Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1
Стаття знайомить читачів з новітньою елементною базою, яка може прийти на зміну кремнієвій елементній базі. Стисло описані властивості фулеренів, вуглецевих нанотрубок (ВНТ) і плівок графену та вже реалізовані на їх основі транзистори, логічні елементи, резистори, міжз'єднання, комірки пам'...
Saved in:
| Published in: | Математичні машини і системи |
|---|---|
| Date: | 2013 |
| Main Authors: | , , |
| Format: | Article |
| Language: | Ukrainian |
| Published: |
Інститут проблем математичних машин і систем НАН України
2013
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/83793 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 / І.Д. Войтович, В.М. Корсунський, Ф.Т. Лаврик // Мат. машини і системи. — 2013. — № 1. — С. 3-13. — Бібліогр.: 38 назв. — укр. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859713837409763328 |
|---|---|
| author | Войтович, І.Д. Корсунський, В.М. Лаврик, Ф.Т. |
| author_facet | Войтович, І.Д. Корсунський, В.М. Лаврик, Ф.Т. |
| citation_txt | Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 / І.Д. Войтович, В.М. Корсунський, Ф.Т. Лаврик // Мат. машини і системи. — 2013. — № 1. — С. 3-13. — Бібліогр.: 38 назв. — укр. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Математичні машини і системи |
| description | Стаття знайомить читачів з новітньою елементною базою, яка може прийти на зміну кремнієвій елементній базі. Стисло описані властивості фулеренів, вуглецевих нанотрубок (ВНТ) і плівок графену та вже реалізовані на їх основі транзистори, логічні елементи, резистори, міжз'єднання, комірки пам'яті, надчутливі сенсори та пристрої відображення інформації. Вказано на їх переваги і перспективи впровадження вже у найближчі десятиліття.
Статья знакомит читателей с новейшей элементной базой, которая может сменить кремниевую элементную базу информатики. Кратко описаны свойства фуллеренов, углеродных нанотрубок и пленок графена, а также реализованные на их основе транзисторы, логические цепи, резисторы, межсоединения, ячейки памяти, сверхчувствительные сенсоры и устройства воспроизведения информации. Указаны их преимущества и перспективы внедрения уже в ближайшие десятилетия.
This paper introduces readers with up to date element base which can replace silicon element base of informatics. The properties of fullerenes, carbon nanotubes (CNT), graphene films were briefly described as well as transistors, logic circuits, resistors, interconnections, memory cells, ultra-sensitive sensors and display devices were realized on their base. The advantages and prospects of implementation of such elements in the nearest decades were pointed out.
|
| first_indexed | 2025-12-01T07:08:16Z |
| format | Article |
| fulltext |
© Войтович І.Д., Корсунський В.М., Лаврик Ф.Т., 2013 3
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1
ОБЧИСЛЮВАЛЬНІ СИСТЕМИ
УДК 004.3
І.Д. ВОЙТОВИЧ, В.М. КОРСУНСЬКИЙ, Ф.Т. ЛАВРИК
ВУГЛЕЦЕВА НАНОЕЛЕКТРОННА ЕЛЕМЕНТНА БАЗА ІНФОРМАТИКИ. Ч. I
Анотація. Стаття знайомить читачів з новітньою елементною базою, яка може прийти на змі-
ну кремнієвій елементній базі. Стисло описані властивості фулеренів, вуглецевих нанотрубок
(ВНТ) і плівок графену та вже реалізовані на їх основі транзистори, логічні елементи, резистори,
міжз’єднання, комірки пам’яті, надчутливі сенсори та пристрої відображення інформації. Вказа-
но на їх переваги і перспективи впровадження вже у найближчі десятиліття.
Ключеві слова: вуглецеві нанотрубки (ВНТ), фулерени, графен, логічні і запам’ятовуючі елементи,
резистори, міжз’єднання, польові транзистори на ВНТ і графені, хімічні сенсори.
Аннотация. Статья знакомит читателей с новейшей элементной базой, которая может сме-
нить кремниевую элементную базу информатики. Кратко описаны свойства фуллеренов, углерод-
ных нанотрубок и пленок графена, а также реализованные на их основе транзисторы, логические
цепи, резисторы, межсоединения, ячейки памяти, сверхчувствительные сенсоры и устройства
воспроизведения информации. Указаны их преимущества и перспективы внедрения уже в бли-
жайшие десятилетия.
Ключевые слова: углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены, графен, логические и запоминающие
элементы, резисторы, межсоединения, полевые транзисторы на УНТ и графене, химические сен-
соры.
Abstract. This paper introduces readers with up to date element base which can replace silicon element
base of informatics. The properties of fullerenes, carbon nanotubes (CNT), graphene films were briefly
described as well as transistors, logic circuits, resistors, interconnections, memory cells, ultra-sensitive
sensors and display devices were realized on their base. The advantages and prospects of implementation
of such elements in the nearest decades were pointed out.
Keywords: carbon nanotubes (CNT), fullerenes, graphene, logical and memory elements, resistors,
interconnections, field transistors on CNT and graphene, chemical sensors.
1. Вступ
Вже понад півстоліття елементна база інформатики ґрунтується в основному на кремнії.
На це було багато вагомих причин, які ми не будемо перелічувати. Проте у прийдешні де-
сятиліття матеріальна основа елементної бази інформатики може змінитися. Не менш, а
навіть більш розповсюдженим на Землі та на інших планетах хімічним елементом, ніж
кремній, є вуглець. Проте до останніх десятиліть ХХ ст. вважалося, що вільний вуглець
існує лише у трьох формах: вугілля, графіт та алмаз. Вугілля (і сажа) є аморфною формою
вуглецю, а кристалічний графіт напівметалом, – обоє здавались малопридатними для по-
будови елементної бази інформатики. Кристали алмазу вже давно привертають увагу дос-
лідників, на них можна багато чого зробити. Проте алмаз – надто коштовний матеріал, щоб
на ньому могла базуватися електроніка масового вжитку.
Ситуація змінилася в останні десятиліття ХХ ст., коли були відкриті та вивчені такі
невідомі раніше форми існування вуглецю, як фулерени, вуглецеві нанотрубки (ВНТ) та
графен. Виявилося, що вони цілком придатні для побудови багатьох, вже наноелектронних
пристроїв інформатики з характеристиками, кращими, ніж у кремнієвих пристроїв. Цей
напрям наноелектронної елементної бази інформатики дуже швидко розвивається.
4 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1
Мета даної статті – ознайомити широке коло фахівців з обчислювальної та інфор-
маційної техніки з принципами функціонування елементів та пристроїв інформатики на
основі нових форм вуглецю – фулеренів, вуглецевих нанотрубок (ВНТ) та плівок графену
– з наявними здобутками у цьому напрямі та з перспективами його впровадження.
Стаття складається з трьох частин. В ч. 1 ми знайомимо Вас зі структурою та влас-
тивостями фулеренів, ВНТ і плівок графену, а також описуємо можливості реалізації на їх
основі ефективних резисторів та міжз’єднань великих інтегральних схем. В ч. 2 описують-
ся вже реалізовані на їх основі транзистори, логічні елементи, комірки та пристрої пам’яті,
а в ч. 3 – надчутливі сенсори та пристрої відображення інформації.
2. Фулерени та вуглецеві нанотрубки
Відкриття фулеренів відмічене Нобелівською премією в галузі хімії за 1996 р. Першими
були вивчені молекули С60, структура яких показана на рис. 1 ліворуч.
С60
С70
Рис. 1. Ліворуч – структурна модель фулерену С60; праворуч – графічне
представлення результатів комп’ютерного розрахунку
молекули фулерену С70
У цій молекулі усі атоми карбону розташовані на поверхні, яка складається з 20 ше-
стикутних та 12 п’ятикутних граней і схожа за формою на футбольний м’яч. Названа мо-
лекула на честь архітектора Р.Б. Фулера, який будував вибагливі оригінальні склепіння у
формі ікосаедрів, за структурою дуже схожі на молекулу С60. Діаметр молекули С60 приб-
лизно 0,9 нм. Пізніше були вивчені молекули вуглецю С70, схожі на молекули С60. Маючи
не 20, а 25 шестикутників на поверхні, вони трохи видовжені порівняно з молекулами С60 і
нагадують своєю формою м’яч для регбі. Результат квантово-механічних комп’ютерних
розрахунків молекули С70 показаний на рис. 1 праворуч (так виглядає ззовні електронна
«шуба» цієї молекули). Молекула С70 теж названа фулереном. Пізніше було виявлене існу-
вання й багатьох інших «фулеренів» – замкнених об’ємних молекул з атомів карбону, що
складаються з меншої (наприклад, з 20 – у найменшому з можливих фулеренів) та з біль-
шої кількості атомів, наприклад, з 240, 540 і навіть з 960 атомів.
N@С60
La@C82
Рис. 2. Ліворуч – атом нітрогену, капсулований у молекулі С60; праворуч –
молекула С82 з капсулованим у ній атомом лантану
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1 5
Рис. 3. Структурна схема каркасу одношарової
ВНТ та результат квантово-механічного
розрахунку її молекулярних орбіталей
Оскільки в середині молекул фулерена є досить велика (за атомним масштабом) по-
рожнина, то в цю порожнину, як виявилось, можуть бути «капсуловані» інші атоми. На
рис. 2 показані два приклади молекул фулерена з капсулованими в середині них атомами
нітрогену та лантану. Для такого роду не знаних раніше хімічних сполук довелося ввести
спеціальне хімічне позначення. Наприклад, хімічна формула La@C82 означає атом ланта-
ну, капсулований у середині молекули фулерена C82.
Капсуловані атоми суттєво змінюють властивості відповідних молекул фулерена –
їх молекулярну масу, магнітний момент, електричний заряд тощо [1–4]. Кристали фулере-
на з капсулованими атомами лужних металів виявились, наприклад, надпровідними. Крис-
тал К3@C60 (три атоми калію, капсуловані в молекулі фулерена C60) переходить у надпро-
відний стан при температурі 18 К, а кристал Cs2Rb@C60 – при температурі 33 К. Метало-
фулерени знайшли вже багато застосувань [5–8].
Міцна, стійка, вишукана молекула фулерена C60, як і бензольне кільце, може бути
конструктивною основою та «будівельним блоком» багатьох інших, не знаних раніше, мо-
лекул. Цілеспрямовану модифікацію молекул фулеренів шляхом приєднання до них моле-
кулярних груп зі специфічними властивостями називають «спеціалізацією» фулеренів.
Вуглецеві нанотрубки (ВНТ) теж є великими молекулами, побудованими з атомів
карбону [9, 10]. Типова структурна схема одношарової ВНТ та результат комп’ютерного
розрахунку її молекулярних орбіталей
показані на рис. 3 [11]. У вершинах усіх
шестикутників та п’ятикутників, зображе-
них білими лініями, розташовані атоми
карбону. Для того, щоб структуру каркасу
ВНТ було добре видно, атоми карбону тут
не показані. Але їх не важко собі уявити у
кожній вершині шестикутників. Сірим
тоном показаний вигляд молекулярних
орбіталей бічної поверхні ВНТ.
Теорія [12] вказує, що структуру
бічної поверхні одношарової ВНТ можна
уявити собі як згорнутий у трубочку один
шар кристалу графіту. Згортати можна
лише в тих напрямках, при яких досяга-
ється суміщення гексагональної решітки
самої з собою при замиканні циліндричної поверхні. Тому ВНТ мають лише певний набір
діаметрів і класифікуються за векторами, які вказують напрямок згортання гексагональної
решітки. Від цього залежать і зовнішній вигляд, і варіації властивостей ВНТ. Три типові
варіанти показані на рис.4. Набір діаметрів ВНТ перекриває діапазон від дещо менше 1 нм
до багатьох десятків нанометрів. А довжина ВНТ сягає десятків мікрометрів. Рекордні за
довжиною ВНТ вже довші за 1 мм.
В залежності від напрямку згортання графітового шару нанотрубки можуть бути як
провідниками, так і напівпровідниками. ВНТ «сідлової» структури завжди мають досить
високу «металеву» електропровідність, у той час, як ВНТ зі структурою „зигзаг” можуть
бути „напівпровідними”.
Є також і багатошарові ВНТ. Деякі з них схожі на згорнутий у сувій графітовий
шар. Але більшість складається зі вставлених одна в одну одношарових трубочок,
з’єднаних між собою силами Ван дер Ваальса. Якщо одношарові ВНТ практично завжди
закриті кришками, то багатошарові ВНТ бувають і відкритими. На них спостерігається
зазвичай набагато більше дрібних дефектів структури, ніж на одношарових ВНТ. Тому для
застосувань в електроніці перевагу віддають останнім.
6 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1
ВНТ бувають не лише прямолінійними, а й криволінійними, зігнутими з утворен-
ням «коліна», і навіть повністю згорнутими у вигляді тора. Нерідко кілька ВНТ міцно
з’єднані між собою і утворюють розгалуження та «джгути».
ВНТ виявились напрочуд міцними, у 100 разів міцнішими за сталь. При пружних
деформаціях вони допускають відносне видовження аж до 14–16%. Модуль Юнга вздовж
осі деяких ВНТ перевищує 5 ТПа. Для порівняння: у найбільш пружного з усіх металів –
ітрію – модуль Юнга становить 520 ГПа.
Рис. 4. Теоретична схема формування бічної поверхні одношарової ВНТ та приклади
різновидностей ВНТ
Дуже міцними є ВНТ також і на згин та на скручування. Під дією критичних меха-
нічних напруг ВНТ поводяться особливо. Замість того, щоб рватися чи ламатися, вуглеце-
ва нанотрубка починає «на ходу» перебудовувати свої молекулярні орбіталі, пристосовую-
чись до нової форми (більш видовженої, стиснутої або зігнутої). Після зняття зовнішнього
зусилля деформована таким чином ВНТ у багатьох випадках повертається у початковий
стан. Ці властивості роблять ВНТ перспективними для використання в нових композицій-
них матеріалах там, де потрібні легкість і конструкційна міцність, стійкість до підвищених
механічних навантажень.
Дуже цікаві властивості внутрішніх шарів багатошарових ВНТ. Зв’язані лише слаб-
кими силами Ван дер Ваальса, внутрішні нанотрубки, як з’ясувалось, можуть легко руха-
тись одна відносно однієї. Етапи експерименту, який продемонстрував ці властивості, по-
a
�
«Зигзаг»
ans
�� =
«Сідлова»
структура
�
�� +=
Напрямок
згортання
�
�� +=
b
�
«Зигзаг»
ans
�� =
Напрямок
згортання
bas
�
��
107 +=
«Сідлова»
структура
bnans
�
�� +=
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1 7
Опора Багатошарова ВНТ
Внутрішні ВНТ
Маніпулятор
Рис. 5. Формування телескопічної ВНТ
казані на рис. 5. Багатошарова ВНТ одним кінцем закріплюється в механічній опорі (рис. 5
а). На протилежному кінці ВНТ хімічним методом знімають 1–3 шари її «шапки», так, щоб
можна було приєднатись до внутрішніх нанотрубок (рис. 5 б). До звільненого кінця внут-
рішніх нанотрубок підводять маніпулятор. Якщо подати на нього додатну напругу, то
внутрішні нанотрубки притягуються до маніпулятора (рис. 5 в). Якщо маніпулятор рухати
вздовж осі ВНТ, то і внутрішні нанотрубки рухаються за ним (рис. 5 г). Їх можна витягува-
ти із зовнішньої оболонки, як внутрішні трубки телескопічної антени.
Прецизійні вимірювання показа-
ли, що коефіцієнт тертя становить 10–5 ,
це набагато менше, ніж у найкращих
макроскопічних конструкціях. Якщо з
маніпулятора зняти електричну напругу
і забрати його в сторону, то під дією ка-
пілярних сил внутрішні нанотрубки втя-
гуються у свою оболонку до початкового
стану (рис. 5 д). Це свідчить про те, що
при витягуванні внутрішніх нанотрубок
в оболонці утворюється вакуум.
Дуже мала сила внутрішнього те-
ртя спонукала спробувати обертати тро-
хи витягнуту внутрішню нанотрубку
відносно зовнішньої. Виявилось, що во-
ни можуть легко, з мінімальним тертям, взаємно обертатися. Тобто вони утворюють дуже
ефективний «нанопідшипник», який може працювати і при високих температурах. Це –
готовий механічний вузол для майбутніх наноінструментів (нанодрилі, рухомі нанокарет-
ки, наноманіпулятори, телескопічні наноконструкції тощо).
Як і у випадку фулеренів, у внутрішню порожнину ВНТ можна ввести інші атоми та
молекули. Капсуловані в середині ВНТ речовини надійно захищаються вуглецевою оболо-
нкою від впливів зовнішнього середовища. В експериментах, наприклад, дуже гігроскопі-
чні карбіди, капсуловані в середині ВНТ, залишались стабільними після річного витриму-
вання у вологому повітрі. Феромагнітні матеріали (залізо, кобальт, нікель тощо) при кап-
сулюванні зберігають свої феромагнітні властивості.
Цікаво, що в порожнину ВНТ можна капсулювати також і фулерени. ВНТ нагадує
тоді стручок гороху, заповнений горошинами.
Зараз інтенсивно ведуться дослідження також з хімічної модифікації ВНТ [13, 14],
коли деякі атоми карбону замінюють у складі молекули атомами бору чи нітрогену або до
атомів вуглецю зовні хімічними методами приєднують атоми інших елементів, а до них –
атомні чи навіть великі молекулярні групи з відповідними властивостями. Таку модифіка-
цію називають «спеціалізацією» або «функціоналізацією» ВНТ. «Спеціалізовані» або «фу-
нкціоналізовані» ВНТ стають придатними для ефективного виконання тих чи інших біоло-
гічних, електронних, медичних, сенсорних, оптоелектронних чи енергетичних функцій.
ВНТ та фулерени стали основою для багатьох нових перспективних напрямків в ма-
теріалознавстві, нанотехнологіях, прикладній хімії, медицині тощо.
3. Графен та його фізичні властивості
Ще однією цікавою, раніше невідомою, формою існування вуглецю виявився графен (англ.
graphene) – плівка з атомів карбону, яку можна розглядати як один відокремлений шар
графіту (рис. 6) [15–20]. У 2004 р. плівку графену вдалося не лише відділити, але й експе-
риментально дослідити її властивості, що відзначено Нобелівською премією за 2010 р. При
малюванні звичайним графітовим олівцем такі плівки нерідко зустрічаються у відокремле-
8 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1
Одноатомний шар – плівка графену
Рис. 6. Ліворуч – структурна модель плівки графену. Праворуч
– мікрофотографія ділянки сліду від графітового олівця на
окисленій пластині кремнію при збільшенні 2000х
kX
kY
E
Зона провідності
Валентна зона
Перша зона
Брілюена
Рис. 7. Структура дозволених енергетичних
зон графену
них від графіту лусочках. Вони настільки дрібні, тонкі й прозорі, що їх дуже важко поба-
чити. Лише за допомогою віртуозних інтерференційних методик їх зуміли спостерігати
[19, 20]. На рис. 6 праворуч показана мікрофотографія однієї з ділянок сліду від графітово-
го олівця, залишеного на пластині кремнію з окислом товщиною 300 нм. На ній можна
побачити відокремлені від графіту лусочки різної товщини, найтонша з яких – одноатом-
ний шар графіту. Це і є плівка графену.
Структурна модель графену показана на рис. 6 ліворуч [21, 22]. Атоми карбону зо-
бражені у вигляді кульок, вишикуваних у правильну двовимірну гексагональну решітку.
Відстань між центрами сусідніх атомів карбону становить 0,142 нм. Тонкі «покривала» з
плазми π–електронів, наче шар туману над водою, знаходяться з обох сторін плівки. І ці π–
електрони (по одному від кожного атома) належать не окремим атомам чи парам атомів
карбону, а «розпливаються» по усій плівці, «усуспільнюються», утворюючи легку елект-
ронну плазму. Квантово-механічний розрахунок [23–25] показав, що у графені, як і у гра-
фіті, в енергетичному спектрі π -електронів немає забороненої зони енергій, як у напівпро-
відниках чи ізоляторах.
Валентна зона і зона
провідності у графені доти-
каються. Тому графен, як і
графіт, є напівметалом.
Залежність дозволених зна-
чень енергії π -електронів у
графені від величини та на-
прямку їх хвильового векто-
ра ),( YX kkk =
�
показана на
рис. 7.
Вздовж вертикалі тут
відкладена енергія, вздовж
осей абсцис та ординат –
відповідні проекції хвильо-
вого вектора електрона
),( YX kk . Правильний шести-
кутник, що обмежує першу зону Брілюе-
на, виділено жирними чорними відрізка-
ми. Він розташований відносно осі аплі-
кат на рівні енергії Фермі.
Поверхні, які описують структуру
валентної зони та зони провідності, до-
тикаються у вершинах шестикутника. Ці
точки називають «точками Дірака». При
температурах, близьких до абсолютного
нуля, валентна зона повністю заповнена
електронами, а зона провідності пуста.
При підвищених температурах, згідно з
розподілом Фермі-Дірака, деяка частина
електронів переходить у зону провіднос-
ті, а у валентній зоні залишаються «дір-
ки». Це й зумовлює досить високу елек-
тропровідність графену при кімнатних температурах. Концентрація носіїв заряду в точках
Дірака при таких температурах становить приблизно 5*1016 м–2.
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1 9
Дуже цікавою особливістю графену є те, що навколо точок дотику енергетичних
зон дисперсійне відношення (тобто залежність між енергією та хвильовим вектором елект-
рона) є лінійним:
akEkE F +=)( . (1)
Це означає, що поблизу точок дотику зон як електрони провідності, так і дірки в
графені мають нульову ефективну масу. Тобто вони, як і фотони, не можуть бути нерухо-
мими в жодній системі координат, а можуть існувати, лише рухаючись. Роль швидкості
світла тут грає так звана «швидкість Фермі», яка у графені становить приблизно 106 м/с і є
вже релятивістською. Цим зумовлені дуже висока рухливість носіїв електричного заряду у
графені, яка мінімум на 2 порядки перевищує їх рухливість у кремнії, і «балістичний» ха-
рактер їх руху вздовж плівки. Довжина вільного пробігу електронів провідності та дірок у
графені при кімнатних температурах перевищує 1 мкм. Проте не треба забувати, що як
«дірки», так і «електрони провідності» є в даному випадку «квазічастинками», лише зруч-
ними моделями. А насправді мова йде тут про колективний рух електронної плазми.
Завдяки вдалій «конструкції», плівки графену напрочуд міцні та пружні [26]. Мо-
дуль Юнга у них – порядку 1 ТПа, границя міцності – 130 ГПа [27]. Незважаючи на свою
малу товщину (< 0,5 нм), вони настільки щільні, що не пропускають крізь себе навіть ато-
ми гелію, які здатні проникати, наприклад, крізь фольгу з металу. Про легкість плівок гра-
фену дає уяву те, що лише один грам графену, будучи цілісною плівкою, накрив би площу
2600 м2 – ціле футбольне поле [28, 29].
Графен має дуже високу теплопровідність – порядку 5×103 Вт·м−1·К−1 [30], що в по-
єднанні з високою електропровідністю зумовлює можливість проходження в ньому елект-
ричного струму в мільйон разів більшого, ніж максимально можливий струм у плівках мі-
ді. Графен майже не поглинає видиме світло, коефіцієнт його пропускання перевищує 97%
[31, 32]. Комплексний показник заломлення графену для видимої частини спектра стано-
вить приблизно n =2,0 – 1,1і.
Властивості графену, особливо електричні, можуть суттєво змінитися при хімічній
модифікації графену [33]. Наприклад, при обробці плівки графену в холодній плазмі вод-
ню до атомів карбону приєднуються атоми гідрогену. Структура плівки значно змінюєть-
ся, як показано на рис. 8 [34].
Рис. 8. Ліворуч – структурна модель графану (білі кульки – атоми гідрогену). Порівняння
структури плівки графену (в центрі) зі структурою плівки графану (праворуч). В обох випадках
показане лише одне 6-членне кільце з атомів карбону
Атоми гідрогену
Атоми карбону
10 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1
Атоми карбону вже не розташовуються в одній площині. Зникає «покривало» з π–
електронів, бо ці електрони утворюють ковалентні зв’язки з атомами гідрогену. Плівка
стає товщою, а головне, радикально змінюється енергетичний спектр електронів. Утворена
в результаті гідрування плівка, яку називають «графаном», є вже діелектриком. Під час
обробки плазмою водню частину плівки графену можна захистити резистом, і тоді гідру-
вання графену буде відбуватись відповідно до наперед заданої топології. Тобто не захище-
на частина плівки перетворюється на діелектрик графан, а захищена залишається графеном
з високою електропровідністю. Цікаво, що при відпалюванні плівок графану в атмосфері
аргону при 425 С атоми гідрогену відщеплюються, й таким чином можна знову отримати
графен.
Більш стійким до нагрівання і хімічно стійким є фторграфен (флуорографен) – плів-
ка графену після приєднання атомів фтору (флуору) [35]. Він є напівізолятором з шириною
забороненої зони близько 3 еВ та питомим опором порядку 1012 Ом на квадрат. Як і гідру-
вання, фторування графену може бути проведене крізь маску з резиста відповідно до напе-
ред заданої топології.
У деяких публікаціях графеном (двох-, трьох-, багатошаровим) називають також
плівки, які складаються з двох, трьох або й більше шарів. Строго кажучи, це вже не гра-
фен. Для позначення таких плівок точніше вживати термін «нанографіт».
4. Провідники, міжз’єднання інтегральних схем і резистори на основі графену, ВНТ
та фулеренів
Як випливає з вищесказаного, на плівці графену, нанесеній на ізолюючу підкладку (напри-
клад, з окисленого кремнію), за допомогою нанолітографії та фторування (чи гідрування)
можна реалізувати високоякісний шар міжз’єднань великої інтегральної схеми [36]. Навіть
при нанометровій ширині доріжки з графену мають досить високу електропровідність і
можуть проводити електричний струм, набагато більший, ніж таких же розмірів доріжки з
плівок міді чи золота.
Ефективними провідниками в інтегральних схемах можуть бути і ВНТ. Вони теж
добре контактують із золотом, паладієм, платиною, титаном. У стані металевої провідності
вони можуть пропускати електричний струм густиною до 109 А/см2, у той час, як мідна
дротина руйнується вже при густині струму 106 А/см2. Причиною такої переваги є дуже
мала концентрація дефектів у ВНТ, що значно зменшує розсіювання електронів і теплови-
ділення при проходженні електричного струму, а також рекордно висока теплопровідність
ВНТ (набагато вища за теплопровідність міді та кремнію) й висока тепловіддача. Показано
[37, 38], що у багатошарових ВНТ діаметром менше 5–25 нм і довжиною понад 10 мкм
електропровідність навіть при кімнатній температурі не залежить від довжини нанотрубки
та від її діаметра і дорівнює «кванту електропровідності»
h
e22=σ =(12,9 кОм)–1. Електрони
рухаються крізь такі ВНТ практично без розсіювань, тобто має місце «балістичний» пере-
нос зарядів.
Напівпровідникові ВНТ, діапазон питомого електричного опору яких перекриває
дуже широкий діапазон, можуть бути використані як резистори нанометрових розмірів з
досить гарними можливостями розсіювання тепла.
Вже розроблені деякі методи формування потрібної топології розміщення ВНТ на
поверхні вкритих окислом пластин кремнію, сумісні зі стандартною технологією мікрое-
лектроніки. Щільність прокладання міжз’єднань інтегральної схеми такими методами ви-
значається лише можливостями нанолітографії, яка на сьогоднішній день забезпечує прое-
ктні норми, вже менші за 30 нм.
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1 11
Вертикально вирощені вуглецеві нанотрубки (є й такі технології вирощування) до-
зволяють формувати надійні переходи з одних шарів (рівнів) інтегральної схеми в інші,
розширюючи можливості об’ємного монтажу.
Для міжз’єднань між декількома шарами металізації (або «графенізації») в багато-
шарових інтегральних схемах можна використати також полімерні молекули, здатні про-
водити електричний струм. Для ефективного вирішення проблеми електричного контакту
таких молекул з металом використовують фулерени. Це схематично показано на рис. 9
ліворуч.
Рис. 9. Ліворуч – схема приєднання електропровідної молекули до золотих контактів через фулере-
ни; праворуч – структурна формула однієї з таких електропровідних молекул
«С60 –поліфенілен – С60»
Праворуч показано випадок, коли роль електропровідної полімерної молекули віді-
грає поліфенілен. Виявилось, що молекули фулерена утворюють міцний ковалентний зв'я-
зок з поверхнею золота, платини, титану. При цьому π-електрони фулерена безпосередньо
взаємодіють як з електронною плазмою металу, так і з π-електронами поліфенілену. Утво-
рюється суцільний канал провідності без тунельних переходів. Таким чином в інтеграль-
них схемах можна прокладати ефективні електричні міжз’єднання нанометрової і навіть
субнанометрової ширини.
5. Висновки
1. Вуглець (карбон) є більш розповсюдженим на Землі та на інших планетах хімічним еле-
ментом, ніж кремній. Тому й вироби з нього можуть бути дешевшими. За останні десяти-
ліття відкриті та вивчені такі невідомі раніше форми існування вуглецю, як фулерени, вуг-
лецеві нанотрубки (ВНТ) та графен. Міцна, стійка, вишукана молекула фулерена C60, як і
бензольне кільце, може бути конструктивною основою та «будівельним блоком» для бага-
тьох інших, не знаних раніше, молекул. Вуглецеві нанотрубки (ВНТ) теж є великими мо-
лекулами, побудованими з атомів карбону.
2. Набір можливих діаметрів ВНТ перекриває діапазон від дещо менше 1 нм до багатьох
десятків нанометрів. А довжина ВНТ сягає десятків мікрометрів, у рекордних – навіть 1
мм. В залежності від напрямку згортання («хіральності») ВНТ можуть бути як провідни-
ками, так і напівпровідниками. Відмінні механічні властивості роблять ВНТ перспектив-
ними для використання в нових композиційних матеріалах там, де потрібні легкість і конс-
трукційна міцність, стійкість до підвищених механічних навантажень. Можна вирощувати
не лише одношарові, але й багатошарові ВНТ. Їх внутрішні нанотрубки, зв’язані лише сла-
бкими силами Ван дер Ваальса, можуть легко рухатись одна відносно іншої. Вони утво-
рюють дуже ефективний «нанопідшипник», який може працювати і при високих темпера-
турах. Це – готовий механічний вузол для майбутніх наноінструментів (нанодрилі, рухомі
нанокаретки, наноманіпулятори, телескопічні наноконструкції тощо).
В середину фулеренів і ВНТ можуть бути «капсуловані» інші атоми, завдяки яким
можна цілеспрямовано змінювати фізичні властивості вказаних молекул. ВНТ та фулерени
стали основою для багатьох нових перспективних напрямів у матеріалознавстві, нанотех-
нологіях, прикладній хімії, медицині тощо.
12 ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1
3. Графен – це двовимірний кристал, плівка товщиною в один атом, яку можна розглядати
також як один відокремлений шар графіту. Завдяки вдалій «конструкції», плівки графену
напрочуд міцні та пружні, мають дуже високі електропровідність і теплопровідність, що
зумовлює можливість проходження в них електричного струму в мільйон разів більшого,
ніж максимально можливий у плівках міді. Графен має також й інші, цінні для наноелект-
роніки властивості.
4. На плівці графену, нанесеній на ізолюючу підкладку за допомогою нанолітографії та
фторування (чи гідрування), можна реалізувати високоякісний шар міжз’єднань великої
інтегральної схеми. Ефективними провідниками в інтегральних схемах можуть бути і ВНТ.
Вони добре контактують із золотом, паладієм, платиною, титаном і можуть пропускати
електричний струм густиною до 109 А/см2. Вертикально розміщені ВНТ можна використо-
вувати в багатошарових інтегральних схемах для міжз’єднань між декількома рівнями ко-
мутації. З цією ж метою можна використати також полімерні молекули, здатні проводити
електричний струм. Для забезпечення низькоомного електричного контакту таких молекул
з металом використовують фулерени.
5. Напівпровідникові ВНТ, діапазон питомого електричного опору яких перекриває дуже
широкий діапазон, можуть бути використані як резистори нанометрових розмірів з досить
гарними можливостями розсіювання тепла.
СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ
1. Фуллерены: синтез и теория образования / Г.Н. Чурилов, Н.В. Булина, А.С. Федоров; отв. ред.
В.Ф. Шабанов. – Новосибирск: СО РАН, 2007. – 229 с.
2. Хаматгалимов А.Р. Эндоэдральные высшие металлофуллерены: структура и свойства / А.Р. Ха-
матгалимов, В.И. Коваленко // Российский химический журнал. – 2004. – Т. 48, N 5. – С. 28 – 36.
3. Кочканян Р.О. Синтез и строение сверхструктурных координационных комплексов фуллерена
С60 с атомами железа и никеля / Р.О. Кочканян, М.М. Нечитайлов, А.Н. Заритовский // Электрон-
ный научный журнал «Молекулярные технологии». – 2010. – Т. 4, Вып. 4.1. – С. 44 – 69.
4. Эндоэдральные металлофулерены: синтез, выделение, реакционная способность, возможные
применения [Электронный ресурс] / В.П. Бубнов, И.Е. Кареев, А.И. Котов [и др.]. – Режим доступа:
http://ichms.com.ua/Library/ICHMS09/down/432-433.pdf.
5. 89Y and 13C NMR Cluster and Carbon Cage Studies of an Yttrium Metallofullerene Family,
Y3N@C2n (n=40-43) / F. Wujun, X. Liaosa, A. Hugo [et al.] // Journal of the American Chemical Socie-
ty. – 2009. – Vol. 31 (33). – P. 11762 – 11769.
6. Facile Preparation of a New Gadofullerene-Based Magnetic Resonance Imaging Contrast Agent with
High 1H Relaxivity / C. Shu, F.D. Corwin, J. Zhang [et al.] // Bioconjugate Chemistry. – 2009. – Vol. 20
(6). – P. 1186 – 1193.
7. Dorn H.C. Endofullerenes: New NanoProbes for Diagnostic and Therapeutic Medical Applications /
H.C. Dorn // 34th NAFF Symposium on Chemistry and Molecular Biology. – Louisville: University of
Kentucky, KY. – 2008.
8. Dorn H.C. Dynamics of Carbon Clusters Inside Fullerene Cages / H.C. Dorn // The 37th Fullerene-
Nanotubes General Symposium, Tsukuba International Conference Center. – Tsukuba, Japan. – 2009.
9. Дьячков П.М. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применения / Дьячков П.М. – М.:
Бином. – 2006. – 293 с.
10. Пул Ч. Нанотехнологии / Ч. Пул, Ф. Оуэне. – Москва: Техносфера. – 2009. – 336 с.
11. Castro Neto A.H. The carbon new age / A.H. Castro Neto // Materials Today. – 2010. – Vol. 13 (3). –
P. 1.
12. Saito R. Physical Properties of Carbon Nanotubes / R. Saito, G. Dresselhaus, M.S. Dresselhaus /
World Scientific. – 1998. – 272 p.
13. Хабашеску В.Н. Ковалентная функционализация углеродных нанотрубок: синтез, свойства и
применение фторированных производных / В.Н. Хабашеску // Успехи химии. – 2011. – Т. 80 (8). –
С. 739 – 760.
ISSN 1028-9763. Математичні машини і системи, 2013, № 1 13
14. Синтез и функционализация углеродных нанотрубок, применение в электрохимии и полевой
эмиссии [Электронный ресурс] / А.В. Окотруб, Л.Г. Булушева, А.Г. Кудашов [и др.]. – Режим дос-
тупа: http://www.edu-cons.net/atlas_last/doc/321/1%2821%29.pdf.
15. Графен: методы получения и теплофизические свойства / А.В. Елецкий, И.М. Искандарова,
А.А. Книжник [и др.] // Успехи физических наук. – 2011. – Т. 181, № 3. – С. 233 – 268.
16. The electronic properties of grapheme / A.H. Castro Neto, F. Guinea, N.M.R. Peres [et al.] // Rev.
Mod. Phys. – 2009. – Vol. 81. – Р. 109 – 112.
17. Graphene and Graphene Oxide: Synthesis, Properties, and Applications / Y. Zhu, S. Murali, W. Cai [et
al.] // Advanced Materials. – 2010. – Vol. 22. – P. 3906 – 3924.
18. Philip Wong H.-S. Carbon Nanotube and Graphene Device Physics / H.-S. Philip Wong,
D. Akinwande. – Cambridge: University Press, 2011. – 264 p.
19. Pati S.K. Graphene and its fascinating attributes / Pati S.K., Enoki T., Rao C.N.R. – World Scientific
Pub. Co. Inc., 2011. – 287 p.
20. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films / K.S. Novoselov, A.K. Geim, S.V. Morozov
[et al.] // Science. – 2004. – Vol. 306. – Р. 666 – 671.
21. Two-dimensional atomic crystals / K.S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin [et al.] // Proc. Natl. Acad.
Sci. – 2005. – Vol. 102. – Р. 1045.
22. Wallace P.R. The Band Theory of Graphite / P.R. Wallace // Phys. Rev. – 1947. – Vol. 71. – Р. 622 –
625.
23. Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene / K.S. Novoselov, A.K. Geim,
S.V. Morozov [et al.] // Nature. – 2005. – Vol. 438. – P. 197 – 200.
24. Kopelevich Y. Graphene physics in graphite / Y. Kopelevich, P. Esquinazi // Adv. Mater. – 2007. –
Vol. 19. – P. 4559 – 4563.
25. Лозовик Ю.Е. Коллективные электронные явления в графене / Ю.Е. Лозовик, С.П. Меркулова,
А.А. Соколик // УФН. – 2008. – Т. 178. – С. 757 – 776.
26. Castro-Neto A. H. The carbon new age / A.H. Castro-Neto // Materials Today. – 2010. – Vol. 13, N 3.
– Р. 12 – 17.
27. Measurement of the elastic properties and intrinsic strength of monolayer grapheme / C. Lee,
X.D. Wei, J.W. Kysar [et al.] // Science. – 2008. – Vol. 321. – P. 385 – 388.
28. Ultrahigh electron mobility in suspended graphene / K.I. Bolotin, K.J. Sikes, Z. Jiang [et al.] // Solid
State Commun. – 2008. – Vol. 146. – P. 351 – 355.
29. Molecular doping of graphene / S.V. Morozov, K.S. Novoselov, M.I. Katsnelson [et al.] // Phys. Rev.
Lett. – 2008. – Vol. 100. – Р. 01660.
30. Superior thermal conductivity of single-layer grapheme / A.A. Balandin, S. Ghosh, W.Z. Bao [et al.] //
Nano Lett. – 2008. – Vol. 8. – P. 902 – 907.
31. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene / R.R. Nair, P. Blake, A.N. Grigo-
renko [et al.] // Science. – 2008. – Vol. 320. – Р. 1308 – 1312.
32. Gusynin V.P. Unusual Microwave Response of Dirac Quasiparticles in Graphene / V.P. Gusynin,
S.G. Sharapov, J.P. Carbotte // Phys. Rev. Lett. – 2006. – Vol. 96. – Р. 25680.
33. Control of Graphene's Properties by Reversible Hydrogenation: Evidence for Graphane / D.C. Elias,
R.R. Nair, T.M.G. Mohiuddin [et al.] // Science. – 2009. – Vol. 323, N 5914. – P. 610 – 613.
34. Sofo J.O. Graphane: A two-dimensional hydrocarbon / J.O. Sofo, A.S. Chaudhari, G.D. Barber //
Phys. Rev. – 2007. – Vol. B 75. – Р. 15340.
35. Fluorographene: mechanically strong and thermally stable two-dimensional wide-gap semiconductor /
R.R. Nair, W.C. Ren, R. Jali [et al.] // arXiv: 1006.3016 (15 June 2010).
36. Pinning of a two-dimensional membrane on top of a patterned substrate: the case of graphene /
S.V. Kusminskiy, D.K. Campbell, A.H. Castro-Neto [et al.] // Physical Review B. – 2011. – Vol. 83, N 16.
– Р. 165405.
37. Measurement of scattering rate and minimum conductivity in grapheme / Y.-W. Tan, Y. Zhang,
K. Bolotin [et al.] // Phys. Rev. Lett. – 2007. – Vol. 99. – Р. 24680.
38. Unified description of the dc conductivity of monolayer and bilayer graphene at finite densities based
on resonant scatterers / A. Ferreira, J. Viana-Gomes, J. Nilsson [et al.] // Physical Review B. – 2011. –
Vol. 83, N 16. – P. 974 – 981.
Стаття надійшла до редакції 29.10.2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-83793 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 1028-9763 |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2025-12-01T07:08:16Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут проблем математичних машин і систем НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Войтович, І.Д. Корсунський, В.М. Лаврик, Ф.Т. 2015-06-24T06:34:45Z 2015-06-24T06:34:45Z 2013 Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 / І.Д. Войтович, В.М. Корсунський, Ф.Т. Лаврик // Мат. машини і системи. — 2013. — № 1. — С. 3-13. — Бібліогр.: 38 назв. — укр. 1028-9763 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/83793 004.3 Стаття знайомить читачів з новітньою елементною базою, яка може прийти на зміну кремнієвій елементній базі. Стисло описані властивості фулеренів, вуглецевих нанотрубок (ВНТ) і плівок графену та вже реалізовані на їх основі транзистори, логічні елементи, резистори, міжз'єднання, комірки пам'яті, надчутливі сенсори та пристрої відображення інформації. Вказано на їх переваги і перспективи впровадження вже у найближчі десятиліття. Статья знакомит читателей с новейшей элементной базой, которая может сменить кремниевую элементную базу информатики. Кратко описаны свойства фуллеренов, углеродных нанотрубок и пленок графена, а также реализованные на их основе транзисторы, логические цепи, резисторы, межсоединения, ячейки памяти, сверхчувствительные сенсоры и устройства воспроизведения информации. Указаны их преимущества и перспективы внедрения уже в ближайшие десятилетия. This paper introduces readers with up to date element base which can replace silicon element base of informatics. The properties of fullerenes, carbon nanotubes (CNT), graphene films were briefly described as well as transistors, logic circuits, resistors, interconnections, memory cells, ultra-sensitive sensors and display devices were realized on their base. The advantages and prospects of implementation of such elements in the nearest decades were pointed out. uk Інститут проблем математичних машин і систем НАН України Математичні машини і системи Обчислювальні системи Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 Углеродная наноэлектронная элементная база информатики. Ч. 1 Carbon nanoelectronic element base of informatics. P. 1 Article published earlier |
| spellingShingle | Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 Войтович, І.Д. Корсунський, В.М. Лаврик, Ф.Т. Обчислювальні системи |
| title | Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 |
| title_alt | Углеродная наноэлектронная элементная база информатики. Ч. 1 Carbon nanoelectronic element base of informatics. P. 1 |
| title_full | Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 |
| title_fullStr | Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 |
| title_full_unstemmed | Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 |
| title_short | Вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. Ч. 1 |
| title_sort | вуглецева наноелектронна елементна база інформатики. ч. 1 |
| topic | Обчислювальні системи |
| topic_facet | Обчислювальні системи |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/83793 |
| work_keys_str_mv | AT voitovičíd vuglecevananoelektronnaelementnabazaínformatikič1 AT korsunsʹkiivm vuglecevananoelektronnaelementnabazaínformatikič1 AT lavrikft vuglecevananoelektronnaelementnabazaínformatikič1 AT voitovičíd uglerodnaânanoélektronnaâélementnaâbazainformatikič1 AT korsunsʹkiivm uglerodnaânanoélektronnaâélementnaâbazainformatikič1 AT lavrikft uglerodnaânanoélektronnaâélementnaâbazainformatikič1 AT voitovičíd carbonnanoelectronicelementbaseofinformaticsp1 AT korsunsʹkiivm carbonnanoelectronicelementbaseofinformaticsp1 AT lavrikft carbonnanoelectronicelementbaseofinformaticsp1 |