Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

нове этих наночастиц гораздо более эффективны и долговеч ныпо сравнению с ионными фильтрами.

Наночастицы оксида цинка защищают от вредного воздей ствия УФ лучей. Их можно исползовать при производстве оч ков, одежды, солнцезащитных кремов и пр. Кроме того, ими можно модифицировать ткани для камуфляжей и покрытий типа “стелс”, невидимых в широком диапазоне частот.

Наночастицы диоксида кремния позволяют создавать само очищающиеся покрытия для тканей, стекла, дерева, керамики и камня.

РВС на основе нанотрубок серпентина продлевает жизнь автомобиля и значительно снижает уровень выхлопных газов.

Одним из практических применений нанохимии явля ется производство наноматериалов с улучшенными свойства ми, а также “умных” материалов, способных активно реагиро вать на изменения окружающей среды и изменять свои свой ства в зависимости от обстоятельств.

С развитием нанотехнологий большой интерес вызывает алмазоид углеводород, в котором атомы углерода образуют тетраэдрическую пространственную решетку, точно такую же, как в алмазе. Выделяют три вида алмазоидов: (адамантан, диа мантан и триамантан), Всем им присущи базовые характерис тики алмаза, в том числе, высокая биосовместимость. Благода ря этому, алмазоид является первым претендентом в списке ма териалов, из которых в перспективе могут быть изготовлены медицинские нанороботы.

168

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Глава 4. Наноэлектроника и МЭМС

“Закон Мура замечательный пример экспо ненциального роста. На то, чтобы добиться от компьютера быстродействия в 1 МГц, у челове чества ушло 90 лет. Сегодня же мы добавляем по 1 МГц каждый день.”

Рэй Курцвейл

Появление и развитие полупроводниковой электроники

Нельзя не восхищаться достижениями человечества во вто рой половине ХХ века, когда чуть ли не каждый год сопровож дался крупным прорывом то в одной, то в другой области. Од ной из причин тому явилось широкомасштабное применение полупроводников.

Казалось бы, что здесь такого? Люди начали использовать еще один вид материалов, и только. Но… можно сказать, что именно полупроводники превратили за несколько десятилетий разгромленную во второй мировой войне нищую, голодную Японию в одну из ведущих держав мира.

Полупроводники – это нечто среднее между проводниками и диэлектриками. К ним относятся многие химические элементы (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк и др.), огромное количество сплавов и химических соединений. Почти все неор ганические вещества окружающего нас мира – полупроводни ки. Самым распространенным в природе полупроводником яв ляется кремний, составляющий около 30 % земной коры.

Главная особенность полупроводников состоит в том, что их физические свойства сильно зависят от внешних воздей ствий изменения температуры или малейшего количества примесей.

Целенаправленно изменяя температуру полупроводника или легируя его (добавляя примеси), можно управлять его физическими свойствами, в частности, электропроводностью.

То, что вещества по разному проводят электричество, лю дям было известно еще 180 лет назад. В 1821 году английский химик Хэмфри Дэви установил, что электропроводность метал лов уменьшается с ростом температуры.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Проводя дальнейшие эксперименты, его ученик Майкл Фа радей в 1833 году обнаружил, что у сернистого серебра электроп роводность с ростом температуры не падает, а возрастает. Затем он открыл еще несколько веществ с необычной зависимостью проводимости от температуры. В то время, однако, это не заин тересовало научный мир, пока в 1873 году не обнаружили, что сопротивление селена (Se) меняется при освещении.

Селеновые фотосопротивления сразу нашли применение в разных оптических приборах. И первым полупроводниковым прибором стал фоторезистор, представляющий собой обычный селеновый столбик, электрическое сопротивление которого в темноте ниже, чем на свету.

Бурное развитие полупроводниковой электроники нача лось с изобретением сначала точечного (1948г.), а затем и плос костного (1951г) транзистора – основы любой современной микросхемы.

Чтобы понять принцип работы транзистора, надо рассмот реть ряд физических процессов, протекающих в полупроводни ках. Для начала рассмотрим суть электропроводности, то есть способности различных веществ проводить ток.

Электропроводность

Как известно, все вещества состоят из атомов, соединен ных химическими связями, во многом определяющими их фи зико химические свойства, в частности, электропроводность. Так, например, соль или дерево не проводят ток, являясь иде альными диэлектриками, в то время как металлическая прово лока служит превосходным проводником тока. В чем же секрет высокой электропроводности металлов?

Электропроводность металлов

Атомы в кристаллической решетке металлов упакованы очень плотно каждый атом может быть непосредственно свя зан с 12 ю соседними. Поэтому электроны внешних оболочек атомов (валентные электроны) оказываются “свободными” и не участвуют в межатомных взаимодействиях. Эти электроны могут беспорядочно двигаться, образуя так называемый “элект ронный газ”, в который погружены положительные ионы ме талла, расположенные в узлах кристаллической решетки

170

ГЛАВА 4. Наноэлектроника и МЕМС

Как ионы, образую щие решетку, так и элект роны участвуют в тепло вом движении. Ионы со вершают тепловые колеба ния в узлах решетки. Сво бодные электроны движут ся хаотично и сталкивают ся с ионами решетки. Из за взаимодействия с иона

ми электроны могут покинуть металл, лишь преодолев так на зываемый потенциальный барьер. Высота этого барьера назы вается работой выхода.

При комнатной температуре у электронов не хватает энер гии для преодоления потенциального барьера. Но если прило жить к металлической проволоке разность потенциалов, то по ней потечет электрический ток, образованный свободными электронами, постоянно присутствующими в кристалле. Именно высокая концентрация свободных электронов и обус лавливает высокую электропроводность всех металлов.

Электропроводность полупроводников

Рассмотрим теперь кристаллическую решетку полупровод никовых кристаллов. Для полупроводников характерна ковале* нтная связь между атомами. В качестве примера рассмотрим кристалл германия (Ge), имеющий четыре валентных электрона.

Благодаря прочности ковалентной связи электроны в крис талле германия гораздо более локализованы, чем в металлах. Это означает, что в обычных условиях его проводимость на по рядки меньше, чем у металлов (из за отсутствия “свободных” нелокализованных электронов).

Что же будет, если к такому кристаллу приложить разность потенциалов? Даже если при этом в кристалле будет создано очень сильное электрическое поле, оно сможет лишь чуть чуть деформировать электронные орбиты, но разорвать их пол ностью окажется не в состоянии. Свободных носителей заряда в кристалле не возникнет, и, следовательно, не будет электри ческого тока. Таким образом, в “чистом виде” кристалл герма ния представляет собой обычный диэлектрик.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Чтобы в кристалле кремния появились свободные носите ли заряда, необходимо как то нарушить их стабильные ковале нтные связи. Достичь этого можно различными способами.

Во первых, кристалл можно просто нагреть, придав его элект ронам дополнительную энергию, достаточную для того, чтобы раз рушить межатомные электронные связи. Предположим, в результате нагревания одна из связей разорва лась, а выбитый со своей орбиты электрон оказался между четырьмя соседними атомами.

Что в это время происходит с разорванной связью? Появившаяся у нее дополнительная энергия позволяет зах

ватить электрон из соседней связи. В свою очередь, вновь обра зовавшаяся “дырка” также “отнимает” электрон у соседней связи и т.д. В результате такая неполная связь подобно свобод ному электрону хаотично перемещается между атомами решет ки. Движение разорванных связей происходит за счет перехода электронов, участвующих в соседних связях, а не свободных электронов, так что каждый раз в кристалле появляется очеред ная неполная связь.

Образно это можно уподобить случаю, когда в заполнен ном зрительном зале уходит один из зрителей первого ряда. На его место сразу пересаживается зритель из второго ряда, чье место тут же занимает человек, сидевший в третьем ряду и т.д. При этом пустое место перемещается по залу от первого ряда к последнему противоположно движению зрителей.

Когда разорванная связь перемещается по кристаллу, то движется и созданный ею нескомпенсированный положитель ный заряд. Это можно рассматривать как появление в полупро воднике положительно заряженных частиц, величина заряда которых равна заряду электрона. Такие квазичастицы (“квази”

– значит “почти”, так как это все таки не частицы) получили название “дырок”.

Свободный электрон и дырка существуют в кристалле не вечно. Спустя некоторое время, составляющее от 1010 до 102 с, свободный электрон и дырка встречаются и рекомбинируют.

172