Разноцветная нанопроволочная нанофотоника
В 2005 году семейство научных журналов, посвящённых очень маленьким кусочкам вещества, пополнил ещё один ежемесячник, который так и называется «Маленький» (Small) (издатель – Wiley-VCH Verlag GmbH&Co. см. http://www.small-journal.com). В первом номере первого тома «Small» опубликованы новые данные об исследованиях гарвардских ученых (США) во главе с проф. Ч. Либером по «нанопроволочной нанофотонике» [1]. Популярно этапы их большого пути отражены в публикациях [2-4].
Сегодня в активе этого американо-китайского коллектива целая серия совершенно замечательных «нанопроволочных» изделий. В публикации [1] речь идёт о наносветодиодах, которые получаются, если поперёк нанопроволоки из p-Si положить нанопроволоку (НП) из прямозонного полупроводника с электронным типом проводимости. Например, из n-GaN (Eg=3.36эВ), или n-CdS (Eg=2.42эВ), или n-CdSe (Eg=1.70эВ), или n-InP (Eg=1.35эВ) и т.д. Авторы преодолели не только сложность получения однородных матриц из пересекающихся нанопроволок, но и не меньшую сложность подключения к ним омических контактов.
Первый биполярный Si-НП транзистор из НП трёх типов (p, n, и n+) создавали буквально китайским трудом [5]: нужную нанопроволочку приваривали в сканирующем электронном микроскопе к заточенным металлическим макронаконечникам, а потом уже с использованием оптического микроскопа, держась микроманипуляторами за эти наконечники, почти вслепую, организовывали крест. Этого было достаточно для «прощупывания» реализуемости идеи, а результаты вдохновили авторов на создание серьёзной технологии. Подход к технологии был найден и запатентован [6], и теперь исследователи выдают серию первоавторских приборов на нанопроволоках.
Рис.1. Микроструйное выстраивание нанопроволок
Нанопроволоки выкладывают методом микроструи [7]. Если к поверхности окисленной кремниевой пластины прижать пластиковую форму с изготовленными на прижимаемой стороне микроканалами (O=5-500мкм и длиной от 6 до 20мм), а затем заставить протекать по этим каналам взвесь нанопроволок в этаноле, то проволоки выстроятся по течению как водоросли в ручье. При этом разброс по углу отклонения нанопроволоки от оси канала может быть доведён до 6-7° при скорости потока 8-10мм/с. (см. рис. 1). Для надёжного крепления нанопроволок к подложке поверхность SiO2 предварительно покрывают самоорганизованным монослоем из 3-аминопропилтриэтоксисилана (АПТЭС), для чего окунают подложку в миллимолярный раствор АПТЭС в хлороформе на полчаса, а затем нагревают до 110° С в течение 10 минут. Если же требуется, чтобы нанопроволоки не просто вытянулись на подложке параллельно друг другу, а легли упорядоченно, то на подложке методом электронной литографии делают сначала канавки в резисте и АПТЭС клей наносят только в эти канавки. Именно там и выстроятся НП после прокачки над канавками этанольной НП-суспензии (см. рис. 2). Лёгким поворотом формы второй набор нанопроволок можно наложить на первый под любым заданным углом. Аналогичным образом можно сформировать и третий, и четвертый слои НП и т.д. (см. рис. 2).
 
Рис.2. Узоры из нанопроволок, сделанные методом микроструи (длина маркёра - 2 мкм)
Гарвардские кудесники научились легко манипулировать нанопроволоками, что позволяет им изготавливать полевые транзисторы и даже простейшие логические схемы из них [8]. А если «поколдовать» над местами пересечения нанопроволок (например, вскрыть над нужным перекрёстком окно в резисте и подержать структуру в одномолярном растворе хлорида тетраэтиламмония минут 10 - этого будет достаточно, чтобы пороговое напряжение полевого НП-транзистора возросло с 2 до 5В), то можно делать и дешифраторы адреса [9]. Этим же способом сделаны и наносветодиоды, описанные в [1]. Чтобы всё понять, достаточно одного взгляда на рис. 3 и рис. 4.
Рис.3. Так изготавливают нанопроволочные разноцветные светодиоды
Рис.4. А так они светят!
Известно, что для ряда целей (например, для передачи информации) светодиод должен не только светить, но и мигать (и с достаточно большой частотой для передачи большого объема информации в единицу времени). Реализованная в [1] стопроцентно нанопроволочная схема (рис. 5) при сверхмалых размерах исключительно быстродействующая.
В семействе полупроводниковых соединений III-V всеми цветами радуги светятся нитриды металлов третьей группы Периодической системы Д.И. Менделеева. И, конечно, гарвардские «нанопроволочники» не могли обойти их стороной [10], освоив синтез p-GaN:Mg-НТ [11] и сформировав радиальные GaN-InGaN- нанопроволочные (сияющие!) гетероструктуры [12]. В руках у них оказалась bottom-up-технология, позволяющая иметь безграничное количество разных полупроводниковых «нанокирпичиков» и строить из них и светящиеся, и считающие актуальные приборы без дорогого процесса эпитаксии.
Рис.5. Гигагерцовые «наномигалки» для Bluetooth
К слову, финансирует разработки Агентство перспективных разработок Пентагона (DARPA) + Управление научных исследований ВВС США.
С.Чикичев
Источник: ПерсТ
1. Small 2005, 1, No 1, 142
2. Acc.Chem.Res. 1999, 32,435
3. Sci.Am., pp.59-64 (September 2001).
4. MRS Bull., pp.486-491 (July 2003).
5. Science 2001, 291, 851
6. C.M.Lieber, Y.Cui, X.Duan, Y.Huang. Doped elongated semiconductors, growing such semiconductors, devices including such semiconductors and fabricating such devices. US Patent Application Publication: 2002/0130311.A1, September 19, 2002.
7. Science 2001, 291, 630
8. Science 2001, 294, 1313
9. Science 2003, 302, 1377
10. NanoLetters 2002, 2, 101
11. NanoLetters 2003, 3, 343
12. NanoLetters 2004, 4, 1975
|
|
