципы и примеры веществ

Спинтроника объединяет области исследований и разработок наноэлектронных приборов и устройств на основе эффектов и явлений переноса спинов в качестве носителей информационного сигнала. Спин – собственный момент количества движения элементарных частиц атома, имеющий квантовую природу и не связанный с перемещением частицы как целого.

Спинтроника первоначально развивалась в направлении исследований волновых процессов для аналоговых устройств, но позже более активно начало развиваться направление создания цифровых устройств. Рассмотрим принципы и примеры обоих направлений.

Аналоговые приборы

В магнитоупорядоченных кристаллах (ферромагнитных, антиферромагнитных, ферримагнитных) спины взаимодействуют между собой двояким образом: это или обычное магнитное диполь-дипольное взаимодействие, или обменное взаимодействие. Два типа взаимодействия вызывают два рода сил в магнитном диэлектрике - магнитные и обменные силы, которые способствуют генерации и распространению двух видов волн - спиновых магнитостатических и спиновых обменных. Волны первого типа называют магнитостатическими, второго - спиновыми.

Если отдельный ион поместить во внешнее магнитное поле, а затем отклонить магнитный момент иона от равновесного состояния, то он начнет вращаться вокруг оси, совпадающей с направлением поля (рис. 1, а). Такое явление называется прецессией.

Рис.1. Прецессия вектора намагниченности под действием поля Н₀– (а) и схема образования спиновой волны (в-г)

В магнитоупорядоченной структуре, когда все векторы магнитных моментов атомов сонаправлены, отклонение от равновесия магнитного момента крайнего атома вызовет возмущение и прецессию соседних атомов – вдоль цепочки векторов пробежит фазовая волна возмущения (рис.1, б-г).

Таким образом, спиновая волна представляет собой волну нарушения магнитной упорядоченности. Квазичастицы, соответствующие спиновой волне, называют магнонами.

Уникальные свойства магнитостатических волн (МСВ) широко используются в элементах и приборах СВЧ-диапазона длин волн. Наибольшее распространение получили линии задержки на магнитостатических волнах. Линии задержки представляют собой устройства для временной задержки электрических сигналов при несущественных искажениях их формы. Такие приборы основаны на пленках железо-иттриевого граната (Y₃Fe₅O₁₂) на подложках из галлий-гадолиниевого граната (Gd₃Ga₅O₁₂). На МСВ разработаны эффективные линии передачи, шумоподавители, полосковые замедляющие структуры, а также другие устройства СВЧ-диапазона.

Цифровые приборы спинтроники

В основе данной группы приборов лежит использование спинов для кодирования информации в двоичной системе.

В ферромагнитных металлах выделяют электроны проводимости со спином-вверх – мажорные спины (спин направлен параллельно магнитному моменту в ферромагнетике) и со спином-вниз – минорные спины (спин направлен антипараллельно магнитному моменту) (рис. 2). Если мажорному состоянию спина присвоить значение логической «1», то минорному состоянию спина присваивается значение логического «0». В двоичной системе исчисления верно и наоборот. Это основа построения цифровых приборов спинтроники.

Особое развитие цифровых приборов на спинах началось с открытия магниторезистивного эффекта (гигантского магнетосопротивления).

Рассмотрим систему из двух слоев ферромагнетиков (например, Со), разделенных тонким слоем неферромагнитного металла (Cu) (рис.2). Немагнитная прослойка снижает взаимодействие между ферромагнитными слоями, чтобы их можно было намагнитить как сонаправленно, там и антипараллельно.

Рис.2. Схема для наблюдения магнеторезистивного эффекта

Эффект гигантского магнетосопротивления обусловлен спин-зависимым рассеиванием электронов проводимости. Ток, протекающий поперек слоев в такой системе, можно представить в виде суммы токов электронов со спинами-вверх и спинами-сниз. При этом электроны со спинами, сонаправленными с вектором намагниченности ферромагнетика, проходят через слой легче, чем электроны с противоположными спинами. Поэтому при антипараллельном намагничивании ферромагнитных пленок (рис. 2, а) электроны со спином «вниз» не смогут «пройти» через первый слой ферромагнетика, а электроны со спином «вверх» - через второй (правый) слой ферромагнетика. Тогда суммарный ток, прошедший через систему, резко уменьшится, т.е. система обладает гигантским магнетосопротивлением. При параллельном намагничивании ферромагнетиков (рис. 2,б) не смогут «пройти» только электроны со спином «вниз», поэтому ток будет больше, а сопротивление системы – меньше.Явление гигантского магнетосопротивления удается наблюдать только в очень тонких пленках. При движении в толстых проводниках электрон успевает сменить направление спина под влиянием разных причин.

На этом принципе работают спиновые клапаны (вентили). При этом используют магнитотвердые материалы для одного слоя ферромагнетика и магнитомягкие (например, пермаллои – сплавы Fe-Ni, Со) – для другого. В качестве немагнитных материалов используют медь, хром и др.

Если вместо немагнитного слоя использовать диэлектрик, например, Al₂O₃, то будет проявляться туннельный магниторезистивный эффект, основанный на различной способности электронов с разными спинами преодолевать тонкий слой диэлектрика.

Открытие и исследование гигантского и туннельного магниторезистивных эффектов позволили создать намного более чувствительные головки, создать магниторезистивную память (MRAM, или по-русски МРОЗУ). Магниторезистивные ячейки могут быть очень малы (вплоть до 10 нм) и довольно плотно упакованы. Для хранения информации в МРОЗУ потребление электрического тока не требуется. Информация надежно хранится и при отключенном питании. Преимуществами перед флеш-памятью является неограниченность числа циклов перезаписи, меньшее энергопотребление в процессе работы, широкий диапазон рабочих температур (от –40 до +150°С), повышенная радиационная стойкость и более длительный срок хранения данных – теоретически неограниченный. Поэтому МРОЗУ заслуживает названия «универсальной» памяти, так как может использоваться и как постоянная, и как оперативная, и как перезаписываемая, и как долговременная энергонезависимая память.

Молекулярная электроника, или молетроника, представляет собой направление в электронике, в котором изучаются молекулярные системы, а также разрабатываются молекулярно-инженерные технологии для создания приборов и устройств обработки и хранения больших объемов информации.

Молекула:

− идеальная квантовая структура, состоящая из отдельных атомов, движение электронов по которой задается квантово-химическими законами

− естественный предел миниатюризации в наноэлектронике

Важной особенностью молекулярной технологии является процесс создания квантовых структур на основе принципа самосборки. Синтез молекулярной системы в процессе самосборки позволяет создавать идентичные по размерам и свойствам элементы и структуры.

Молекулярные комплексы с их дискретными уровнями энергии и возможностью переключать молекулярную систему из одного состояния в другое служат прообразом идеальной элементной базы вычислительных устройств.

По сравнению с полупроводниковой элементной базой молекулярные элементы могут обеспечить:

- более высокую степень интеграции;

 - значительно меньшие энергии переключения;

- более высокую стабильность схем по отношению к проникающей радиации, в особенности для схем высокой степени интеграции.

Молекулярная элементная база сможет привести к принципиально новым возможностям, таким, как:

- полная идентичность молекулярных элементов, характеристики которых не подвержены разбросу из-за неминуемых технологических погрешностей;

- свободные от шумов одноэлектронные процессы;

- специфические молекулярные процессы передачи сигнала, которые могут позволить создавать логически более сложные исходные элементы

- трехмерная архитектура совместно с молекулярными размерами должны увеличить на несколько порядков производительность вычислений. Используют следующие принципы передачи информации:

1. Туннелирование электронов через энергетические барьеры, представленные в виде нешироких периодических решеток молекул. Электрон способен преодолеть периодическую молекулярную решетку только в том случае, если его энергия равна энергетическому барьеру внутри решетки или превышает его по величине. Процесс переключения в подобных структурах может осуществляться за счет регулирования высоты барьера или глубины ямы внешними факторами. К ним относятся перемещение положительного или отрицательного заряда внутри молекулярной цепочки, переключение потока туннелирующих электронов путем смещения высоты псевдоэнергетических барьеров. На основе туннелирования электронов были построены молекулярные логические элементы. Например, молекулярная ячейка типа ИЛИ-НЕ представляет собой набор кругов фталоцианина галлия, связанных фтором, где фтор определяет высоту потенциальных барьеров.

2. Солитонный механизм транспорта сигнала. Солитон представляет собой возбуждение среды, которое распространяется, например, в виде структурно устойчивой уединенной волны. Солитоны могут использоваться для передачи данных без помех на большие расстояния. Распространение солитона связано с заменых двойных связей на одинарные и наоборот. Солитонные механизмы переключения могут обеспечить реализацию логических устройств с выполнением сложных логических функций. Основой таких устройств являются элементы трех типов НЕ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ. Для этих целей подходят атомные или молекулярные системы с дискретными уровнями энергии. Функцию НЕ можно реализовать на молекуле СО₂, в кристалле рубина можно возбудить ионы хрома и реализовать логическую операцию ИЛИ, в молекуле родамина, относящегося к ксантеновым красителям, возможна реализация логической функции И.

3. Передача данных с помощью поляронов. Полярон — это квазичасица, состоящая из электрона, находящегося в зоне проводимости ионного кристалла, и сопровождающего ее поля поляризации. Образованию локального уровня, занимаемого электроном, сопутствует возникновение локальной деформации ионной решетки, т. е. поляризация. Поляроны могут перемещаться и являются носителями тока в ионных кристаллах, при этом в том месте, из которого он удалился, решетка восстанавливается, а вблизи того места, куда он пришел, — деформируется. Итак, полярон представляет собой электрон, окруженный облаком виртуальных фононов (колебаний), который перемещается по кристаллу или полимеру.

Кроме технологий передачи информации, разрабатывают и технологии её хранения. Молекулярная память может быть построена на молекулах протеина, в частности, бактериородопсина. Такие молекулы взаимодействуют со светом: при поглощении 1 фотона через мембрану проходят 2 протона – фотоцикл со структурными изменениями. Эти изменения сказываются на спектрах поглощения. Состояния в промежутках между реакциями со светом можно интерпретировать как «0» и «1». На основе этих состояний возможно длительное (годы) хранение информации.

Другим подходом к созданию молекулярной памяти является память на углеродных нанотрубках, состоящих из миллионов атомов. Конструкция нанотрубки прочнее стали и обладает электрическими свойствами меди и кремния одновременно. Геометрические конструкции из нанотрубок (например, сетка) и управление расстояниями между трубками в узлах пересечений позволяют получать различное сопротивление в ячейках (узлах). При удалении нанотрубок друг от друга переходное сопротивление велико, при сближении — мало. Обеспечивая электрически притягивающие и отталкивающие силы между нанотрубками в определенных координатах, можно вводить данные.

19. Визуализация наноструктур с помощью лоренцовой микроскопии и электронной голографии

Электронная микроскопия для наблюдения магнитных доменов с использованием силы Лоренца известна как лоренцева микроскопия. Лоренцева микроскопия с использованием обычного просвечивающего электронного микроскопа включает в себя метод Френеля и метод Фуко, один из которых используется в режиме дефокусировки, а второй — в режиме точной фокусировки соответственно.

Для наблюдения изображений в ПЭМ образец должен быть тонким. Таким образом, считается, что магнитная доменная структура тонкого образца, как правило, отличается от доменной структуры массивных материалов. Поэтому образец лучше потолще и использовать высоковольтный РЭМ.

Метод Френеля (метод дефокусировки).

Простейшей доменной структурой является структура, состоящая из 180°-х доменов в материале с одной возможной кристаллографической осью, вдоль которой может располагаться вектор намагниченности. Здесь мы предполагаем, что 180°-е домены намагничиваются перпендикулярны плоскости рисунка и вектор намагниченности имеет противоположное направление в чередующихся доменах (рис. 2 а). В соответствии с правилом левой руки электронный луч отклоняется в соседних доменах в противоположных направлениях, приводя к недостатку электронов и к избытку электронов, в области под нижней поверхностью образца. Если наблюдать образец в условиях перефокусировки, в местоположениях доменных стенок будет наблюдаться увеличение и уменьшение интенсивности электронов, как показано на рис. 2 б.

 

Метод Фуко (метод полной фокусировки)

Принцип метода Фуко показан на рис. 7. На картинах электронной дифракции, полученных из области, содержащей доменную стенку, разделяющую два магнитных домена, как это показано на рис. 7, дифракционное пятно расщепляется на два пятна с угловым расхождением, равным 2Ɵ_L. Такое расщепление можно прямо наблюдать на картинах электронной дифракции как для прямо прошедшего луча, так и для дифрагированных лучей. На рис. 8 а картина электронной дифракции, полученная на спеченном магните Nd₂Fe₁₄B, демонстрирует расщепление каждого пятна[1].

Угловое разделение пятен составляет примерно 5х 10^-5 рад, что согласуется с расчетами, выполненными с помощью уравнения. Путем установки объективной апертурной диафрагмы в задней фокальной плоскости возможно исключить один из двух прямопрошедших лучей.

 

 

 

20. Визуализация наноструктур с помощью электронной микроскопии с коррекцией аберраций

1. Разрешающая способность и аберрация линз

Разрешение

  C_S – коэффициент сферической аберрации электромагнитной линзы.

● Дифракционный предел разрешения

Дифракционный предел разрешения, как и для оптического микроскопа, в соответствии с критерием Рэлея равен . В вакууме n = 1, и при малых а можно считать sina ~ а. Длину волны можно выразить через ускоряющее напряжение, тогда

Для фиксированного угла расхождения электронов альфа разрешение микроскопа можно улучшить путем увеличения ускоряющего напряжения. Промышленно выпускаемые приборы ограничены ускоряющим напряжением 1 MB, хотя в экспериментальных приборах