загрузка...
загрузка...
На головну

Фізична електроніка та нанофізика, нанотехнології і наноматеріали, загальні зауваження

|

Нано-електроніка з'явилася в процесі природної микроминиатюризации елементної бази сучасних електронних пристроїв і систем, де кожен крок дається з великими труднощами і часто диктує необхідність залучення нових (іноді принципово) фізичних шляхів і методів. В нано-електроніці за її масштаб прийнято значення в 100 нм. Це визначення планарного елемента наноелектроніки можна узагальнити, вважаючи нано-об'єктом (наноструктурою) все, що має характерний розмір <100 нм, хоча б в одному вимірі (напрямку).

Фізична електроніка в найзагальнішому сенсі цього слова являє собою розділ фізики, який займається вивченням явищ, пов'язаних з рухом заряджених частинок і, в першу чергу, електронів (звідси й сама назва «електроніка») в різних матеріальних середовищах, включаючи фізичний вакуум.

Це, перш за все, вакуумна електроніка, Що вивчає процеси, які відбуваються при русі заряджених частинок у вакуумі і в основі яких лежать закони цього руху.

Сюди відносяться вся електронна оптика, електронна і іонна мікроскопія, А також фізика явищ, що відбуваються в різних радіотехнічних пристроях типу електронних ламп і приладів, що застосовуються для генерації або посилення електромагнітного випромінювання, в тому числі і СВЧ-діапазону. Останній напрям в даний час оформилося в самостійне - радіофізику СВЧ (або мікрохвиль).

По-друге, це явища випускання електронів і атомарних частинок, найчастіше іонів, різними середовищами, в основному твердими тілами і плазмою, які становлять великий розділ фізичної електроніки, званий емісійної електронікою.

З появою напівпровідників інтенсивно почала розвиватися напівпровідникова електроніка і на її основі - електроніка твердого тіла. Надалі напівпровідникова електроніка також стала розвиватися самостійно і є в даний час міждисциплінарним розділом фізики. До області ж власне фізичної електроніки продовжують ставитися такі розділи твердотільної електроніки, як фізика поверхні, тонких плівок і плівкових структур~ елементної бази сучасної мікроелектроніки.

Історично одним з основних розділів фізичної електроніки була так звана газова електроніка, Яка вивчала процеси в різних газорозрядних радіотехнічних пристроях, таких як тиратрони, розрядники, стабілітрони і т. П. На основі вивчення фізики газового розряду оформився і надалі отримав самостійний розвиток такий великий розділ фізики, як фізика плазми. Проте, наука про плазмових середовищах є найважливішою складовою частиною фізичної електроніки, оскільки вона вивчає велике коло проблем, пов'язаних з поведінкою газу заряджених частинок - електронів, іонів і дірок, атомів і молекул, в тому числі, що знаходяться в збудженому стані, а також квантів випромінювання (Е.-М. поля) і нейтральних частинок в самих різних матеріальних середовищах: власне плазмі як газовому середовищі і газі носіїв заряду (електронів і дірок) в твердих тілах, які при цьому прийнято називати плазмо-подібними (або плазмовими) середовищами . З розвитком лазерної фізики з цієї науки виділився великий розділ, пов'язаний з вивченням законів поведінки газу збуджених атомів, молекул і квантів випромінювання, що отримав назву квантової електроніки.

Вакуум, гази і конденсовані середовища можуть контактувати один з одним. Для конденсованих середовищ при цьому вводять поняття кордону розділу цих середовищ або поняття поверхні. Традиційно під поверхнею розумілася область різкого, стрибкоподібного зміни властивостей речовини. Реально поблизу власне геометричній кордону матеріального середовища існує деяка область кінцевої товщини, в якій її властивості істотно відрізняються від властивостей речовини в обсязі.

Дійсно, в обсязі кожна частка взаємодіє тільки з частинками цього середовища, а поблизу кордону, з одного боку - з частками цієї ж середовища, а з іншого - з частками того середовища, з якою вона межує. Якщо друга середа - вакуум, на кордоні твердого тіла повинні існувати розірвані атомарні зв'язку. При цьому товщина прикордонного шару визначається тим відстанню від поверхні, починаючи з якого частинки середовища перестають «відчувати» вплив частинок за її кордоном. Товщина такого шару, по крайней мере, порядку дебаєвсьного радіуса rD, Який для плазми твердого тіла має порядок величини від 1 до 100 нм. Слід також врахувати, що в цей шар проникають частинки середовища - сусідки за рахунок взаімодіффузіі нейтральних атомів, іонів, електронів або дірок або бомбардування іншими частинками (контакт з газом або вакуумом). При обліку всіх цих процесів характерна товщина такого шару в напрямку нормалі до кордону може досягати розмірів порядку декількох сотень нанометрів.

Отже, поверхню твердих тіл - це природний нанооб'єктів, в якому проявляються нові якісні властивості. Ці властивості можна цілеспрямовано змінювати шляхом використання плазмових, променевих (потоки частинок) і радіаційних (потік квантів випромінювання) нано-технологій спрямованого зміни властивостей поверхні або, іншими словами, модифікації властивостей поверхні.

Оскільки в конденсованих середовищах поведінку утворюють їх часток - атомів, іонів, електронів і дірок - підкоряється законам квантової механіки, т. Е. Описується їх хвильовими функціями, в них виявляються нові властивості, обумовлені квантоворозмірними ефектами - залежністю властивостей наносистеми від співвідношення її характерних розмірів і характерних розмірів області кореляції різних фізичних взаємодій і явищ, що відбуваються в системі частинок. У зв'язку з цим поверхню можна вважати, мабуть, найпоширенішою природною наносистемами, причому плівкового типу.

Наступним кроком модифікації властивостей поверхні є осадження на її поверхні тонких плівок або шаруватих плівкових структур, товщина яких може бути від мікронів до часток мікрона, т. е. може задовольняти умові d < 100 нм. Такі плівкові структури є основою для побудови елементної бази сучасної мікро-, а в межі d < 100 нм, наноелектроніки.

це двовимірні наноструктури, Причому інтеграція елементів відбувається в їх площині. Тонкі плівки можуть виконувати і функціональні завдання зміцнення поверхні, зміни її змочуваності, коефіцієнта тертя і ін. Нова якість може бути досягнуто шляхом осадження на поверхню твердого тіла атомів тих елементів, які можуть утворювати різні речовини, що відрізняються за своїми структурою та властивостями, т. Е . різні алотропні модифікації (характерний приклад - вуглець, який може існувати у вигляді чотирьох аллотропних форм, відрізняються типом гібридизації: sp3 і sp2- Цим типам відповідають стійкі модифікації алмаз і графіт, а також sp1 і sp °, яким відповідають метастабільні модифікації лінійно-цепочечного вуглецю (ЛЦУ), и гранецентрированного (ГЦК) вуглецю). При цьому метод керованого осадження атомів вуглецю в даний час є практично єдиним методом синтезу останніх двох форм вуглецю.

Експериментальна установка отримання вуглецевих плівок є вакуумну систему, що забезпечує імпульсний осадження вуглецю з плазмових згустків, які формуються вакуумної дугою, з щільністю іонів 1013... 1014 см3 і ступенем іонізації 95%. Частота імпульсів варіюється в межах 1 ... 30 Гц, тривалість імпульсу 100 мкс.

Іонний пучок формується іонним джерелом низького тиску. Енергія іонів Аг+, Облучающих поверхню зростаючої плівки, варіюється в межах 0-300еВ і залежить як від напруги екстракції, так і від параметрів вуглецевої плазми. У нижчеописаних експериментах ця енергія дорівнювала 150еВ. Як матеріали підкладки використовувалися NaCl (для електронномікроскопічних досліджень), Si (для електронної спектроскопії), а також сталь, полімери, кераміка і т. Д. Робочий тиск в камері було 104 Па.

Нанооб'єкти можуть існувати і у вигляді частинок відповідного розміру (наночастинки), а також нанокомпозити, Утворені ансамблем таких частинок. Різноманіття можливих видів наночастинок дуже велике.

Одним з основних фізичних ознак приналежності до наносвіту є рівність або перевищення поверхневої енергії наночастинки в порівнянні з її об'ємною енергією. Тому відмітною властивістю наночастинок є їх активність за рахунок наявності на їх поверхні обірваних зв'язків. У загальному випадку зазвичай це тривимірні об'єкти (3D).

Природно, що право на існування мають одномірні (ID) і нульмерние системи (0D). До перших відносять так звані квантові нитки (Квантові дроти), які формуються в умови сильної анізотропії властивостей речовини сильним проявом квантово-розмірних ефектів і з діаметром <100 нм (важливий приклад квантової нитки - напівпровідникові нанотрубки). Нарешті, характерним прикладом нульмерние системи або квантової точки може служити екситон.

Наносистеми можуть або організуватися в природі природним шляхом - поверхня, нанокластери карбін, нанотрубки і ін. - Або модифікуються шляхом керованого вирощування (тонкі плівки і плівкові наноструктури) за допомогою осадження на поверхню частинок необхідної якості. Такі частинки можуть осідати з плазми або інших джерел пучків атомів, іонів, молекул, причому важливим елементом такої технології є попередня підготовка поверхні таким чином, щоб вона стимулювала зростання необхідної структури осаждаемой плівки. Це, наприклад, управління процесом епітаксіал'ного зростання, при якому міжатомні відстані вирощуваної плівки повторюють геометрію створюваних на поверхні центрів зародкоутворення. Для реалізації такого процесу потрібно детально знати фізику взаємодії іонів і електронів з поверхнею твердого тіла.

описаний процес іонно-стимульованого епітаксіального зростання плівок на командному поверхні є важливим прикладом самозборки, яка є невід'ємною властивістю нанотехнологій.

Проводиться великий цикл досліджень процесів взаємодії пучків заряджених частинок - електронів та іонів у широкому діапазоні їх енергій - з поверхнею твердих тіл:

· Розпорошення матеріалу поверхні,

· Вторинна іонно-іонна,

· Іонно-електронна,

· Електрон-іонна емісія,

· Впровадження частинок пучка в поверхню,

· Напилення частинок пучка на поверхню,

· Зміна фазового складу поверхні,

· Активація поверхні і т. П.

Всі ці процеси реалізуються також при контакті газорозрядної плазми з поверхнею, і так чи інакше використовуються в різних технологічних циклах, таких, як травлення, імплантація, інтеркаляції, осадження плівкових структур, літографія та інших технологічних циклах сучасної мікро-, а з переходом до характерних розмірами <100 нм, наноелектроніки.

Встановлено, що важливу роль відіграють не пружні процеси при взаємодії іонів малих енергій з поверхнею твердих тіл. Виявлено основний механізм такої взаємодії, а саме, - резонансна перезарядка. Цей процес лежить в основі більшості нанотехнологій модифікації властивостей поверхні.

Серед процесів, супроводжуваних (викликаються) на поверхні твердих тіл пучками заряджених частинок: електронів і, в першу чергу, іонів для розуміння магістрального напряму розвитку робіт є процеси електронної та іонної стимуляції спрямованого вирощування (напилення, осадження) на ній плівок різних вуглецевих метастабільних фаз і , в першу чергу, двовимірної-упорядкованого лінійно-цепочечного вуглецю (ДУ ЛЦВ).

|

Читайте також:

ефект Зеемана

Зв'язок понять квантових і класичних коливальних систем

Приклади застосувань ССМ-77

Резонансні режими взаємодії поля з речовиною

Спадний гальмування (посилення). Механізм негативного зворотного зв'язку. Механізм позитивного зворотного зв'язку. Багатоканальність.

MEMS-джерела живлення для портативних пристроїв

Нейтронографія

Перетворювачі біохімічних реакцій в аналітичний сигнал

Ефект Мейснера і його практичне застосування

Приклади створення і область застосування мікро- і нанодатчіков

Фізичні основи створення мікро- і нано-електромеханічних систем (МЕМС)

Кантільоверниє Сенора на основі високомолекулярних і біополімерних систем

Фізичні основи колебательной спектроскопії

Повернутися в зміст: фізичні явища

Всі підручники

© om.net.ua