Разделы сайта

Читаемое

Обновления Sep-2017

Промышленность Ижоры -->  Керамические композиционные материалы 

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

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.



1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 [ 18 ] 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123

© 2003 - 2017 Prom Izhora
При копировании текстов приветствуется обратная ссылка