Углеродные нанотрубки

К одной из перспективных технологий можно отнести использование в производстве транзисторов карбоновых (углеродных) нанотрубок (Carbon Nanotube).

Углеродные нанотрубки, называемые фуллеренами или углеродными каркасными структурами, - это большие молекулы, состоящие только из атомов углерода.

В конце 80-х - начале 90-х годов фуллерены научились получать в макроскопических количествах, а в 1991 году неожиданно были открыты новые фуллерены, напоминающие длинные цилиндрические каркасные формы, - их назвали нанотрубками.

В поперечном сечении их размер обычно составляет несколько нанометров, в то время как по длине они могут достигать гигантских размеров - вплоть до миллиметра.

Визуально структуру таких нанотрубок можно представить как графитовую плоскость (то есть плоскость, в которой атомы углерода упакованы по типу графита), из которой вырезана длинная полоска, свернутая в цилиндр.

Этот цилиндр - карбоновая нанотрубка.

Рис. 12.3 Форма нанотрубки

Степень скрученности нанотрубки, которая оказывает значительное влияние на ее электрические свойства, определяет ее зонную структуру и взаимное расположение валентной зоны и зоны проводимости на энергетической диаграмме.

При определенной скрученности нанотрубка будет обладать электронной проводимостью по типу металлов.

В других случаях нанотрубки являются полупроводниками, и между зоной проводимости и валентной зоной существует запрещенная зона с шириной от нескольких десятых до единиц электрон-вольт (эВ).

Причем, чем меньше диаметр нанотрубки, тем больше ширина запрещенной зоны.

Одно из применений нанотрубок - создание полевых транзисторов, в которых роль канала проводимости выполняет именно нанотрубка.

Рис. 12.4 Структура полевого транзистора на основе нанотрубки

Принцип действия полевого транзистора на основе нанотрубки подобен принципу действия традиционного транзистора, но каналом переноса заряда в данном случае является сама нанотрубка.

В простейшем случае транзистор с нанотрубкой выглядит так, как показано на

рис. 12.4.

На подложку из кремния, которая сама является управляющим электродом (затвором), наносится тончайшая пленка защитного слоя - оксида кремния.

На этой пленке расположены сток и исток в виде тонких проводящих рельсов, между которыми располагается сама нанотрубка с полупроводниковой проводимостью.

В обычном состоянии концентрация свободных носителей зарядов (дырок и электронов) в нанотрубке мала, то есть она является диэлектриком с запрещенной зоной шириной в несколько электрон-вольт.

При помещении нанотрубки в электрическое поле ширина запрещенной зоны меняется и концентрация свободных носителей зарядов увеличивается - нанокарбоновая трубка становится проводником.

Электрическое поле, управляющее проводимостью нанокарбоновой трубки, создается затвором (кремниевая подложка).

При потенциале затвора порядка нескольких вольт концентрация свободных носителей заряда в валентной зоне достигает максимума и нанотрубка становится хорошим проводником.

Меняя напряжение на затворе, можно управлять проводимостью нанотрубки т.е. открывать или запирать транзистор.

Первой компанией, изготовившей в 2001 году транзистор на нанотрубках, стала IBM. С тех пор было разработано множество альтернативных схем транзисторов с нанотрубками.

В Samsung была создана схема транзистора с вертикальным расположением нанотрубок.

Другое применение нанотрубок — это создание энергонезависимой оперативной памяти NRAM (Nonvolatile Random Access Memory) компании Nantero.

Плотность записи информации в устройствах NRAM может достигать 5 млрд бит на квадратный сантиметр, а частота работы памяти — до 2 ГГц.

Nantero выпустила модуль NRAM-памяти емкостью 10 Гбит. Массовое производство модулей NRAM-памяти, вероятно, начнется через год-два.

Дата добавления: 2015-07-25