^^^^^^^^^^^^ ПРИБОРЫ МИКРО-
И НАНОЭЛЕКТРОНИКИ
621.38.049.77.002.3
МОДУЛЯЦИЯ ПРОВОДИМОСТИ ПУЧКОВ ОДНОСЛОЙНЫХ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК
© 2004 г. И. И. Бобринецкий, В. К. Неволим, А. А. Строганов, Ю. А. Чаплыгин
Московский государственный институт электронной техники (Технический Университет)
E-mail: vkn@miee.ru Поступила в редакцию 12.01.2004 г.
Разработана методика высаживания и присоединения к контактам пучков однослойных углеродных нанотрубок. Проанализированы причины, вызывающие разрушения электрического контакта на-нотрубок с металлическими электродами. Предложен метод токового изменения начальной величины проводимости пучка нанотрубок. На основе пучка нанотрубок создан макет транзистор p-ти-па проводимости. Исследованы его статические электрические свойства.
МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2004, том 33, № 5, с. 359-365
УДК
ВВЕДЕНИЕ
Углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для замещения активных элементов современной полупроводниковой электроники [1, 2]. В ряде работ приведены результаты по созданию на основе однослойных углеродных нанотрубок (ОСУНТ) макетов транзисторов [3, 4] и логических элементов [5-7], работающих при комнатных температурах.
В работе предложена методика формирования полупроводниковых каналов проводимости из пучков однослойных углеродных нанотрубок. Показана возможность модулирования проводимости пучков полупроводниковых нанотрубок в поперечном электрическом поле, что является существенным для создания активных элементов на-ноэлектроники.
МЕТОДИКА НАНЕСЕНИЯ ПУЧКОВ НАНОТРУБОК
Исследовались электрические свойства пучков из однослойных углеродных нанотрубок, расположенных между золотыми подводящими электродами. Тестовая структура для измерения электрических свойств была реализована в виде золотых электродов толщиной 10 нм, нанесенных на термически выращенный на кремнии слой 8Ю2, толщиной 200 нм. Для увеличения адгезии золота к оксиду нанесен буферный слой ванадия толщиной 10 нм. Рисунок золотых контактов был сформирован методом оптической литографии с минимальной шириной линии 1500 нм.
Для приготовления раствора, содержащего пучки с относительно небольшим количеством углеродных нанотрубок, исходный образец помещался в изопропиловый спирт и подвергался уль-
тразвуковой обработке на частоте 35 кГц в течение нескольких часов до образования коллоидальной взвеси. Было замечено, что нанотрубки начинают скапливаться в более крупные конгломераты сразу же по окончании ультразвуковой обработки. Подобное поведение нанотрубок определяется большим влиянием ван-дер-ваальсо-вых сил, стремящихся минимизировать поверхностную энергию нанотрубок за счет их слипания. В течение нескольких минут после окончания ультразвуковой обработки можно было наблюдать скопления конгломератов диаметром до нескольких миллиметров во взвеси углеродных нанотрубок в спирте. Чтобы исключить возможность образования крупных скоплений и увеличения числа нанотрубок в пучке, время между прекращением ультразвуковой обработки и нанесением раствора на подложку с электродами было минимизировано до нескольких секунд. Высушивание образца проходило при комнатной температуре, в атмосфере, насыщенной парами изопропилового спирта в течение нескольких минут. Это время является достаточным для равномерного высаживания углеродных нанотрубок на подложку, но недостаточно для полного испарения спирта, который далее удалялся с помощью воздушной пушки вместе с фрагментами аморфного углерода и растворенными частицами катализатора. При этом удаляется и часть углеродных нанотрубок слабо закрепленных на поверхности подложки. Для удаления органических веществ и воды, привнесенных на поверхность подложки из атмосферы, со стенок оборудования и спирта весь образец подвергался термическому отжигу (~400°С) в течение одной секунды.
Для контроля количества и размера пучков, высаженных на подложку, проводилась сканирующая зондовая микроскопия [8]. Как правило, на поверхности присутствуют наноструктуры высо-
Рис. 2. АСМ изображение золотых электродов с углеродной нанотрубкой после прохождения тока 3 мкА.
той от 1 до 10 нм (рис. 1) и длиной до 3 мкм, что может свидетельствовать о присутствии как однослойных нанотрубок, так и пучков с небольшим содержанием нанотрубок (несколько десятков). Также были обнаружены разветвленные нанообразования, которые можно рассматривать как скопления из нанотрубок (рис. 1а), успевшие сформироваться в процессе медленного высыхания раствора в насыщенной атмосфере.
ИЗМЕРЕНИЕ СОПРОТИВЛЕНИЯ
Теоретические оценки предсказывают электрическую стабильность ОСУНТ к пропусканию больших плотностей токов (до 109 А/см2 [9]), обусловленную отсутствием электромиграции вдоль стенок нанотрубок. Однако при исследовании системы "нанотрубка на электродах" наблюдается формирование между ними туннельного контакта [10]. На рис. 2 представлено топографическое изображение участка золотых электродов с лежащей на них углеродной нанотрубкой после прохождения тока величиной 3 мкА. Можно видеть разрушение одного из электродов в области контакта, связанное с высокой электромиграцией атомов
золота при термическом разогреве. Топографическая картина показывает сохранение структурной целостности нанотрубки в области между контактами, что свидетельствует в пользу создания активных элементов из пучков нанотрубок для повышения надежности.
В экспериментах по измерению электрических свойств углеродных нанотрубок была использована электрическая схема туннельной спектроскопии блока управления микроскопа 8о1уег-Р47 (НТ-МДТ). Данная схема позволяет подавать напряжение от -10 В до 10 В с шагом 0.3 мВ, ограничивая при этом модуль протекающего тока до 50 нА. Было измерено статистически большое число зависимостей протекающего тока от напряжения, подаваемого на тестовую структуру. Вид большинства вольт-амперных характеристик является принципиально нелинейным, что может быть обусловлено наличием туннельного контакта "нанотрубка - золотой электрод". Разброс величины полученного набора дифференциальных проводимостей в нелинейной области (от 10-7 См до 10-5 См) может быть связан с
I, нА
0
_I_I_I_I_1_
0 2 4 6 г, с
Рис. 3. Временная зависимость тока, протекающего через пучок однослойных углеродных нанотрубок при разрыве металлической нанотрубки в момент времени t = 4 с.
присутствием в исследуемых пучках нанотрубок различного типа.
МОДУЛЯЦИЯ ПРОВОДИМОСТИ
Для определения типа проводимости нанотрубок в пучках кремниевая пластина была использована в качестве управляющего электрода (затвора): перед термическим окислением поверхность кремния легировалась бором до концентрации "1020 см-3. При приложении управляющего потенциала на подложку от образца к образцу наблюдалось различное поведение проводимости пучков нанотрубок. Часть образцов не испытывала изменения проводимости вплоть до управляющих потенциалов У3 = ±10В, определяя доминирующий металлический тип проводимости в пучках. Известно, что доля нанотрубок металлического типа составляет приблизительно треть от общего числа нанотрубок [11]. Оценивая поперечные размеры пучков, можно предположить, что количество нанотрубок в них составляет несколько десятков, и, стало быть, заметная доля из них может быть металлического типа. Однако большая часть опытов показала возможность модулирования проводимости канала пучка на несколько порядков, что свидетельствует о полупроводниковом характере их проводимости. Объяснение данного поведения проводимости может быть дано на основе сделанного в работе[12] предположения о преимущественном протекании носителей заряда вдоль нанотрубок, находящихся на поверхности пучка и непосредственно формирующих туннельный контакт с золотыми электродами. Справедливость данного утверждения дока-
зана в ряде работ по исследованию электронной структуры пучков нанотрубок в сканирующих туннельных микроскопах [8, 13, 14]. В этих работах показана возможность наблюдения атомарной структуры отдельных нанотрубок разной проводимости (хиральности) на поверхности пучка, которая свидетельствует в пользу слабой де-локализациии электронной плотности по всей поверхности пучка (см. рис. 16).
РАЗРУШЕНИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ТРУБОК
Была разработана методика, позволяющая избирательно удалять нанотрубки металлического типа. Метод основан на возможности термического окисления нанотрубок в атмосферных условиях при нагреве свыше 600°С и был использован для разрыва внешних оболочек многослойных углеродных нанотрубок [15] и устранения из токового канала металлических ОСУНТ при протекании в них больших токов [16]. Однако применение больших токов в данной работе ограничивалось стабильностью контакта "нанотрубка -золото", которая нарушалась при протекании токов свыше 100 нА. В работе [15] показано, что основную роль в окислении нанотрубок играет не самонагрев при протекании больших плотностей тока, а индуцированное током формирование дефектов в нанотрубках. Разрыв связей С - С в области с дефектом требует гораздо меньшей внешней энергии, а следовательно, и меньших плотностей токов при окислении.
Электрический разрыв металлических нанотрубок в пучках проводился в режиме подачи периодических импульсных сигналов напряжения на электроды амплитудой до 10 В. При этом протекающий ток ограничивался до 50 нА системой, использованной при измерении проводимости. В зависимости от вклада металлических трубок в общую проводимость варьировалась длительность импульса (от 0.001 до 10 мс) и число импульсов в сигнале (от 1 до 1000). На рис. 3 приведена временная зависимость тока, протекающего через пучок ОСУНТ при постоянном смещении между электродами 0.3 В. В момент времени £ = 4 с был подан сигнал, состоящий из 100 импульсов суммарной длительностью 20 мс. В результате разрушения канала проводимости по металлическим нанотрубкам ток уменьшился с 30 нА до 10 нА, что соответствует уменьшению проводимости на 0.03 мкСм. Данная величина коррелирует с экспериментально измеренными величинами порядка 1 МОм туннельного сопротивления между одиночной металлической ОСУНТ, лежащей на металлических электродах [3].
(б) I, нА
Потенциал затвора (В) 40
-5 -2 0+1
0.5
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.