т. е. с ростом рабочей резонансной частоты ур чувствительность микромеханического кремниевого гироскопа падает.
Таким образом, рассмотрение физических процессов, сопровождающих работу гироскопа на ПАВ и исследование его упрощенной модели выявляет принципиальные отличия в функционировании традиционных микромеханических гироскопов и гироскопов на ПАВ. Показано, что в определенном диапазоне угловых скоростей чувствительность гироскопа будет увеличиваться с ростом частоты ПАВ.
Сергей Дмитриевич Бодрунов — д-р экон. наук, президент ОАО "Авиаприборостроительный альянс";
Анатолий Павлович Захаревич — генеральный директор ОАО "Авиаприборостроительный альянс";
E-mail: svb@aanet.ru
Сергей Владимирович Богословский — д-р техн. наук, профессор, зам. директора ЗАО "Авангард-Элионика";
Владимир Васильевич Новиков — д-р техн. наук, профессор, консультант ЗАО "Авангард-Элионика";
Геннадий Анатольевич Сапожников — директор ЗАО "Авангард-Элионика". □
УДК 621.3.049.779
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ЗАВИСИМОСТЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ СТРУКТУР НА ОСНОВЕ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК В АТМОСФЕРНЫХ УСЛОВИЯХ1
А. И. Аксенов, И. И. Бобринецкий, В. К. Неволин, М. М. Симунин
Проведен анализ изменения характеристик проводимости структур на основе многослойных углеродных нано-трубок, однослойных углеродных нанотрубок и их сеток в диапазоне температур от комнатной до 200 °С, находящихся в атмосферных условиях. Показана зависимость сопротивления структур от температуры. Выявлены общие закономерности уменьшения сопротивления различных структур. Предложен механизм термически инициированного переноса носителей заряда в области контакта нанотрубок с электродом, преобладающий над процессами десорбции в атмосферных условиях.
Углеродные нанотрубки являются перспективным материалом для изготовления компонентов электронной техники. Проведенные исследования по применению нанотрубок в качестве активных элементов вычислительной электроники [1, 2] и изучение свойств нанотрубок в различных газовых средах показали возможность их использования в сверхминиатюрных датчиках состава окружающей среды [3]. Однако температурные исследования электрических характеристик нанотрубок большинством научных групп ограничиваются диапазоном низких
1 Работа выполнена при поддержке гранта Президента Российской Федера-
ции для государственной поддержки моло-
дыхроссийских ученых МК-1810.2005.8.
температур, в котором максимально выражены квантовые свойства наноструктур. Исследованиям поведения проводимости структур на основе углеродных нанотрубок в атмосферных условиях при температурах выше комнатных не было уделено достаточного внимания. Тем не менее малый диаметр нанот-рубок и возможность интеграции их в технологический процесс современной электроники позволяют использовать нанот-рубки для контроля температурного режима в локальных областях интегральных схем.
В статье проведен анализ изменения характеристик проводимости структур на основе многослойных углеродных на-нотрубок (МСНТ), однослойных углеродных нанотрубок (ОСНТ) и их сеток в диапазоне
температур от комнатной до 200 °С, находящихся в атмосферных условиях.
Структура представляет собой тонкие графитизированные электроды (рис. 1, а) (удельное сопротивление 3*103 Ом-см), на которые из раствора наносятся углеродные нанотрубки с последующим высушиванием. Расстояние между тонкими электродами составляет 2 мкм [4]. Высоколегированная кремниевая подложка, отделенная от электродов термически выращенным оксидом кремния, используется в качестве затвора для исследования полевого эффекта в проводимости структур на основе углеродных нанотрубок.
После формирования структур и измерения их проводимости при комнатной температуре
60
Sensors & Systems • № 9.2006
Рис. 1. АСМ-топография МСНТ, лежащих на тонких углеродных электродах (в) и зависимость относительного изменения сопротивления (б) (А2(4) = 2(4) — 2(4комн), где 2(4), 2(4Комн) — значения сопротивлений при данной и комнатной температурах) структуры с МСНТ от температуры в логарифмическом масштабе (сплошная линия — аппроксимация)
они помещаются на термический столик, представляющий собой графитовый резистор сопротивлением 1 кОм, нагрев которого регулируется термопарой.
Многослойные нанотрубки наносятся на тонкие электроды из раствора в 2-пропаноле, предварительно подвергнутого ультразвуковой обработке в течение нескольких часов. Нанотрубки диаметром 10...20 нм располагаются относительно равномерно на поверхности с концентрацией 1 МСНТ на 2 мкм2 (рис. 1, а). Сопутствующие объекты являются оставшимися на поверхности нанотрубок частицами катализатора.
Характеристики проводимости структур соответствуют металлическому типу [5] и не зависят от приложенного к затвору потенциала в диапазоне от 3 мВ до 10 В. Сопротивление структуры при комнатной температуре составляет 490 кОм. При повышении температуры сопротивление уменьшается (рис. 1, б). Отметим, что предварительно проводилось термоциклирова-ние от комнатной температуры до 200 °С на воздухе, после чего характер зависимости оставался воспроизводимым. Как можно видеть, зависимости хорошо аппроксимируются логарифмическим законом, что может свиде-
тельствовать об активационном механизме переноса носителей заряда. Максимальное изменение сопротивления составляет 25 % при увеличении температуры от 25 до 210 °С.
Объяснение нетрадиционной металлической проводимости [6] может быть дано в рамках модели, учитывающей механизм повышения проводимости с ростом температуры в модели жидкости Латтинжера— Томонаги [7]. Однако данное приближение справедливо для низких температур (<100 К), когда плотность электронных состояний вблизи туннельного контакта определяется степенной зависимостью от энергии. В данном случае при высоких температурах преобладает механизм термоэлектронной эмиссии через барьер [8, 9], формирующийся при контакте металла и лежащей на нем нанотрубки.
Отметим, что, так как эксперименты проводились в атмосферных условиях, необходимо учитывать влияние адсорбата на проводимость структур. Вносить дополнительные энергетические уровни могут как молекулы кислорода [10], так и анионы воды, которые образуют дополнительные акцепторные уровни в энергетической зоне нанотру-бок [11]. Их удаление должно
вызвать противоположный эффект изменения сопротивления, наблюдаемого на рис. 1, б. Более того, сам процесс удаления ад-сорбата должен иметь характерную точку перелома, соответствующую началу процесса десорбции. Удаление химически адсорбированного кислорода требует гораздо большей энергии, чем при нагреве до 200 °С. Единственно возможный вклад адсорбата в общую погрешность измерений сопротивления при повышении температуры связан с эффектом перезарядки поверхностных состояний.
Однослойные нанотрубки наносятся на тонкие электроды из раствора в диметилформ-амиде и 2-пропаноле, предварительно подвергнутых ультразвуковой обработке в течение нескольких часов. При растворении первым способом на поверхность подложек высаживались преимущественно отдельные нанотрубки или их пучки, тогда как при втором способе растворения нанотрубки коагулируют при испарении спирта в равномерные сетки площадью до нескольких десятков квадратных микрометров (рис. 2, а).
Линейное сопротивление сеток составляет 290 кОм и проявляет слабую зависимость от приложенного поперечного электрического поля, что определяется присутствием в сетках однослойных нанотрубок с различной шириной запрещенной зоны. Уменьшение сопротивления происходит аналогично изменению сопротивления многослойных нанотрубок, что подтверждает преимущественную роль контактного сопротивления в проводимости структур, состоящих из нанотрубок, лежащих на углеродных контактах. Тем не менее в случае сеток в проводимость могут давать вклад места контактов нанотрубок друг с другом, которые можно рассматривать как эффективные резисторы, представляющие собой последовательное соедине-
А.(7) , %
0комн)
0_|-ШГ-^-Ш. »1
0 5 10 15 мкм
а)
102 1000/0, °С
Рис. 2. АСМ-изображение сетки ОСНТ, лежащей на тонких углеродных электродах (а) и зависимость относительного изменения сопротивления (б) (А2(4) = 2(4) — 2(4комн)) структуры с сеткой ОСНТ от температуры в логарифмическом масштабе (сплошная линия — аппроксимация)
Рис. 3. АСМ-изображение пучка ОСНТ, лежащего на тонких углеродных электродах (а), диаметр пучка равен 3,5 нм и зависимость относительного изменения сопротивления (б) (АД (4) = 2(4) — 2(4ммн)) структуры с пучком ОСНТ от температуры в логарифмическом масштабе для напряжения 5{и = 0 и 10 В, 5Си = 30 мВ (сплошные линии — аппроксимация). На вставке: зависимость тока через пучок ОСНТ от температуры
ние двух сопротивлений, каждое из которых описывается жидкостью Латтинжера—Томонаги и Ферми соответственно [12]. При увеличении расстояния между электродами вклад второго слагаемого будет возрастать. Исследование отдельных углеродных нанотрубок в атомно-сило-вом микроскопе показало, что длина нанотрубок составляет 0,5...2 мкм и для представленной топологии схемы вклад межтрубных контактов незначителен; основную роль в изменении проводимости при двухконтактном методе измерения
будут играть области контакта нанотрубок и электродов.
Вкладом адсорбата в изменение проводимости, как и в случае с МСНТ, можно пренебречь, так как измерение проводилось после нескольких термоциклов, и время измерения было достаточным для наблюдения воспроизводимых характеристик зависимости тока от температуры, что было показано в работах по исследованию адсорбции на МСНТ и плотных сетках ОСНТ [13].
Отдельные пучки однослойных нанотрубок (рис. 3, а) про-
являли полупроводниковую проводимость ^-типа. При приложении к затвору потенциала и~и различной полярности происходило изменение проводимости структур с различной степенью чувствительности к внешнему электрическому полю. Структуры с нанотрубками преимущественно полупроводникового типа помещались на термический столик. Наблюдалось значительное повышение проводимости с ростом температуры при нулевом и положительном потенциале на затворе. При этом чувствительность к температуре увеличивается при повыше
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.