Разделы сайта
Читаемое
Обновления Nov-2024
|
Промышленность Ижоры --> Керамические композиционные материалы отображения информации (плоские экраны, копировальные устройства, принтеры и т. д.). Несмотря на сильную конкуренцию со стороны других материалов, можно оценивать и перспективы дальнейшего существенного увеличения потребления структур на основе a-Si:H и родственных ему материалов для изготовления солнечных батарей, используемых не только в бытовой электронной технике, но и для электроснабжения жилых объектов и создания мощных солнечных электростанций. Однако, на пути еще более эффективного промышленного внедрения гидрированных полупроводников в электронное приборостроение стоит ряд нерешенных технологических и материаловедческих проблем. Остановимся на некоторых из них. Одной из основных проблем является создание эффективной технологии получения однородных по толщине и свойствам пленок на подложках большой площади. Состав, структура и свойства гидрированных пленок определяются механизмом физико-химических превращений, имеющих место в плазме тлеющего разряда или просто в газовой фазе (если речь идет о традиционных методах осаждения из газовой фазы) непосредственно в зоне осаждения, а также на ростовой поверхности и существенным образом зависят от условий выращивания. Детальное исследование этих процессов позволит обеспечить воспроизводимые условия роста пленок на всей площади подложки, интенсифицировать и оптимизировать процессы их получения, а также создать высокопроизводительное автоматизированное технологическое оборудование. Одним из наименее изученных является вопрос о структурных особенностях гидрированных пленок и о влиянии структуры на фундаментальные электрические и оптические характеристики получаемых композиций. В детальном исследовании этих проблем лежит ключ к получению приборных композиций с воспроизводимыми и оптимизированными структурой и электрофизическими свойствами. Если для пленок a-Si:H к настоящему времени достигнут значительный прогресс в этом направлении, то пленки других гидрированных полупроводников еще сушественно им уступают как по своим структурным характеристикам, так и по возможностям воспроизводимого управления их электрическими и оптическими свойствами. Много неясного остается еще в понимании природы и роли водорода в формировании свойств пленок; в понимании особенностей поведения в гидрированных полупроводниках различных остаточных и легирующих примесей; в понимании физико-химических процессов, лежащих в основе деградации приборных структур под влиянием освещения, ионизиру- юшей радиации и других видов внешних воздействий. От четкого понимания всех этих проблем непосредственно зависит решение задачи создания приборных композиций со стабильными рабочими характеристиками. Отдельными и пока недостаточно изученными являются проблемы, связанные с получением микрокристаллических гвдрированных пленок с воспроизводимыми и управляемыми структурой и свойствами, а также проблемы создания эффективных приборных композиций на основе квантоворазмерных структур аморфных гидрированных полупроводников. Фуллерены - материалы будущего До недавнего времени бьши известны две полиморфные модификации углерода, широко используемые во многих областях техники, в том числе в электронике - алмаз и графит. Но во второй половине прошлого столетия бьши теоретически предсказаны, а затем впервые синтезированы еще две модификации углерода - карбин (1967 г.) и фуллерен (1985 г.). После нескольких лет изучения их природы и физико-химических свойств стало ясно, что они, и прежде всего фуллерен, могут найти широкое практическое применение и даже стать основой широкой гаммы важнейших материалов самого разного назначения. Но для этого еще должен быть решен ряд сложных научных и технологических проблем. В силу этого фуллерены в последнее десятилетие привлекают офомное внимание ученых всех развитых стран. С 1992 г. начал издаваться международный журнал РцИегеп Science and Technology*. Опубликовано много обзорных монофафий и статей. Карбин представляет собой молекулы углерода, получаемые испарением фафита при очень высоких температурах (~ 10000 °С) и последующей конденсации и кристаллизации. Он впервые бьш синтезирован в Институте элементо-органических соединений АН СССР в 1967 г. и представляет собой линейные (одномерные) палочкообразные молекулы углерода с гибридными Sp-связями между атомами. Его практическое применение находится в стадии изучения. Фуллерен бьш вначале (1985 г.) смоделирован фуппой ученых США, а позднее теми же учеными бьш экспериментально получен так же, как и карбин, из паров фафита. Название фуллерен связано с именем американского архитектора и инженера арда Фуллерена (1892 - 1983), впервые построившего геодезический купол, со-1-тоящии из шести- и пятиугольников. Фуллерен представляет собой семейство шарообразных (сферических) замкнутых полых молекул разных размеров. Их поверхность состоит из соприкасаюш,ихся шестиугольников (гексаэдров) и пятиугольников (пен-тагонов), в вершинах которых расположены атомы углерода - С. Разные фуллерены этого семейства отличаются числом атомов углерода и соответственно числом многоугольников и диаметром шара (сферы). Обший символ фуллеренов - С , где п - число атомов углерода, образующих данный фуллерен. На сегодня известны фуллерены С С44,-.С 60 70-- CgQ,...C24Q, 50- 32- Наиболее изучена структура, свойства и технология получения фулле-рена CgQ, который состоит из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Атомы углерода в вершинах многоугольников соединены ковалентными Sp - гибридными связями. Каждый атом связан в молекуле с тремя соседними атомами одной короткой (0,139 нм) и двумя длинными (0,1493 нм) связями. Фуллерен Cq обладает оксаэдрической симметрией. Валентные электроны размещены на поверхности сферы вдоль направления связей. Центр шара свободен от атомов и представляет собой свободную сферу, в которой могут размещаться атомы других элементов. Они играют роль легирующих примесей. В фуллеренах больших размеров в этих порах могут размещаться даже молекулы, в том числе молекулы других фуллеренов малых размеров. Легированные фуллерены называют эндо-эдральными, при легировании металлом - эндометамофуллеренами. Одним из освоенных методов синтеза эндоэдральных фуллеренов является метод, основанный на реакции ядерных превращений. В этом случае валентные электроны металла передаются фуллереновой оболочке. В результате, внутри фуллерена оказывается положительный ион. От валентности внедренного иона зависят электрические свойства и тип магнитных свойств фуллеренов. На рис. 2.4 показана схема эндометаллофулле-рена Ме С82- Практический интерес представляют фуллерены в кристаллическом состоянии. В этом случае их называют фумеритами. Фуллериты CgQ в кристаллическом состоянии обладают при температуре 300 К решеткой ГЦК (К12), в узлах которой раз- Рис. 2.4. Эндометаллофуллерен Me Cs2 мешены молекулы фуллерена, между которыми действуют слабые ВдВ связи. С понижением температуры до 255 К происходит фазовый переход ГЦК решетки в простую кубическую решетку (Кб). Таким образом, не исключено, что фуллерит, в свою очередь, обладает несколькими полиморфными модификациями. По теоретическим расчетам, в решетках с50 существуют неперекрывающиеся зоны валентных электронов, по-разному занятые электронами. Эти зоны и характер их заполнения электронами определяют электрические и другие свойства фуллеритов. В фуллерите Cq, ведущем себя как полупроводник, ширина запрещенной зоны по теоретическим оценкам равна 1,5...1,8эВ. Примеси (атомы, ионы, молекулы разной природы) могут размещаться в фулле-ритах в центре полых фуллеренов (поры), на их поверхности, замещая атомы углерода, т. е. образовывать растворы замещения и внедрения и вести себя как доноры и акцепторы. Важное значение, помимо фуллеренов, имеют близкие по механизму образования наноразмерные углеродные трубки (ОНТ), схема которых показана на рис. 2.5. Они были экспериментально обнаружены одновременно с фуллеренами в 1991 г. ОНТ получают при конденсации углеродно-металлического пара путем каталитического пиролиза углеводородов. В простейшем случае ОНТ можно представить как свернутый в цилиндр лист графита моноатомной толщины, в котором атомы углерода расположены в вершинах шестиугольников. ОНТ различаются по диаметру и размещению шестиугольников по длине трубки. На концах нанотрубок образуются шапочки конической или полусферической формы (см. рис. 2.5). Нанотрубки могут быть однослойными и многослойными. Многослойные трубки имеют внешний диаметр 4...5 нм и состоят из вставленных одна в другую монослойных трубок все меньшего диаметра (по типу матрешек ). Рис. 2.5. Схема однослойной нанотрубки: а - открытой; б - закрытой с одной стороны Заключение Вторая половина прошедшего столетия ознаменована грандиозными достижениями в развитии полупроводниковой электроники, и прежде всего микро- и оптоэлектроники. Эти достижения обеспечили невиданный прогресс в вычислительной технике, информатике, рацио-электронике, энергетике и в других передовых областях науки и техники. Совершенно очевидно, что все эти преобразования были бы вряд ли возможны без вьщающихся достижений в развитии материаловедения и технологии полупроводниковых материалов. В XXI век микроэлектроника вошла с производством УСБИС динамической памяти на 1 Гбит и микропроцессоров с тактовыми частотами до 1,2 ГГц. К 2010-2012 гг. предполагается довести эти показатели до 64 Гбит и 10 ГГц, соответственно. Если сегодня размер единичного транзистора в УСБИС составляет 0,18...0,13 мкм, то к 2012 г. предполагается довести эту величину до 0,03...0,035 мкм. Аналогичная тенденция резкого повышения степени микроминиатюризации наблюдается и в оптоэлектронике. Уже сегодня размеры активных областей инжекционных лазеров на квантовых ямах вышли на нанометровый уровень, а впереди активное освоение производства лазеров на основе квантовых точек. Освоение размерного диапазона 1,0...0,1 мкм представляет собой весьма сложную технологическую задачу, но происходит оно с использованием традиционной элементной базы. Совершенно другая ситуация складывается при освоении диапазона линейных размеров менее 0,1 мкм. Здесь возникает фундаментальный физический барьер, обусловленный резкими изменениями практически всех свойств твердого тела, в том числе и электропроводности. При достижении таких размеров в соответствующих объектах начинают в полной мере проявляться квантовые эффекты, что требует совершенно иного подхода к конструированию приборов, которые должны работать на новых физических принципах. Вот почему освоение нанометрового диапазона размеров в современной твердотельной электронике выделено в специальное направление, названное наноэлектроникой. Интенсивное исследование квантовьгх эффектов в сверхтонких полупроводниковых гетероструктурах уже привело к появлению новых классов полупроводниковых приборов - резонансных туннельных диодов и транзисторов, обладающих потенциально очень высоким быстродействием (предельные частоты до Ю Гц) и широким спектром других возможностей, а также инжекционных лазеров на квантовых ямах и квантовых точках с уникальными рабочими характеристиками. С обо- Области эффективного использования фуллеренов, фуллеритов и нанотрубок находятся в стадии интенсивного изучения. По прогнозам, они будут чрезвычайно перспективны в электронике и приборостроении, в медицине и других областях. Пленки фуллеритов будут очень эффективны как новый полупроводниковый материал нанометровых размеров для традиционных областей электроники в качестве полевых транзисторов, фотодиодов, в приборах нелинейной оптики. Особое значение имеют использование фуллеренов для увеличения быстродействия электронных приборов при повышенных температурах на основе широкозонных полупроводников (алмаза, SiC и др.), для существенного их использования при повышении теплопроводности -необходимого условия дальнейшей миниатюризации элементов и интегральных схем. В электронике фуллереновые слои должны быть эффективны в качестве буферных прослоек например при гетероэпитаксии пленок алмаза и карбида кремния. Они ускоряют в несколько раз скорость роста этих пленок, понижают температуру их получения, расширяют круг материалов подложек (в силу хорошей адгезии фуллереновых слоев). В эндометалло-фуллеренах, у которых размер имплантированного иона значительно меньше размера внутреннего размера фуллерена (поры), ион металла смещен относительно центра молекулы. Это приводит к наличию в таких молекулах дипольного момента и возникновению поляризуемости. Такие эн-дометаллофуллерены должны обладать сегнетоэлектрическими свойствами. Широкое использование фуллеренов в медицине связано с их хорошей совместимостью с тканями человеческого организма. Нанотрубки отличаются высокими значениями модуля Юнга и механической прочности и потому перспективны как наноразмерный материал с высокими механическими свойствами. Необычайно малые размеры фуллеренов (по существу близкие к атомным) требуют расширения круга прямых и косвенных методов изучения их структуры и свойств (в том числе тонких физических методов) и воздействия на них повышенной разрешаемости. Полученные недавно в Институте физики твердого тела РАН данные о существенном изменении свойств фуллеренов под влиянием сверхвысоких давлений, имеющие важное практическое значение, требуют выяснения природы изменений, происходящих при этом, что может инициировать новые пути воздействия на структуру и свойства, и являются одним из примеров, подтверждающих сказанное выше.
|
© 2003 - 2024 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка |