МАТЕРИАЛЫ НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
УДК 54-145.83; 62-404.2; 62-404.8
ФОРМИРОВАНИЕ АРХИТЕКТУРЫ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПОЛИМЕРНЫХ СРЕД С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ © 2014 г. В. Я. Подвигалкин
Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова Российской АН
E-mail: nmu@bk.ru, podvigalkin@ya.ru Поступила в редакцию 30.10.2012 г.
Рассматривается процесс формирования новейших структур сред на уровне наноразмеров от диссо-тиативной рекомбинации наночастицы с молекулярной ионной ламелью до упорядоченной ее стабилизации в матричной среде полимера. Формирование упорядоченной среды толстой пленки совершается при электронно-топологических фазовых переходах, в условиях синхронного воздействия давления 1.32 х 10-5 < Р < 2.25 х 10-5 и теплового поля от 205 до 220°C. Весь процесс совершается в области порога сверхпластичности.
DOI: 10.7868/S0544126914040097
ВВЕДЕНИЕ
В первые годы XXI века появились разработки электронных систем и их элементной базы на новых наработанных методиках, соответствующих современным взглядам на работу электронных систем и использующих новые материалы и оборудование [1].
Миниатюризация радиоаппаратуры и ее применением до сих пор актуальны. Одним из основных путей решения этой проблемы является получение материалов толстых пленок с упорядо-„ *
ченной архитектурой квантовых точек .
Решение рассматриваемой проблемы заключается в структуризации нанокомпозиционной среды за счет внешних физических факторов воздействующих на формирование архитектуры среды на основе полимеров, модифицированных различными наночастицами, размерами до 30 нм, представляющими собой квантовые точки.
Под физическими факторами (эффектами) понимается энергия возбуждения композиционной системы и механизмом давления, когда следует за этим "мягкий" эффект фазового перехода электронов за границу сферы Ферми и эффект стабилизации релаксации наночастиц (квантовых точек), например в полиэтиленовой матрице [2].
"Главным для квантования является правильность, периодичность расположения атомов (в нашем случае наночастиц, имеющих до 103 штук на см2), их порядок" [3].
* Квантовые точки из наночастиц (размерами до 30 нм) в получаемой толстой пленке, представляющей собой нано-мерную среду, ответственны, например, за проводимость, полупроводимость и т.д., с целью использования в элементной базе электроники и оптоэлектронике.
Цель настоящей работы — создание метода стабилизации квантовых точек архитектурно упорядоченных в наноразмерной полимерной композиционной среде.
ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ
Рассмотрим процесс рекомбинации наноча-стицы в квантовую точку матрицы полимера с помощью рис. 1.
Специфика системы (рис. 1) определяется характером пересечения термов ламели матрицы полимера, например полиэтилена высокого давления, и Т-наночастицы.
Ламель представляет собой дно потенциальной ямы, которое находится ниже точки пересечения, указанных на рис. 1 термов. Поэтому диссоциативная рекомбинация медленной наночастицы с молекулярной ионной ламелью возможна лишь в случае, если ламель находится в колебательно-возбужденном состоянии.
Распределение наночастиц в матрице полимерного порошка предрасположено к упорядочиванию. Поэтому рекомбинация наночастицы и ламели — процесс, ответственный за исчезновение появившихся заряженных частиц в процессе формирования композиций новейших структур на уровне наноразмеров, Такой процесс определяет баланс заряженных частиц в явлениях, протекающих в возбужденной среде. Основной механизм рекомбинации иллюстрирует рис. 1, где представлены термы системы в начальном (А + В) и конечном состоянии (В + А).
Наночастица захватывается в автоионизационное состояние в ламели полимера. Последующее размещение наночастиц приводит к стабили-
275
3*
с«'
Р?
¡5
А + В
В + А
иг
с
Межточечное расстояние Я, а.и.
Рис. 1. Процесс рекомбинации наночастицы в квантовую точку: Р — давление; N — нормальная реакция опоры С; у — квантовая точка, (А + В) — начальная терма, (В + А) — конечное состояние среды.
структуры среды нанокомпозицыонных материалов для радиоэлектроники и оптоэлектроники [4].
Было обращено внимание на явление электронно-топологических фазовых переходов металлов [5].
Сущность обнаруженных авторами (Лиф-шиц И.М., Брандт Н.Б., Пономарев Я.Г. и др.) фазовых переходов заключается в качественном изменении топологии поверхности Ферми, характеризующей пространственное распределение граничных скоростей (более точно импульсов) электронов в металле, при плавном изменении параметров решетки под действием давления. Топологические изменения поверхности Ферми, в свою очередь, ведут к резкому изменению динамических свойств электронов с энергиями, близкими к энергиям Ферми.
При критических значениях упругих деформаций и сохранении симметрии и параметров решетки происходит аномальное изменение кинетических и термодинамических характеристик металлов, обусловленное скачкообразным изменением динамических свойств электронов. При этом выполняется условие Дузера—Тернера [6], обладающее свойством суперпозиции состояний:
(1)
Рис. 2. Смещение сферы Ферми при воздействии давления и теплового поля.
зации этого состояния, т.е. к рекомбинации. На рис. 1 стрелками отмечены переходы при диссоциативной рекомбинации наночастицы и ламели в матричной среде.
При таком способе диссоциативной рекомбинации наши активные наночастицы должны ре-комбинировать в потенциальные готовые "ямы" — ламели, чтобы достичь упорядоченного распределения в полимерной матрице.
Обработку нанокомпозитного порошка осуществляли в сверхпластическом состоянии, а также использовали различные физические и химические процессы, с целью получения конструкции
Е = - ЕР) - (Ев, - ЕР) = = (Ер - Ев/) + (Еа| - ЕР),
где Е в скобках — энергия электрона.
Энергия Е, необходимая для возникновения возбужденного состояния |а,-; Ру), является суммой энергии, необходимой для переноса электрона из состояния Ру- до уровня энергии Ферми, т.е.
(ЕР - Е ), и энергии, необходимой для переноса
к/
электрона от уровня Ферми до состояния а,-, т.е. (Е - Ер) — состояния химической связи, ЕР — энергия основного состояния (кет-вектора ). Энергия же возбуждения всегда положительна.
Условие Дузера—Тернера (1) может показаться грубым, но оно дает возможность в каком-то приближении оценить физический процесс происходящего технологического метода. Конечно, мы фантазируем где-то, но при том уровне развития, которое достигла нанотехнология за последние годы, эти фантазии могут послужить толчком к построению реальных сред в толстопленочной микроэлектронике.
Между полем и импульсом существует сдвиг фаз равный 90° и показан качественный переход порошковой среды в структурную упорядоченную нанокомпозицию.
На рис. 2 показано смещение сферы Ферми при воздействии давления и теплового поля — формирования архитектуры наноразмерных сред
в условиях происходящих вблизи порога сверхпластичности.
Каждый раз, когда удается по-новому взглянуть на основы теории, можно ожидать интересных приложений. Пороговая сверхпластичность существует недавно, и за это время были найдены приложения в получении толстых пленок микроэлектронике с формированием архитектуры на-норазмерных сред. Что можно ожидать от этого метода?
КАК ПОЛУЧАЮТ ПЛЕНКИ С КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ
Прежде всего сравним этод метод с известным методом изготовления квантовых структур: квантовых точек, проволок, элементов квантовых приборов [7].
Технического результата достигают тем, что в способе изготовления квантовых объектов (точек, проволок и элементов квантовых приборов), включающим выращивание напряженной пленки из материала, имеющего постоянную кристаллической решетки, большую, чем материал подложки, толщина напряженной пленки меньше критической и пленка выращивается псевдоаморфной. Между напряженной пленкой и подложкой выращивается жертвенный слой, который затем селективно удаляется под заданной областью пленки, что освобождает часть пленки от связи с подложкой, и эта часть выпучивается или гофрируется, в результате чего меняется напряжение в пленке. Затем вызывается сдвиг дна зоны проводимости (вершины валентной зоны), приводящей к формированию локальной потенциальной ямы.
Однако достижение технического результата содержит множество недостатков.
1. Используют приемы в технологии получения полупроводниковых материалов, как дорогостоящей из-за энергоемкости применения сложного оборудования.
2. Применяют повторение (послойное выращивание пленочных структур) технологических операций для достижения цели получения потенциальной ямы.
В нашей работе начало архитектуры конструкции среды будущего материала пленки закладывают в процессе синтеза, при получении порошковой композиции: наночастицы внедряются в молекулы полимера, а затем, при формовании давлением и температурном воздействии, приводят ее (конструкцию) к окончательному упорядочению квантовых точек в нанокомпозитной среде материала толстой пленки.
3. Авторы используют ингредиенты с различным коэффициентом линейного расширения, что очевидно, за счет чего происходят различные
напряжения тонких пленок в слоях структур, что приводит к изгибу — выпучиванию пленки, куда внедряют затем наночастицы.
Трудоемко.
Упорядочение осуществляют за счет селективного травления получаемых структур, а в нашем случае за счет синхронного воздействия физических эффектов в условиях сверхпластичности архитектуры наномерной среды толстой пленки.
4. Для достижения прецизионности вводят ограничение на амплитуду гофрировок. "Для этого на этапе молекулярной эпитаксии в структуру дополнительно вводят расположенные выше и ниже на заданном расстоянии от напряженного слоя, ненапряженные слои, которые и ограничивают амплитуду".
В нашем случае глубина залегания квантовых наночастиц (от 1 до 10 мкм) в ламелях матрицы полимеров регулируется с помощью механического регулятора давления специального устройства, что проще. Причем физический эффект давления совершается одновременно по всему объему получаемой наносреды толстой пленки из материала порошка, в условиях сверхпластичности.
5. Формируют массив тоннелеподобных "ангаров", для
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.