НаноэлектроникаНанотрубки VS графен: битва за будущее наноэлетроники
By: Свидиненко Юрий (Svidinenko) 2006.04.04
Вальт Де Хир
Нанотрубки VS графен: битва за будущее наноэлетроники
Похоже, что у углеродных нанотрубок появился серьезный конкурент в области наноэлектроники. Предполагаемый конкурент тоже состоит из углерода, более того – это развернутая в двумерный лист нанотрубка, или же наноматериал графен. Впервые графен был синтезирован профессором Эндрю Геймом и его коллегами из Университета Манчестера, США, совместно с командой доктора Новоселова из Черноголовки, Россия. Этот наноматериал представляет собой «развернутую» нанотрубку. Это пленка из атомов углерода, составляющая собой одну молекулу. Журналисты окрестили новый наноматериал «двумерным», так как он толщиной в один атом углерода.
Профессору Гейму впервые удалось отделить атомарный слой от кристалла графита. При этом отделённые атомы сохранили связь друг с другом, образовав «заплатку» из ткани толщиной в один атом. Исследователи назвали новый материал двухмерным фуллереном. Графен стабилен, очень гибок, прочен и проводит электричество.
Благодаря уникальным свойствам углерода в пространственной решетке графена, последний характеризуется высокой мобильностью электронов, что делает графен очень перспективной основой наноэлектронных устройств.
Свойства графена довольно неплохо изучены. Так, ученые из Georgia Institute of Technology, США, совместно с исследователями из Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS), Франция, создали графеновые транзисторы и простейшую логику на их основе. Исследователи полагают, что благодаря их достижениям появится новый класс графеновой наноэлектроники с базовой толщиной транзисторов до 10 нанометров.
"Вообще мы предполагаем создать наноэлектронные устройства, которые не имеют ничего общего с современной микроэлектронной базой, - говорит Вальт Де Хир (Walt de Heer), профессор из Georgia Tech's School of Physics. - Наша основная цель – создание наноэлектронных устройств, работающих на эффекте дифракции электронов, а не на обычном эффекте диффузии, использующемся повсеместно. Если нам удастся это сделать, то в нашем распоряжении будут быстродействующие устройства с низким энергопотреблением», - говорит Вальт.
Рис. 1. Вальт Де Хир держит первое графеновое устройство
Работа ученых поддерживается не только Национальным Научным Обществом США (U.S. National Science Foundation), но и корпорацией Intel, что не удивительно в свете последних достижений в области наноэлектроники. Вальт и его коллеги провели доклад о своих достижениях 13 марта на встрече Американского физического общества (American Physical Society).
Поскольку углеродные нанотрубки проводят электричество практически без сопротивления, то, естественно, они до сих пор являются кандидатами №1 для транзисторной базы. Более того, кроме одиночных транзисторов, на их основе уже создан полностью функционирующий логический контур (об этом мы рассказывали здесь: ). Однако ряд трудностей мешает перейти уже сейчас на массовое применение нанотрубок в микро- и наноэлектронике.
Вот основные причины, не пускающие нанотрубки в «большую электронику»:
1 - Невозможность синтезировать нанотрубки четко определенных размеров, характеризующиеся определенными свойствами. Другими словами – при синтезе каждый раз получаются нанотрубки с другими свойствами, разбег которых не позволяет использовать их серийно.
2 – Производственно-технологические трудности интеграции нанотрубок в серийные микроэлектронные устройства.
3 – Нагрев и значительные потери энергии в местах соединения «металл-нанотрубка» из-за высокого сопротивления соединения.
Де Хир, посвятивший не один год изучению свойств однослойных углеродных нанотрубок, уверен в том, что они – только первая ступень в развитии наноэлектроники, а конечная обязательно приведет к графеновой базе.
Одним из серьезных преимуществ графена перед нанотрубками является простота производства ИС на графеновой основе. Для этого не потребуется сложного оборудования, и устройства на новой основе можно будет изготавливать в больших количествах с помощью уже хорошо известной нанолитографии.
"Нанотрубка – это тот же графен, только развернутый в плоский лист. Свойства, химический состав и морфология однослойной углеродной нанотрубки повторяет морфологию графена на плоскости", - комментирует Де Хир.
Так полагает не только Ден Хир, но и другие ученые, занимающиеся нанотрубками, графеном и другими наноматериалами вплотную. Так, интегральная микросхема, составленная целиком только из одного графена, не будет иметь мест соединений с проводниками, а значит, будет меньше тепловых потерь и лишнего энергопотребления.
Для производства графена необходима вафля карбида кремния. При нагреве ее в вакууме атомы кремния покидают вафлю, оставляя один большой слой графена.
Далее на графеновую вафлю наносится слой обычного фоторезиста, который используется при производстве микроэлектроники. И с помощью оптической или электронно-лучевой литографии ученые вытравили шаблоны на графеновой вафле, создав матрицу транзисторов. Завершается процесс травлением вафли – так удаляются лишние слои графена.
Рис. 2. Графеновый транзистор
«Мы использовали нанолитографию точно так, как если бы мы делали не графеновую, а обычную кремниевую микросхему, - говорит Де Хир. – Технология осталась та же, только изменился материал. Это, я считаю, огромное преимущество графена по сравнению с теми трудностями, которые мы испытывали, изготавливая микроэлектронику на основе нанотрубок».
Используя традиционную электронно-лучевую литографию, ученым удалось создать структуры размерами около 80 нанометров. Через время, используя новый нанолитограф из Института Джорджии, им удалось спуститься вниз по размерной шкале до 10 нанометров.
Графеновые чипы показали высокую мобильность заряда – до 25000 см2 за В*с. Также ученым удалось наблюдать когеренцию электронов при комнатной температуре, что свидетельствует о проявлении эффектов квантовой интерференции. Также исследователи планируют получить эффект баллистического транспорта в графеновых наноструктурах, но для этого им придется создать структуры, меньшие по размерам.
Как мы уже говорили выше, на графеновой вафле Де Хиру удалось создать полностью графеновые полевые транзисторы. Кроме транзисторов, ученым удалось на базе графена сделать рабочее устройство квантовой интерференции – кольцевую структуру, которая будет полезна при управлении электронными волнами.
Де Хир работает с графеном с 2001 года и получил грант от Intel в 2003 году. Как он сам считает, работа на «графеновом поле» только начинается. Он и его коллеги успешно создают и исследуют новые структуры, но до массового применения графена еще далеко. «Мы заложили только основу графеновой электроники, а для получения конкретных результатов потребуются годы исследовательской работы многих ученых. Мы только в самом начале пути, но я не сомневаюсь, что этот путь приедет к успеху новых решений в наноэлектронике будущего».
