Как мы уже отмечали, УНТ и фуллерены стали основой для многих новых перспективных направлений в материаловедении, в нанотехнологиях, в прикладной химии, в медицине и т.д. В данной лекции мы рассмотрим основные направления их применения в информатике.
Рассмотрим сначала полевые транзисторы на основе УНТ. На рис 6.1 показаны две из многих возможных структур таких транзисторов.
(рис 6.1) Структура полевых транзисторов на УНТ: слева – с металлическим затвором; справа – с затвором из поликристаллического кремния
В обоих случаях полупроводниковая УНТ размещена в зазоре между металлическими электродами истока и стока, образуя после отжига надежные электрические контакты с ними. В первой конструкции (слева) электрод затвора тоже формируется из металла после нанесения на нанотрубку тонкого слоя диэлектрика. Во второй конструкции (справа) электрод затвора формируют из поликристаллического кремния в "карманах" пластины из монокристаллического кремния. Вариантом первой конструкции является замена металлического электрода затвора нанотрубкой с металлической проводимостью, ортогональной к полупроводниковой УНТ. С использованием такого затвора уже в 2008 г. удалось построить транзистор с рекордно малой длиной канала (9 нм). . Слева показана зонная диаграмма в закрытом состоянии транзистора, когда сквозь него течет наименьший ток. Это имеет место при таком напряжении $$U_{\text{ЗАКР}}$$ на затворе, при котором уровень Ферми металлического электрода истока размещен на уровне середины запрещенной зоны полупроводниковой УНТ.
(рис 6.2)
Напомним, что HOMO – это полностью заполненная электронами $$\pi$$-МО, а LUMO – ближайшая свободная $$\pi$$-МО (не заполненная электронами). При указанном напряжении электрический заряд сквозь нанотрубку могут переносить лишь редкие электроны, которые благодаря хаотическому тепловому движению приобретают энергию, достаточную для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер $$\Delta E/2$$ и перейти из металла на LUMO. Поскольку при комнатной температуре таких электронов очень мало, то и электрический ток сквозь транзистор очень мал.
Если на затвор подать более низкое напряжение $$U_{\text{З}} = U_{\text{ЗАКР}} – \Delta E/2$$, то энергетические уровни электронов на молекулярных орбиталях УНТ поднимаются на величину $$\Delta E/2$$, и уровень Ферми металлических электродов сравнивается с верхним краем HOMO. Это показано на рис 6.2 в центре. Электроны с HOMO под действием приложенного электрического поля между истоком и стоком получают возможность свободно переходить в электрод истока, оставляя в заполненной HOMO свободные места – "дырки". Эти дырки под действием того же электрического поля движутся в направлении к стоку. Когда они достигают контакта со стоком, на их место переходят электроны из металла. Такой "открытый" транзистор хорошо проводит электрический ток, имеющий "дырочный характер", а нанотрубка становится каналом проводимости $$p$$-типа.
Если на затвор подать более высокое напряжение $$U_{\text{З}} = U_{\text{ЗАКР}} + \Delta E/2$$, то энергетические уровни электронов на молекулярных орбиталях УНТ опускаются на величину $$\Delta E/2$$, и уровень Ферми металлических электродов сравнивается с нижним краем LUMO. Это показано на рис 6.2 справа. Электроны из электрода стока могут свободно переходить на LUMO, двигаться по ней вдоль УНТ к истоку и там свободно переходить в электрод истока. При этом транзистор тоже открыт, электрический ток имеет "электронный" характер, а нанотрубка становится каналом проводимости $$n$$-типа.
Как регулируемый канал проводимости полупроводниковая УНТ имеет то преимущество перед каналами проводимости в полупроводниках, что подвижность носителей электрического заряда в нанотрубках значительно выше, чем в кремнии, арсениде галлия и в других классических полупроводниках, и размеры канала можно уменьшать вплоть до молекулярных масштабов.
Типичный пример вольтамперных характеристик полевых транзисторов на основе УНТ показан на рис 6.3.
(рис 6.3)
Слева показано семейство ВАХ при разном отрицательном напряжении $$U_{\text{З}}$$ между затвором и истоком. Вдоль горизонтали отложено напряжение между истоком и стоком, вдоль вертикали – электрический ток сквозь транзистор. Справа показана передаточная характеристика – зависимость электрического тока сквозь транзистор от напряжения на затворе при фиксированном напряжении между истоком и стоком ($$U = 0,6$$ В). Вертикальная шкала здесь логарифмическая. Видно, что ток сквозь транзистор в закрытом состоянии ($$U_{\text{ЗАКР}}\approx 0,3$$ В) меньше, чем 10 пА, а в открытом состоянии ($$U_{\text{ОТКР}}\approx -1,2$$ В) может быть больше на 5 порядков величины. Наибольшая крутизна наблюдается при значениях $$U_{\text{З}}$$ от –0,3 до +0,1 В. Здесь ток возрастает вдесятеро при снижении напряжения на затворе на 100 мВ.
Однако учтите, что ширина запрещенной зоны полупроводниковой УНТ, а следовательно, и конкретные параметры транзистора на УНТ зависят от ее диаметра (рис 6.4).
(рис 6.4) Зависимость ширины запрещенной зоны полупроводниковых УНТ от их диаметра D
Вдоль горизонтали здесь отложена обратная величина к диаметру нанотрубки, заданному в нанометрах, вдоль вертикали – ширина запрещенной зоны в электрон-вольтах. Чем меньше диаметр УНТ, тем больше ширина запрещенной зоны энергий.
В транзисторах с использованием тонких нанотрубок ($$\leq 1,2$$ нм) и подзатворного диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной ($$HfO_2$$) удалось достичь еще большей крутизны передаточной характеристики – возрастания тока вдесятеро при снижении напряжения лишь на 60 мВ.
), и генераторы импульсов, и тактовые генераторы с диапазоном рабочих частот до сотен гигагерц.
(рис 6.5)
Фактический частотный диапазон существенно зависит от характеристик не только транзистора, но и всех других компонентов схемы, особенно от величины паразитных емкостей.
Поскольку УНТ, как правило, достаточно длинны, то в качестве резистора в схеме на рис 6.5 можно использовать продолжение той же самой углеродной нанотрубки, из которой сформирован канал транзистора, но без затвора. Кроме того, над одной нанотрубкой можно сформировать несколько затворов, что позволяет просто реализовать логические вентили "И" (конъюнкция) и "ИЛИ" (дизъюнкция). Варианты двух таких логических схем показаны на рис 6.6.
(рис 6.6) Принципиальные электрические схемы логических элементов на УНТ полевых транзисторах: слева – схема конъюнкции на УНТ с тремя затворами; справа – схема дизъюнкции
Как и в схеме триггера, в качестве резистора $$R$$ здесь может быть использовано продолжение полупроводниковой УНТ, но без затвора.
Ширина запрещенной зоны большинства УНТ не превышает 1 эВ. Оказалось, что это позволяет эффективно использовать различие в работе выхода электронов из разных металлов. Ведь от этого параметра зависит значение напряжения закрывания транзистора $$U_{\text{ЗАКР}}$$. Используя для изготовления затвора одного транзистора палладий, а другого – алюминий, удалось на одной нанотрубке построить инвертор, являющийся аналогом КМДП инвертора.
(рис 6.7) Слева – структура инвертора на комплементарных УНТ транзисторах; в центре – эквивалентная электрическая схема инвертора; справа – передаточная характеристика
Структура такого инвертора показана на рис 6.7 слева. На подложке из кремния 1, покрытого слоем окисла 2, формируют металлические электроды 3, 4 и 5, на которые сверху накладывают полупроводниковую УНТ 6. После нанесения тонкого слоя подзатворного диэлектрика 7 формируют затворы из палладия ($$Pd$$) и из алюминия ($$Аl$$). Потенциалы закрывания $$U_{\text{ЗАКР(1,2)}}$$ полевых транзисторов с такими затворами отличаются больше, чем на половину ширины запрещенной зоны нанотрубки. Поэтому при подключении по схеме, показанной на рис 6.7 в центре, наблюдается следующая картина.
Когда на вход инвертора подается отрицательное напряжение $$U_{\text{ВХ,0}}\approx -1$$ В, оно оказывается существенно ниже потенциала закрывания $$U_{\text{ЗАКР,1}}$$ транзистора с затворным электродом из палладия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится проводящей с проводимостью $$p$$-типа (ситуация, показанная на рис 6.2 в центре). В то же время входное напряжение $$U_{\text{ВХ,0}}\approx -1$$ В приблизительно равно потенциалу закрывания $$U_{\text{ЗАКР,2}}$$ транзистора, затворный электрод которого изготовлен из алюминия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится не проводящей, т.е. закрывается (ситуация, показанная на рис 6.2 слева). В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания $$+U$$.
Когда на вход инвертора подано положительное напряжение $$U_{\text{ВХ,1}}\approx +1$$ В, оно оказывается близким к потенциалу закрывания $$U_{\text{ЗАКР,1}}$$ транзистора с затворным электродом из палладия, и поэтому часть УНТ под этим электродом закрывается (ситуация, показанная на рис 6.2 слева). В то же время входное напряжение $$U_{\text{ВХ,1}}\approx 1$$ В существенно выше потенциала закрывания $$U_{\text{ЗАКР,2}}$$ транзистора с затворным электродом из алюминия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится электропроводящей с проводимостью $$n$$-типа (ситуация, показанная на рис 6.2 справа). В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания $$-U$$.
Зависимость выходного напряжения инвертора от напряжения на входе показана на рис 6.7 справа.
Инвертор на УНТ работает аналогично известному инвертору на КМДП транзисторах. В статическом режиме он практически не потребляет ток, поскольку один из транзисторов закрыт. Мощность потребляется лишь при переключениях и тратится на перезаряд паразитных емкостей, которые в молекулярных схемах могут быть достаточно малыми. От этого зависит и быстродействие логических схем, построенных на УНТ. По аналогии с КМДП логикой, логические схемы, построенные на описанном принципе, можно назвать "комплементарной УНТ логикой" (КУНТ логикой).
В некоторых работах показано, что можно специально выращивать полупроводниковые УНТ, разветвленные в форме буквы "Y". Для этого при химическом выращивании УНТ в реактор в определенный момент времени впрыскивают мельчайшие наночастицы железа, легированного титаном. Оседая на нанотрубку, такая наночастица становится катализатором роста дополнительной ветви, так что дальше растут уже две нанотрубки несколько меньшего диаметра (рис 6.8, слева).
(рис 6.8) Слева – изображение в атомном силовом микроскопе УНТ с Y-разветвлением; в центре – схема формирования электродов к такой УНТ; справа – условное изображение транзистора
Если к концам такой "Y-УНТ" присоединить электроды так, как показано на рис 6.8 в центре, то она работает как полевой транзистор, эквивалентная схема которого показана справа. Наночастица железа, оставшаяся в месте стыка "стебля" нанотрубки с ее "ветвями", пропускает электрический ток из одной ветви в другую лишь тогда, когда на "стебель", играющий здесь роль затвора, подается положительный потенциал. Когда же на "стебель" подается отрицательный потенциал, электрический ток в другую ветвь не проходит. Промежуточных значений тока зафиксировать не удалось, поскольку ток включался и выключался скачком. Т.е. "Y-УНТ" является вентилем электрического тока, максимально интегрированным уже при изготовлении.
УНТ с металлической проводимостью, как оказалось, тоже могут стать полупроводниковыми в достаточно сильном внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси УНТ. Это – чисто квантовый эффект. При этом ширина запрещенной зоны УНТ зависит от величины магнитного потока сквозь ее отверстие. Такая зависимость показана на рис 6.9. Вдоль горизонтали здесь отложен магнитный поток сквозь поперечное сечение трубки в единицах кванта магнитного потока $$ \Phi_0=\frac{h}{2e}=2,07*10^{-15}\textit{ Вб}, $$ где $$h$$ и $$e$$ – соответственно постоянная Планка и заряд электрона. Магнитный поток сквозь поперечное сечение нанотрубки $$ \Phi=BS=B\cdot\frac{\pi D^2}{4}, $$ где $$B$$ – магнитная индукция, $$D$$ – диаметр нанотрубки, $$S$$ – площадь ее сечения. Значение $$\Phi=0,5\Phi_0$$ достигается при магнитной индукции $$ B=\frac{2\Phi_0}{\pi D^2}. $$
(рис 6.9) Зависимость ширины запрещенной зоны УНТ от магнитного потока сквозь ее поперечное сечение
Эта величина тем меньше, чем больше диаметр УНТ. При $$D$$ = 30 нм магнитный поток в половину кванта достигается при $$B$$ = 5,85 Т. Т.е. сопротивление резистора на УНТ или характеристики транзистора на УНТ можно существенно регулировать магнитным полем лишь в случае трубок большого диаметра. На этом принципе могут работать наноразмерные датчики сильных магнитных полей. Поведение же электронных схем на УНТ малых диаметров мало чувствительно к внешнему магнитному полю.
Интересным вариантом логических схем на основе УНТ является широко известная когда-то "релейная логика" с использованием теперь уже наноэлектромеханических реле. Изображение такого реле в растровом электронном микроскопе показано на рис 6.10. Ко входному электроду 1 "приварен" входной конец УНТ (2) с металлической проводимостью. С обеих сторон от УНТ расположены металлические управляющие электроды 3. Расстояние между ними порядка 1 мкм.
(рис 6.10) Изображение наноэлектромеханического реле в растровом электронном микроскопе: 1 – входной электрод; 2 – УНТ; 3 – управляющие электроды; 4, 5 – выходные электроды. Слева – реле в нейтральном положении, справа – реле замкнуто на электрод 4
Если электрического напряжения между электродами 3 нет, то УНТ 2 находится в нейтральном положении, и свободный ее конец не контактирует ни с одним из выходных электродов (4 и 5). Если же между управляющими электродами 3 приложить небольшое электрическое напряжение (1-2 В), то УНТ притягивается к "положительному" электроду, так как туда притягиваются все электроны общей молекулярной $$\pi$$-орбитали.
На рис 6.10 справа показан случай, когда положительное напряжение приложено к верхнему управляющему электроду. Свободный конец УНТ контачит с выходным электродом 4.
В нейтральном положении ток на выходе равен нулю, при замыкании через УНТ может протекать электрический ток порядка 1 мкА. Время переключения определяется лишь скоростью перезарядки паразитных емкостей и может быть порядка пикосекунд.
С использованием УНТ, как оказалось, можно построить много разных вариантов памяти. Начнем из аналогов современной флеш-памяти, описанной в лекции 6 курса "Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков". Устройство ее типичной ячейки показано на рис 6.11 слева. Основой ее является МДП транзистор с плавающим затвором, сформированный на пластине кремния 1; 2 – его исток, 3 – сток, 4 – "плавающий" затвор, 5 – изолятор, 6 – управляющий затвор.
(рис 6.11) Слева – конструкция элементарной ячейки современной флеш-памяти; справа – конструкция элементарной ячейки флеш-памяти на УНТ и кантилевере (объяснения в тексте)
Справа на рис 6.11 показана конструкция ячейки флеш-памяти на УНТ транзисторе и кантилевере. Основой ее тоже является полевой транзистор с истоком 2, стоком 3, полупроводниковой УНТ 7 и "плавающим" затвором 4. Электрический заряд на этот затвор подается через управляющий электрод 6 и металлический кантилевер 9 (сформированный, например, из $$Cr/Al/Cr$$). В нормальном состоянии кантилевер 9 не имеет электрического контакта с плавающим затвором 4. Но в промежуток времени, когда на управляющий электрод 8 подается положительное напряжение, кантилевер 9 под действием электростатических сил прогибается и контактирует с затвором 4. На последний "перетекает" при этом необходимый электрический заряд. Когда импульс напряжения на электроде 8 исчезает, кантилевер 9 размыкается, и электрический заряд на изолированном затворе 4 может сохраняться очень долго, в т.ч. и при отключенном напряжении питания.
Вместо кантилевера для выполнения той же функции может быть использовано и описанное выше наноэлектромеханическое реле на УНТ, изображенное на рис 6.10.
Можно указать следующие преимущества описанной ячейки памяти по сравнению с обычной флеш-памятью. Для записи и стирания информации не нужно доводить изолирующий слой до состояния контролируемого электрического пробоя. Поэтому этот слой не повреждается, и число циклов записи/перезаписи информации возрастает на порядки величины. Занесение и стекание электрического заряда с плавающего затвора происходит через металлический кантилевер, и поэтому запись/перезапись информации значительно ускоряются. Заряд, перетекающий на плавающий затвор, можно значительно точнее контролировать. А это позволяет запоминать в ячейках памяти не только логические "0" и "1", но и аналоговый сигнал со всеми промежуточными значениями от 0 до 1. Ток считывания из соответствующей ячейки будет почти пропорционален аналоговому сигналу. Это позволяет значительно сэкономить объем памяти во многих видео- и аудио- устройствах (видеокамерах, цифровых фотоаппаратах, диктофонах и т.п.), где требуется сохранять аналоговый сигнал.
Металлический кантилевер переключается электростатическими силами, практически без рассеяния тепла. Поэтому энергопотребление здесь намного меньше, чем в обычной флеш-памяти.
При исследованиях транзисторов с использованием тонких нанотрубок ($$\varnothing 1,2$$ нм) и подзатворного диэлектрика $$HfO_2$$ с высокой диэлектрической постоянной, структура которых показана на рис 6.12, неожиданно был выявлен гистерезис на зависимости тока сквозь транзистор от напряжения на затворе.
(рис 6.12)
После отжига таких транзисторов на воздухе при температуре 335 К гистерезис этот становился более заметным, а через 9 часов отжига стабилизировался. Результат показан на рис 6.13. При напряжении на затворе $$U_{\text{З}} = 0$$ транзистор может находиться в закрытом (точка A на характеристике, $$І$$ = 0,08 нА) или в открытом состоянии (точка B на характеристике, $$І$$ = 20 нА), – в зависимости от предыстории. Если транзистор находится в состоянии A, и напряжение на его затворе увеличить выше порогового значения (в данном случае приблизительно 2 В), а потом начать снижать, то ток возрастает в соответствии с веткой БВ на характеристике.
(рис 6.13)
При напряжении на затворе $$U_{\text{З}} = 0$$ транзистор теперь находится в открытом состоянии (точка B). Если и дальше снижать напряжение на затворе, то ток изменяется соответственно ветви ВГ. Если отрицательное напряжение на затворе превзойдет другое пороговое значение (в данном случае приблизительно –3 В), то при последующем увеличении этого напряжения ток уменьшается уже соответственно ветви ГА. И теперь при напряжении на затворе $$U_{\text{З}} = 0$$ транзистор находится уже снова в закрытом состоянии.
Можно условиться, что в случае A в транзистор записан логический "0", а в случае В – логическая "1". Процесс считывания очень прост: надо приложить небольшое напряжение между истоком и стоком и измерить протекающий ток. Для перевода транзистора в состояние логической "1" надо подать положительный импульс напряжения амплитудой свыше 2 В, а для перевода в состояние логического "0" надо подать импульс отрицательного напряжения амплитудой выше 3 В.
Такого же стойкого эффекта памяти, как при отжиге на воздухе, удается достичь и значительно быстрее, обрабатывая транзисторы в плазме кислорода в течение приблизительно 15 с. В обоих случаях (при отжиге на воздухе и при обработке в кислородной плазме) в тонком слое $$HfO_2$$ формируются глубокие ловушки для электронов с энергией активации 0,4-0,6 эВ.
Эффект памяти основан на том, что диаметр УНТ очень мал ($$\approx$$ 1 нм), и поэтому при напряжении на затворе уже в несколько вольт, вокруг нанотрубки возникает электрическое поле напряженностью порядка 1 В/нм = 109 В/м. При такой напряженности электроны относительно легко преодолевают тонкий (порядка нескольких нанометров) потенциальный барьер и туннельным путем переходят из УНТ в указанные глубокие ловушки или в обратном направлении – из них на УНТ. Когда же такое сильное электрическое поле отсутствует, то электроны могут находиться в ловушках весьма продолжительное время, выполняя в транзисторе роль заряженного "плавающего" затвора. Такой же эффект памяти был со временем выявлен и при использовании в качестве диэлектрика $$H\!f\!AlO_X$$ и некоторых других окислов.
Один описанный транзистор с тремя выводами (исток, сток и затвор) и является элементом новой флеш-памяти на УНТ. Благодаря незначительным нанометровым размерам УНТ, потенциальная плотность такой памяти оценивается величиной свыше 100 Гбит/см2. Возможная частота считывания – порядка 100 ГГц, приблизительно такова же частота записи/перезаписи. Рассеиваемая мощность при считывании информации составляет порядка 20 нА*0,5 В = 10 нВт, во время перезаписи – порядка 1 мкВт. Записанная информация сохраняется при отключенном питании на протяжении многих десятков суток. Такая память является очень перспективной.
УНТ позволяют значительно улучшить характеристики еще одного вида энергонезависимой памяти – т.н. "памяти на фазовых переходах" (англ. Phase-change memory, PCM, PRAM, PCRAM, Chalcogenide RAM или C-RAM). Как мы уже рассказывали в лекции 6 курса "Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков"., запись, перезапись и хранение информации в такой памяти основаны на способности халькогенидного стекла обратимо изменять под действием импульсов электрического тока свое фазовое состояние из аморфного на кристаллическое и наоборот много раз. При изменении фазового состояния резко меняется и электрическое сопротивление ячейки памяти. Это и позволяет довольно просто считывать текущее состояние ячейки. Затраты энергии на перезапись и ее скорость напрямую зависят в такой памяти от объема стекла, в котором происходит фазовый переход. И этот объем удается значительно уменьшить, применив для подведения электрического тока УНТ малых диаметров. На рис 6.14 показана конструкция ячеек такой памяти на УНТ с металлической проводимостью. Островки халькогенидного стекла, размещенные в разрывах УНТ, имеют размер порядка 10 нм. Для их переключения из аморфного состояния в кристаллическое требуется импульс тока порядка 0,5 мкА при напряжении меньше 1 В. Энергия переключения составляет порядка 1 фДж = 10-15 Дж.
(рис 6.14) Слева – структура ячеек (4 шт.) фазовой памяти на УНТ с металлической проводимостью. Справа – схема ячейки фазовой памяти на транзисторе из полупроводниковой УНТ
В другом варианте используются полевые транзисторы с полупроводниковыми УНТ. Схема соответствующей ячейки фазовой памяти показана на рис 6.14 справа. Такой вариант удобней для организации матричной памяти большого объема с произвольным доступом.
По таким же схемам может быть реализована и т.н. "мемристорная" память с УНТ. Термин "мемристор" является производным от английского "memory resistor" (резистор с памятью). В нем используется способность диоксида титана изменять свое электрическое сопротивление на несколько порядков под действием электрического напряжения выше некоторого порога. В случае УНТ благодаря их малому диаметру и соответственно малым объемам мемристоров также достигается значительный рост плотности памяти и скорости считывания, значительное уменьшение энергопотребления.
Предложена также память на УНТ, в которой используются их механические свойства. На рис 6.15 слева показана УНТ с металлической проводимостью, натянутая между двумя механическими "опорами" из диэлектрика ($$SiO_2$$).
(рис 6.15) Слева – структура ячейки памяти на УНТ с металлической проводимостью. Справа – зависимость энергии связи от расстояния между УНТ и нижним электродом: 1 – энергия упругой деформации; 2 – энергия молекулярного притяжения; 3 – суммарная энергия
Между этими опорами в кремнии ($$Si$$) сформированы каналы проводимости из углерода (графита), перпендикулярные к плоскости рисунка. Начальное расстояние между УНТ и поверхностью проводника из углерода обозначено через $$h_0$$. Когда УНТ прогибается, то энергия ее упругой деформации по закону Гука пропорциональна квадрату стрелы прогиба, т.е. $$(h_0-h)^2$$, где $$h$$ – расстояние между прогнутой УНТ и поверхностью проводника из углерода. График зависимости энергии деформации от $$h$$ показан на рис 6.15 справа кривой 1. Между УНТ и проводником из углерода действуют силы молекулярного взаимодействия (силы Ван дер Ваальса). График зависимости энергии взаимодействия, обусловленной этими силами, от $$h$$ представлен на рис 6.15 справа кривой 2. На очень малых расстояниях преобладает отталкивание, и энергия становится положительной, на бoльших расстояниях преобладает притяжение, и потому энергия связи отрицательна.
Кривая 3 – это результат сложения графиков 1 и 2. Она соответствует суммарной энергии связи с учетом как сил молекулярного притяжения, так и сил упругой деформации. Видно, что кривая 3 имеет два минимума. Это означает, что при отсутствии внешних сил УНТ имеет два положения устойчивого равновесия, которые соответствуют этим минимумам. Исследования показали, что при комнатной температуре оба эти положения являются достаточно стабильными. И поэтому на таких нанотрубках можно построить память. Структура одного из реализованных вариантов такой памяти показана на рис 6.16.
(рис 6.16) Один из вариантов памяти на УНТ с металлической проводимостью
На пластине кремния с оксидным слоем сформирована система углеродных проводящих шин шириной 20 нм и механических опор из диэлектрика шириной 30 нм. Толщина их на 2 нм больше толщины углеродных шин. Перпендикулярно к опорам на их поверхности размещены углеродные нанотрубки с металлической проводимостью (УНТ). Над ними сформированы золотые электроды. Следующие слои над ними на рисунке не показаны, но они есть, и в них сформирована система межсоединений, необходимая для организации блока памяти. При периоде размещения золотых электродов 40 нм площадь ячейки памяти составляла 50 х 40 = 2000 нм2, что соответствует плотности памяти 50 Гбит/см2. Одной УНТ длиной 20 мкм хватало для перекрывания 400 ячеек памяти. В каждой ячейке использовалось одновременно 5-8 параллельно проложенных УНТ.
Считывание информации из такой памяти основано на том, что переходное электрическое сопротивление между УНТ и углеродной шиной (речь идет о протекании тока за счет туннельных переходов электронов) экспоненциально зависит от расстояния между ними и в двух указанных выше стабильных положениях отличается на несколько порядков величины. Для записи информации на электроды ячейки кратковременно подают разноименные или одноименные электрические заряды, благодаря чему УНТ притягивается или отталкивается от углеродной шины.
Время перехода из одного стабильного положения в другое не превышало 10 пс, что потенциально позволяет проводить запись информации с частотой до 100 ГГц. Имеется резерв и для дальнейшего улучшения параметров. Если, например, расстояние между опорами уменьшить до 5 нм, то плотность памяти может быть свыше 1000 Гбит/см2, а частота считывания – свыше 200 ГГц.
Структура другого варианта памяти на "провисающих" УНТ показана на рис 6.17.
(рис 6.17) Другой вариант памяти на УНТ с металлической проводимостью
Нижние электроды матрицы памяти здесь тоже выполнены в виде УНТ с металлической проводимостью. В такой конструкции потенциально можно достичь еще более высокого уровня плотности памяти. Но для этого требуется и более высокий уровень технологии изготовления.
Совсем другие варианты электромеханической памяти основаны на использовании заполненных УНТ. Одним из таких вариантов является УНТ, внутри которой находится металлофуллерен. Схема такой супрамолекулярной структуры показана на рис 6.18.
(рис 6.18)
Ось OZ направлена вдоль оси УНТ, расстояние от центра УНТ до центра ее "шапки" обозначено через L. На рис 6.19 показан результат квантово-механического расчета энергии связи в такой супрамолекулярной структуре в зависимости от положения металлофуллерена внутри УНТ. Видно, что при пребывании металлофуллерена возле каждой из "крышек" УНТ энергия системы имеет довольно глубокие минимумы. Это связано с тем, что металлофуллерен здесь существенно взаимодействует не только с атомами боковых стенок УНТ, но и с атомами ее "крышки", и поэтому удерживается здесь значительно большими силами.
(рис 6.19)
Глубина минимума по сравнению с энергией в центре УНТ составляет около 2,1 эВ. Если использовать более длинную УНТ, УНТ с другой "хиральностью", а вместо металлофуллерена $$K_3@C_{60}$$ взять один из металлофуллеренов $$M@C_{60}$$, $$M@C_{80}$$ или $$M@C_{100}$$ ($$M$$ – атом металла), то количественно результаты будут отличаться. Но качественно характер кривой зависимости энергии от положения металлофуллерена оказывается таким же.
Одно из устойчивых крайних положений металлофуллерена внутри УНТ можно принять за логический "0", а противоположное – за логическую "1". Для считывания информации из такой ячейки можно воспользоваться тем, что ВАХ нанотрубки при наличии возле одного из ее концов металлофуллерена становится асимметричной. Поэтому при фиксированном приложенном напряжении электрический ток через ячейку будет разным в состояниях "0" и "1", отличаясь при малом напряжении на порядок величины. Можно воспользоваться также тем, что электрический потенциал вблизи крышки УНТ для состояний "0" и "1" различный. Разницу в десятки милливольт тоже нетрудно зафиксировать. Для записи новой информации в ячейку на крышки УНТ подают импульс электрического напряжения того или иного знака. При величине порядка 2-3 В она должна быть достаточна для преодоления "потенциального барьера" внутри нанотрубки.
Динамика перемещения металлофуллерена из одного устойчивого состояния в другое под действием такого импульса напряжения показана на рис 6.20. Вдоль горизонтали здесь отложены время в пикосекундах, вдоль вертикали – положение металлофуллерена на оси OZ. Видно, что переход в другое положение происходит приблизительно за 4 пс, но для успокоения колебательного движения импульс напряжения должен длиться приблизительно 10 пс. А следующее переключение допускается проводить лишь через 16-20 пс. Т.е. частота перезаписи информации может быть порядка 50 ГГц. Затраты энергии на переключение составляют 5-10 эВ, т.е. очень малы.
(рис 6.20) Динамика перемещения металлофуллерена из одного устойчивого положения в другое под действием импульса напряжения
Было показано, что подобно металлофуллерену ведут себя внутри ВНТ также и наночастицы металлов, размеры которых позволяют им находиться внутри нанотрубки. При этом высота потенциального барьера, который надо одолеть для перехода в другое устойчивое положение, значительно возрастает и составляет много десятков электрон-вольт. Поэтому память на таких ячейках чрезвычайно долговечна и по теоретическим оценкам составляет миллиарды лет. Такой долговечности не достигает ни один из других наноэлектронных видов памяти.
Молекулярно тонкие, упругие, прочные на сжатие и на излом УНТ как можно лучше подходят на роль зонда для сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Ведь они значительно "острее" чем даже острейшие зонды, сформированные с помощью микроэлектронных и наноэлектронных технологий. Радиус закругления острия УНТ может быть меньше 0,5 нм. Применение УНТ на конце зонда позволило заметно повысить разрешающую способность сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Будучи относительно длинными, УНТ позволяют зондировать даже глубокие узкие трещины.
УНТ с металлической проводимостью успешно используют также в качестве наноэлектродов. Прикладывая к такому электроду небольшое электрическое напряжение, его можно использовать как нанопинцет: с его помощью притягивать, "подхватывать" и переносить в заданное место отдельные молекулы и даже атомы.
В сканирующих силовых микроскопах используют также возможность "функционализации" УНТ. В этом случае к острию УНТ нанозонда присоединяют химически специфическую молекулу, обладающую свойством молекулярного распознавания и поэтому позволяющую реализовать растровую "химическую" микроскопию. Зонд на исследуемой поверхности обнаруживает в первую очередь химически родственные атомы или молекулы, и на мониторе возникает многократно увеличенное изображение объекта с "химическим контрастом".
"Функционализированный" зонд позволяет сравнивать и количественно измерять силу взаимодействия молекулы, присоединенной к его острию, с другими молекулами или атомами на исследуемой поверхности. Такой зонд может "отыскать", например, на молекуле ДНК звено, комплементарное к присоединенному к его острию олигомеру.
Если к острию УНТ нанозонда присоединить группу "$$H–C–$$", то острием такого зонда становится протон с радиусом закругления порядка 1фм (10-15 м). А это дает уникальную возможность "ощущать" и досконально изучать пространственную структуру и силовые поля отдельных атомов и молекул.
Функционализация УНТ позволяет превратить построенные на них резисторы и транзисторы в чувствительные наносенсоры. Принципиальная схема одного из таких сенсоров показана на рис 6.21.
(рис 6.21) Принципиальная схема наносенсора на основе функционализированного полевого УНТ транзистора
Здесь поверх полупроводниковой УНТ, которая служит каналом полевого транзистора, нанесен промежуточный мономолекулярный слой. Он выполняет роль диэлектрика и одновременно создает благоприятные условия для осаждения (иммобилизации) на поверхность УНТ молекул лиганда, избирательно чувствительных к заданному аналиту. Если в среде над чувствительным участком сенсора появляются частицы аналита, то некоторые из них присоединяются к иммобилизованным молекулам лиганда. В результате этого зарядовое состояние последних изменяется, что заметно влияет на электрический ток сквозь УНТ. И чем выше концентрация частиц аналита в окружающей среде, тем большее их число присоединяется к молекулам лиганда, и тем более заметны изменения тока стока транзистора.
Такой сенсор был использован, например, для выявления взрывчатых веществ, в частности, нитро-ароматических соединений, входящих в состав тринитротолуола. Лигандом, специфически чувствительным к таким соединениям, были белковые фрагменты, выделенные из пчелиного яда. Сенсор "реагировал" на появление в окружающей среде даже одной молекулы тринитротолуола и оказался намного эффективнее всех других сенсоров, используемых для выявления взрывчатки в аэропортах.
Еще один пример – сенсор на УНТ для диагностики рака молочной железы. В этом случае для функционализации УНТ использовали антитела, специфические к нанорецепторам, обычно присутствующим на поверхности раковых клеток. На рис 6.22 показано изображение УНТ с иммобилизованными антителами, полученное с помощью атомного силового микроскопа. Диаметр УНТ здесь порядка 10 нм. При контакте с раствором, в котором имеются живые раковые клетки, антитела связываются с ними, из-за чего электрический ток сквозь УНТ заметно уменьшается. Это позволило диагностировать рак молочной железы или рак кожи еще на ранних стадиях.
(рис 6.22) Изображение антител, иммобилизованных на УНТ транзистора, полученное в атомном силовом микроскопе
Предложено также использовать функционализированные таким образом УНТ как контейнеры для адресной доставки противоракового лекарства в раковые клетки. С этой целью действующее вещество вводят в полость УНТ. Циркулируя в организме человека, такая УНТ, встретив живую раковую клетку, специфически связывается благодаря антителу с соответствующими нанорецепторами на ее поверхности. И тогда действующее вещество начинает постепенно диффундировать из открытой УНТ в раковую клетку, нарушая ее метаболизм и таким образом уничтожая.
для примера приведены передаточные характеристики такого фоточувствительного полевого транзистора на УНТ с длиной канала 100 нм при напряжении 0,4 В между истоком и стоком. Вдоль горизонтали отложен потенциал затвора (относительно истока), вдоль вертикали – электрический ток стока. Кривая 1 показывает зависимость тока сквозь УНТ от потенциала на затворе до нанесения фоточувствительной полимерной пленки. Кривая 2 – это контрольная зависимость при освещении полевого транзистора внешним светом. Кривая 3 – это "темновая" зависимость тока сквозь УНТ от потенциала на затворе после нанесения фоточувствительной полимерной пленки толщиной около 5 нм.
(рис 6.23) Зависимости электрического тока сквозь УНТ полевого транзистора от потенциала затвора: 1 и 2 – УНТ не покрыта; 3 и 4 – УНТ покрыта пленкой фоточувствительного полимера; 1 и 3 – "темновые" зависимости; 2 и 4 – при освещении
Относительно кривой 1 наблюдается сдвиг приблизительно на 1,2 В вдоль горизонтальной оси. Кривая 4 – это передаточная характеристика того же полевого транзистора при освещении (длина волны 457 нм, интенсивность 60 мкВт/мм2). Видно, что при освещении транзистор полностью открывается. При потенциале затвора 2 В фототок составляет приблизительно 10-6 А при темновом токе около 10-10 А, т.е. наблюдается рост на 4 порядка величины. Такие транзисторы могут применяться как очень малые и вместе с тем чувствительные фотодетекторы.
Интересно, что, если перед нанесением фоточувствительной полимерной пленки нанести на УНТ тонкий (2-3 нм) слой окисла, в котором имеются глубокие ловушки электронов, то полевой транзистор начинает действовать как фотодетектор с памятью. Открытый транзистор остается открытым и после выключения света, и после выключения питания. В принципе это позволяет построить большие интегральные фоточувствительные матрицы с энергонезависимой памятью – аналог фотопластинки, но с нанометровой разрешающей способностью и с возможностью восстановления.
Упругие свойства УНТ использовали для создания суперчувствительных весов. Функциональная схема таких весов показана на рис 6.24. Один конец УНТ жестко закреплен на электроде Эл1, другой конец – свободен. Возле него формируют второй электрод Эл2. Если на этот электрод подать переменное напряжение с частотой, близкой к частоте собственных упругих колебаний УНТ, то возбуждаются электромеханические колебания, и сквозь УНТ течет переменный электрический ток с частотой этих колебаний $$f$$.
(рис 6.24) Функциональная схема суперчувствительных весов на УНТ
Напряжение на последовательно включенном резисторе $$R$$ усиливается в блоке У, а в блоке ИЧ измеряется частота. На зависимости амплитуды тока от частоты наблюдается ярко выраженный резонанс на частоте $$f_0$$ собственных механических колебаний УНТ.
Если выключить источник переменного напряжения и осадить на УНТ наночастицу, то суммарная масса изменится. И при включении источника переменного напряжения резонанс будет наступать уже на несколько меньшей частоте $$f_1$$. Разность $$\Delta f=f_0-f_1$$, которую можно измерять с высокой точностью, пропорциональна добавленной массе.
Подобные нановесы были изготовлены, например, в Berkeley National Laboratory (США). В них использовалась УНТ диаметром около 2 нм и длиной 254 нм. Нановесы работали в высоком вакууме. Для оценки их чувствительности использовали термическое напыление на УНТ отдельных атомов золота. Эксперименты подтвердили чувствительность таких весов $$1,3\cdot 10^{-25}$$ кг/Гц или $$0,4M_{Au}/\text{Гц}$$, где $$M_{Au}$$ – масса одного атома золота. Предыдущий рекорд чувствительности, достигнутый в микровесах на кремниевом нанокантилевере, был перекрыт сразу на несколько порядков. Такие нановесы позволяют надежно "взвешивать" отдельные биологические молекулы.
Опишем еще одно интересное применение УНТ в сенсорике. Здесь используются малые размеры УНТ и связанная с этим их повышенная способность к холодной эмиссии электронов, о чем шла речь в предыдущей лекции. Это позволило создать миниатюрный аппарат для рентгеновских исследований, функциональная схема которого показана на рис 6.25. На электроде Эл выращен массив УНТ, ориентированных перпендикулярно к его поверхности. На расстоянии порядка 2 мм расположен металлический сетчатый анод.
(рис 6.25) Функциональная схема миниатюрного рентгеновского аппарата
Когда между анодом и катодом Эл приложено высокое напряжение, из шапок УНТ начинается холодная эмиссия электронов. Ускоряясь в электрическом поле анода до энергии порядка 1 кэВ, электроны проходят сквозь сетку и бомбардируют медный антикатод, расположенный на расстоянии порядка 2 мм от сетки. Пучок рентгеновских лучей от антикатода, ограниченный регулируемой апертурной диафрагмой, делают узким, чтобы минимизировать облучение соседних тканей.
Проходя сквозь объект исследования, рентгеновский пучок попадает на миниатюрную рентгеновскую видеокамеру, сигналы от которой позволяют формировать увеличенное изображение на мониторе компьютера. Благодаря малым размерам (порядка 10 мм) источника рентгеновских лучей, обведенного на рисунке штриховой линией, мощность, потребляемая при исследовании, в этом случае совсем невелика (порядка 1 Вт). Практически отсутствует нагрев антикатода и значительно уменьшается доза рентгеновского облучения при исследованиях, например, кисти руки, стопы ноги или челюстей человека.
Способность УНТ к холодной эмиссии электронов с успехом используют в информатике также и для построения новых, более эффективных устройств отображения информации.
Структура типичного пикселя цветного плоского монитора на основе холодных катодов с УНТ показана на рис 6.26. На подложке 1 сформированы металлические катодные электроды 2, на которых вертикально выращены УНТ 3 с металлической проводимостью, специально легированные для уменьшения работы выхода электронов. Дальше нанесен толстый слой диэлектрика, в котором вытравлены "окна" к УНТ катодам, а сверху сформированы электроды-модуляторы 5. Между ними сформированы металлические экраны 6, предотвращающие попадание эмиттированных электронов в соседние ячейки. Сверху устанавливают стеклянную пластину 7, на внутренней поверхности которой сформирован прозрачный электропроводящий слой 8 (обычно окисел иридия-олова). На него нанесены катодолюминесцентные "мишени", которые при бомбардировке быстрыми электронами светятся красным (мишень 9), желто-зеленым (мишень 10) и синим (мишень 11) цветом.
(рис 6.26) Структура одного "пикселя" цветного плоского монитора на основе УНТ: 1 – подложка; 2 – катодные электроды; 3 – УНТ (холодные катоды); 4 – изолятор; 5 – электроды-модуляторы; 6 – экранирующие электроды; 7 – стеклянная пластина; 8 – прозрачный электропроводящий слой; 9 – красный, 10 – желто-зеленый, 11 – синий люминофоры; 12 – распорки
Периодически расположенные распорки 12 обеспечивают заданное расстояние между катодами 3 и анодом 8 (до 1 мм). Между пластинами 1 и 7 создается вакуум и внутреннее пространство тщательно герметизируют. Это необходимо потому, что атомы газа, если они присутствуют в этом пространстве, при бомбардировке электронами ионизируются, положительно заряженные ионы ускоряются и бомбардируют холодные катоды, что приводит к их постепенному разрушению. Для долговременного поддержания вакуума внутри монитора оставляют также специальные геттеры, поглощающие одиночные атомы газов, которые таки "умудряются" иногда проникнуть внутрь.
Во время работы на катодные электроды 2 и УНТ подают отрицательное напряжение до 50-200 В относительно анода 6. Начинается холодная эмиссия электронов с УНТ. Электроны ускоряются электрическим полем и летят к аноду 6. Электронные "лучи" условно показаны на рисунке штриховыми линиями. Попадая на соответствующий слой люминофора (9-11), они вызывают излучение соответствующего света (красного, желто-зеленого, синего). Для управления интенсивностью излучения используют электроды-модуляторы 5. Размещенные очень близко (~1 мкм) к холодным катодам, они довольно сильно влияют на величину тока электронной эмиссии уже при напряжениях порядка 1-10 В. Напряжение на электродах-модуляторах 5 задается согласно поданному видеосигналу соответствующими транзисторами с плавающим затвором, которые на рисунке не показаны. Сформированное изображение наблюдается со стороны стеклянной пластины 7. Световое излучение красного, желто-зеленого, синего люминофоров в совокупности определяет тот или другой цвет и яркость соответствующего пикселя.
Размеры пикселей могут быть довольно малыми – до 10 х 10 мкм, что обеспечивает разрешающую способность до 100 линий/мм. Возможная скорость изменения изображения определяется лишь электронными схемами распределения сигналов. Показано, что на мониторах с УНТ можно эффективно воссоздавать очень динамичные эпизоды, которые даже не способен воспринимать человеческий глаз.
УНТ с металлической проводимостью помогают также удешевить сенсорные экраны. Такие экраны (рис 6.27) отличаются тем, что в них над площадкой, на которой формируется изображение, наносят матрицу из прозрачных электродов.
(рис 6.27) Сенсорный экран
Притрагиваясь к тому или другому элементу изображения мы изменяем электропроводность или электрическую емкость между соответствующими электродами, благодаря чему компьютер "понимает" поданную нами команду. Уже найдены такие смеси УНТ с электропроводящими полимерами, которые успешно сочетают достаточно высокую электропроводность, прозрачность во всем видимом диапазоне, износоустойчивость и долговечность с относительно небольшой ценой изготовления.
УНТ и фуллерены стали основой для многих новых перспективных направлений в материаловедении, в нанотехнологиях, в прикладной химии, в медицине, а также в информатике.
С использованием полупроводниковых УНТ реализовано много разных вариантов полевого транзистора как с металлическим или поликремниевым затвором, так и с затвором в виде другой УНТ с металлической проводимостью. Как регулируемый канал проводимости полупроводниковая УНТ имеет то преимущество перед каналами проводимости в полупроводниках, что подвижность носителей электрического заряда в нанотрубках значительно выше, а длину канала можно уменьшать вплоть до молекулярных масштабов. Ширина запрещенной зоны энергий в полупроводниковых УНТ зависит от их диаметра: чем меньше диаметр УНТ, тем больше ширина запрещенной зоны.
На полевых транзисторах с УНТ по известным принципам можно строить и усилители слабых сигналов, и логические элементы, и триггеры, и генераторы импульсов, и тактовые генераторы с диапазоном рабочих частот в сотни гигагерц. Поскольку УНТ достаточно длинны, то над одной нанотрубкой можно сформировать несколько затворов, что позволяет просто реализовать логические вентили "И" (конъюнкция) и "ИЛИ" (дизъюнкция). Используя для изготовления затворов одного транзистора палладий, а другого – алюминий, удается на одной нанотрубке построить инвертор, являющийся аналогом КМДП инвертора, и соответственно реализовать комплементарную логику.
Показано, что можно выращивать УНТ, разветвленные в форме буквы "Y". Они являются аналогом полупроводниковых гетероструктур и представляют собой почти готовый "молекулярный транзистор". Роль затвора выполняет "ствол" трубки, роли истока и стока – концы разветвлений УНТ.
УНТ большого диаметра с металлической проводимостью в сильном магнитном поле, направленном вдоль оси УНТ, по законам квантовой механики могут становиться полупроводниковыми. На этом принципе могут работать наноразмерные датчики сильных магнитных полей.
На УНТ с металлической проводимостью можно построить наноразмерные аналоги электромеханических реле. А на них можно строить логические схемы по правилам призабытой "релейной" логики, теперь уже в наноразмерах и с задержками порядка нескольких пикосекунд на переключение.
С применением УНТ можно построить много разных вариантов памяти. Во-первых, это – аналоги флеш-памяти на полевых транзисторах с плавающим затвором, на полевых транзисторах с зарядовыми ловушками, на элементах с изменением фазового состояния. Такие варианты, обеспечивают на порядки большее число переключений, чем в ныне выпускаемой памяти, меньшую потребляемую мощность, более высокое быстродействие, а, главное, допускают масштабирование вплоть до молекулярных размеров.
Во-вторых, это варианты, в которых используются механические свойства УНТ. В частности, УНТ с металлической проводимостью, лежащая на двух механических опорах из диэлектрика, может находиться в одном из двух устойчивых состояний, которые различаются за электропроводностью. Если расстояние между опорами уменьшить до 5 нм, то плотность памяти может быть свыше 1000 Гбит/см2, а частота считывания – свыше 200 ГГц. Другой вариант основан на использовании УНТ, внутри которой размещается металлофуллерен. Последний может находиться внутри УНТ в двух устойчивых положениях. Переход в другое положение происходит приблизительно за 4 пс. Частота перезаписи информации может быть порядка 50 ГГц. Затраты энергии на переключение составляют 5-10 эВ.
Молекулярно тонкие, упругие, прочные на сжатие и на излом УНТ как можно лучше подходят на роль зонда для сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Они значительно "острее" даже самых острых зондов, сформированных с помощью микроэлектронных и наноэлектронных технологий. Радиус закругления острия УНТ может быть меньше 0,5 нм. Применение УНТ на конце зонда позволило заметно повысить разрешающую способность указанных сканирующих микроскопов. Будучи относительно длинными, УНТ позволяют зондировать даже глубокие узкие трещины. Присоединив к концу УНТ нанозонда химически избирательную молекулу, реализуют "химическую" растровую микроскопию. Зонд на исследуемой поверхности обнаруживает, в первую очередь, химически родственные атомы или молекулы, и на мониторе возникает многократно увеличенное изображение объекта с "химическим контрастом". Такой зонд позволяет сравнивать и количественно измерять силу взаимодействия молекулы, присоединенной к его острию, с другими молекулами или атомами на исследуемой поверхности. С его помощью можно автоматически "отыскать", например, на молекуле ДНК звено, комплементарное к олигомеру, присоединенному к УНТ.
УНТ с металлической проводимостью с успехом используют также в качестве наноэлектродов и нанопинцетов. Прикладывая к УНТ небольшое электрическое напряжение, ею можно притягивать, "подхватывать" и переносить в заданное место отдельные молекулы и даже атомы.
Если на полупроводниковую УНТ, являющуюся каналом полевого транзистора, иммобилизовать молекулу (лиганд), избирательно чувствительную к заданному аналиту, то получим химически чувствительный полевой транзистор с нанорамерами. Если в среде над чувствительным участком такого сенсора появляются частицы аналита, то некоторые из них присоединяются к иммобилизованным молекулам лиганда. Их зарядовое состояние изменяется, что заметно изменяет электрический ток сквозь УНТ.
Упругие свойства УНТ уже использовали для создания суперчувствительных весов. Такие весы, построенные на УНТ диаметром около 2 нм и длиной 254 нм, работая в высоком вакууме, показали чувствительность 1,3*10-25 кг/Гц. Нановесы позволяют надежно "взвешивать" отдельные биологические молекулы.
Повышенная способность УНТ к холодной эмиссии электронов позволила создать миниатюрный аппарат для рентгеновских исследований. Малые размеры (порядка 10 мм) и потребляемая мощность (порядка 1 Вт) обеспечивают значительное уменьшение дозы рентгеновского облучения и возможность широкого использования аппарата при исследованиях, например, кисти руки, стопы ноги или челюстей человека.
На основе холодных катодов с УНТ можно построить цветной плоский монитор с разрешающей способностью до 100 линий/мм, на котором можно воссоздавать даже очень динамичные эпизоды, которые не способен воспринимать человеческий глаз.
УНТ с металлической проводимостью в смеси с электропроводящими полимерами успешно сочетают в себе достаточно высокую электропроводность, прозрачность во всем видимом диапазоне, износоустойчивость и долговечность с относительно небольшой ценой, что позволило существенно удешевить сенсорные экраны.
Как мы уже отмечали, УНТ и фуллерены стали основой для многих новых перспективных направлений в материаловедении, в нанотехнологиях, в прикладной химии, в медицине и т.д. В данной лекции мы рассмотрим основные направления их применения в информатике.
Рассмотрим сначала полевые транзисторы на основе УНТ. На рис 6.1 показаны две из многих возможных структур таких транзисторов.
(рис 6.1) Структура полевых транзисторов на УНТ: слева – с металлическим затвором; справа – с затвором из поликристаллического кремния
В обоих случаях полупроводниковая УНТ размещена в зазоре между металлическими электродами истока и стока, образуя после отжига надежные электрические контакты с ними. В первой конструкции (слева) электрод затвора тоже формируется из металла после нанесения на нанотрубку тонкого слоя диэлектрика. Во второй конструкции (справа) электрод затвора формируют из поликристаллического кремния в "карманах" пластины из монокристаллического кремния. Вариантом первой конструкции является замена металлического электрода затвора нанотрубкой с металлической проводимостью, ортогональной к полупроводниковой УНТ. С использованием такого затвора уже в 2008 г. удалось построить транзистор с рекордно малой длиной канала (9 нм). . Слева показана зонная диаграмма в закрытом состоянии транзистора, когда сквозь него течет наименьший ток. Это имеет место при таком напряжении $$U_{\text{ЗАКР}}$$ на затворе, при котором уровень Ферми металлического электрода истока размещен на уровне середины запрещенной зоны полупроводниковой УНТ.
(рис 6.2)
Напомним, что HOMO – это полностью заполненная электронами $$\pi$$-МО, а LUMO – ближайшая свободная $$\pi$$-МО (не заполненная электронами). При указанном напряжении электрический заряд сквозь нанотрубку могут переносить лишь редкие электроны, которые благодаря хаотическому тепловому движению приобретают энергию, достаточную для того, чтобы преодолеть потенциальный барьер $$\Delta E/2$$ и перейти из металла на LUMO. Поскольку при комнатной температуре таких электронов очень мало, то и электрический ток сквозь транзистор очень мал.
Если на затвор подать более низкое напряжение $$U_{\text{З}} = U_{\text{ЗАКР}} – \Delta E/2$$, то энергетические уровни электронов на молекулярных орбиталях УНТ поднимаются на величину $$\Delta E/2$$, и уровень Ферми металлических электродов сравнивается с верхним краем HOMO. Это показано на рис 6.2 в центре. Электроны с HOMO под действием приложенного электрического поля между истоком и стоком получают возможность свободно переходить в электрод истока, оставляя в заполненной HOMO свободные места – "дырки". Эти дырки под действием того же электрического поля движутся в направлении к стоку. Когда они достигают контакта со стоком, на их место переходят электроны из металла. Такой "открытый" транзистор хорошо проводит электрический ток, имеющий "дырочный характер", а нанотрубка становится каналом проводимости $$p$$-типа.
Если на затвор подать более высокое напряжение $$U_{\text{З}} = U_{\text{ЗАКР}} + \Delta E/2$$, то энергетические уровни электронов на молекулярных орбиталях УНТ опускаются на величину $$\Delta E/2$$, и уровень Ферми металлических электродов сравнивается с нижним краем LUMO. Это показано на рис 6.2 справа. Электроны из электрода стока могут свободно переходить на LUMO, двигаться по ней вдоль УНТ к истоку и там свободно переходить в электрод истока. При этом транзистор тоже открыт, электрический ток имеет "электронный" характер, а нанотрубка становится каналом проводимости $$n$$-типа.
Как регулируемый канал проводимости полупроводниковая УНТ имеет то преимущество перед каналами проводимости в полупроводниках, что подвижность носителей электрического заряда в нанотрубках значительно выше, чем в кремнии, арсениде галлия и в других классических полупроводниках, и размеры канала можно уменьшать вплоть до молекулярных масштабов.
Типичный пример вольтамперных характеристик полевых транзисторов на основе УНТ показан на рис 6.3.
(рис 6.3)
Слева показано семейство ВАХ при разном отрицательном напряжении $$U_{\text{З}}$$ между затвором и истоком. Вдоль горизонтали отложено напряжение между истоком и стоком, вдоль вертикали – электрический ток сквозь транзистор. Справа показана передаточная характеристика – зависимость электрического тока сквозь транзистор от напряжения на затворе при фиксированном напряжении между истоком и стоком ($$U = 0,6$$ В). Вертикальная шкала здесь логарифмическая. Видно, что ток сквозь транзистор в закрытом состоянии ($$U_{\text{ЗАКР}}\approx 0,3$$ В) меньше, чем 10 пА, а в открытом состоянии ($$U_{\text{ОТКР}}\approx -1,2$$ В) может быть больше на 5 порядков величины. Наибольшая крутизна наблюдается при значениях $$U_{\text{З}}$$ от –0,3 до +0,1 В. Здесь ток возрастает вдесятеро при снижении напряжения на затворе на 100 мВ.
Однако учтите, что ширина запрещенной зоны полупроводниковой УНТ, а следовательно, и конкретные параметры транзистора на УНТ зависят от ее диаметра (рис 6.4).
(рис 6.4) Зависимость ширины запрещенной зоны полупроводниковых УНТ от их диаметра D
Вдоль горизонтали здесь отложена обратная величина к диаметру нанотрубки, заданному в нанометрах, вдоль вертикали – ширина запрещенной зоны в электрон-вольтах. Чем меньше диаметр УНТ, тем больше ширина запрещенной зоны энергий.
В транзисторах с использованием тонких нанотрубок ($$\leq 1,2$$ нм) и подзатворного диэлектрика с высокой диэлектрической постоянной ($$HfO_2$$) удалось достичь еще большей крутизны передаточной характеристики – возрастания тока вдесятеро при снижении напряжения лишь на 60 мВ.
), и генераторы импульсов, и тактовые генераторы с диапазоном рабочих частот до сотен гигагерц.
(рис 6.5)
Фактический частотный диапазон существенно зависит от характеристик не только транзистора, но и всех других компонентов схемы, особенно от величины паразитных емкостей.
Поскольку УНТ, как правило, достаточно длинны, то в качестве резистора в схеме на рис 6.5 можно использовать продолжение той же самой углеродной нанотрубки, из которой сформирован канал транзистора, но без затвора. Кроме того, над одной нанотрубкой можно сформировать несколько затворов, что позволяет просто реализовать логические вентили "И" (конъюнкция) и "ИЛИ" (дизъюнкция). Варианты двух таких логических схем показаны на рис 6.6.
(рис 6.6) Принципиальные электрические схемы логических элементов на УНТ полевых транзисторах: слева – схема конъюнкции на УНТ с тремя затворами; справа – схема дизъюнкции
Как и в схеме триггера, в качестве резистора $$R$$ здесь может быть использовано продолжение полупроводниковой УНТ, но без затвора.
Ширина запрещенной зоны большинства УНТ не превышает 1 эВ. Оказалось, что это позволяет эффективно использовать различие в работе выхода электронов из разных металлов. Ведь от этого параметра зависит значение напряжения закрывания транзистора $$U_{\text{ЗАКР}}$$. Используя для изготовления затвора одного транзистора палладий, а другого – алюминий, удалось на одной нанотрубке построить инвертор, являющийся аналогом КМДП инвертора.
(рис 6.7) Слева – структура инвертора на комплементарных УНТ транзисторах; в центре – эквивалентная электрическая схема инвертора; справа – передаточная характеристика
Структура такого инвертора показана на рис 6.7 слева. На подложке из кремния 1, покрытого слоем окисла 2, формируют металлические электроды 3, 4 и 5, на которые сверху накладывают полупроводниковую УНТ 6. После нанесения тонкого слоя подзатворного диэлектрика 7 формируют затворы из палладия ($$Pd$$) и из алюминия ($$Аl$$). Потенциалы закрывания $$U_{\text{ЗАКР(1,2)}}$$ полевых транзисторов с такими затворами отличаются больше, чем на половину ширины запрещенной зоны нанотрубки. Поэтому при подключении по схеме, показанной на рис 6.7 в центре, наблюдается следующая картина.
Когда на вход инвертора подается отрицательное напряжение $$U_{\text{ВХ,0}}\approx -1$$ В, оно оказывается существенно ниже потенциала закрывания $$U_{\text{ЗАКР,1}}$$ транзистора с затворным электродом из палладия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится проводящей с проводимостью $$p$$-типа (ситуация, показанная на рис 6.2 в центре). В то же время входное напряжение $$U_{\text{ВХ,0}}\approx -1$$ В приблизительно равно потенциалу закрывания $$U_{\text{ЗАКР,2}}$$ транзистора, затворный электрод которого изготовлен из алюминия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится не проводящей, т.е. закрывается (ситуация, показанная на рис 6.2 слева). В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания $$+U$$.
Когда на вход инвертора подано положительное напряжение $$U_{\text{ВХ,1}}\approx +1$$ В, оно оказывается близким к потенциалу закрывания $$U_{\text{ЗАКР,1}}$$ транзистора с затворным электродом из палладия, и поэтому часть УНТ под этим электродом закрывается (ситуация, показанная на рис 6.2 слева). В то же время входное напряжение $$U_{\text{ВХ,1}}\approx 1$$ В существенно выше потенциала закрывания $$U_{\text{ЗАКР,2}}$$ транзистора с затворным электродом из алюминия, и поэтому часть УНТ под этим электродом становится электропроводящей с проводимостью $$n$$-типа (ситуация, показанная на рис 6.2 справа). В результате напряжение на выходе инвертора приближается к напряжению питания $$-U$$.
Зависимость выходного напряжения инвертора от напряжения на входе показана на рис 6.7 справа.
Инвертор на УНТ работает аналогично известному инвертору на КМДП транзисторах. В статическом режиме он практически не потребляет ток, поскольку один из транзисторов закрыт. Мощность потребляется лишь при переключениях и тратится на перезаряд паразитных емкостей, которые в молекулярных схемах могут быть достаточно малыми. От этого зависит и быстродействие логических схем, построенных на УНТ. По аналогии с КМДП логикой, логические схемы, построенные на описанном принципе, можно назвать "комплементарной УНТ логикой" (КУНТ логикой).
В некоторых работах показано, что можно специально выращивать полупроводниковые УНТ, разветвленные в форме буквы "Y". Для этого при химическом выращивании УНТ в реактор в определенный момент времени впрыскивают мельчайшие наночастицы железа, легированного титаном. Оседая на нанотрубку, такая наночастица становится катализатором роста дополнительной ветви, так что дальше растут уже две нанотрубки несколько меньшего диаметра (рис 6.8, слева).
(рис 6.8) Слева – изображение в атомном силовом микроскопе УНТ с Y-разветвлением; в центре – схема формирования электродов к такой УНТ; справа – условное изображение транзистора
Если к концам такой "Y-УНТ" присоединить электроды так, как показано на рис 6.8 в центре, то она работает как полевой транзистор, эквивалентная схема которого показана справа. Наночастица железа, оставшаяся в месте стыка "стебля" нанотрубки с ее "ветвями", пропускает электрический ток из одной ветви в другую лишь тогда, когда на "стебель", играющий здесь роль затвора, подается положительный потенциал. Когда же на "стебель" подается отрицательный потенциал, электрический ток в другую ветвь не проходит. Промежуточных значений тока зафиксировать не удалось, поскольку ток включался и выключался скачком. Т.е. "Y-УНТ" является вентилем электрического тока, максимально интегрированным уже при изготовлении.
УНТ с металлической проводимостью, как оказалось, тоже могут стать полупроводниковыми в достаточно сильном внешнем магнитном поле, направленном вдоль оси УНТ. Это – чисто квантовый эффект. При этом ширина запрещенной зоны УНТ зависит от величины магнитного потока сквозь ее отверстие. Такая зависимость показана на рис 6.9. Вдоль горизонтали здесь отложен магнитный поток сквозь поперечное сечение трубки в единицах кванта магнитного потока $$ \Phi_0=\frac{h}{2e}=2,07*10^{-15}\textit{ Вб}, $$ где $$h$$ и $$e$$ – соответственно постоянная Планка и заряд электрона. Магнитный поток сквозь поперечное сечение нанотрубки $$ \Phi=BS=B\cdot\frac{\pi D^2}{4}, $$ где $$B$$ – магнитная индукция, $$D$$ – диаметр нанотрубки, $$S$$ – площадь ее сечения. Значение $$\Phi=0,5\Phi_0$$ достигается при магнитной индукции $$ B=\frac{2\Phi_0}{\pi D^2}. $$
(рис 6.9) Зависимость ширины запрещенной зоны УНТ от магнитного потока сквозь ее поперечное сечение
Эта величина тем меньше, чем больше диаметр УНТ. При $$D$$ = 30 нм магнитный поток в половину кванта достигается при $$B$$ = 5,85 Т. Т.е. сопротивление резистора на УНТ или характеристики транзистора на УНТ можно существенно регулировать магнитным полем лишь в случае трубок большого диаметра. На этом принципе могут работать наноразмерные датчики сильных магнитных полей. Поведение же электронных схем на УНТ малых диаметров мало чувствительно к внешнему магнитному полю.
Интересным вариантом логических схем на основе УНТ является широко известная когда-то "релейная логика" с использованием теперь уже наноэлектромеханических реле. Изображение такого реле в растровом электронном микроскопе показано на рис 6.10. Ко входному электроду 1 "приварен" входной конец УНТ (2) с металлической проводимостью. С обеих сторон от УНТ расположены металлические управляющие электроды 3. Расстояние между ними порядка 1 мкм.
(рис 6.10) Изображение наноэлектромеханического реле в растровом электронном микроскопе: 1 – входной электрод; 2 – УНТ; 3 – управляющие электроды; 4, 5 – выходные электроды. Слева – реле в нейтральном положении, справа – реле замкнуто на электрод 4
Если электрического напряжения между электродами 3 нет, то УНТ 2 находится в нейтральном положении, и свободный ее конец не контактирует ни с одним из выходных электродов (4 и 5). Если же между управляющими электродами 3 приложить небольшое электрическое напряжение (1-2 В), то УНТ притягивается к "положительному" электроду, так как туда притягиваются все электроны общей молекулярной $$\pi$$-орбитали.
На рис 6.10 справа показан случай, когда положительное напряжение приложено к верхнему управляющему электроду. Свободный конец УНТ контачит с выходным электродом 4.
В нейтральном положении ток на выходе равен нулю, при замыкании через УНТ может протекать электрический ток порядка 1 мкА. Время переключения определяется лишь скоростью перезарядки паразитных емкостей и может быть порядка пикосекунд.
С использованием УНТ, как оказалось, можно построить много разных вариантов памяти. Начнем из аналогов современной флеш-памяти, описанной в лекции 6 курса "Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков". Устройство ее типичной ячейки показано на рис 6.11 слева. Основой ее является МДП транзистор с плавающим затвором, сформированный на пластине кремния 1; 2 – его исток, 3 – сток, 4 – "плавающий" затвор, 5 – изолятор, 6 – управляющий затвор.
(рис 6.11) Слева – конструкция элементарной ячейки современной флеш-памяти; справа – конструкция элементарной ячейки флеш-памяти на УНТ и кантилевере (объяснения в тексте)
Справа на рис 6.11 показана конструкция ячейки флеш-памяти на УНТ транзисторе и кантилевере. Основой ее тоже является полевой транзистор с истоком 2, стоком 3, полупроводниковой УНТ 7 и "плавающим" затвором 4. Электрический заряд на этот затвор подается через управляющий электрод 6 и металлический кантилевер 9 (сформированный, например, из $$Cr/Al/Cr$$). В нормальном состоянии кантилевер 9 не имеет электрического контакта с плавающим затвором 4. Но в промежуток времени, когда на управляющий электрод 8 подается положительное напряжение, кантилевер 9 под действием электростатических сил прогибается и контактирует с затвором 4. На последний "перетекает" при этом необходимый электрический заряд. Когда импульс напряжения на электроде 8 исчезает, кантилевер 9 размыкается, и электрический заряд на изолированном затворе 4 может сохраняться очень долго, в т.ч. и при отключенном напряжении питания.
Вместо кантилевера для выполнения той же функции может быть использовано и описанное выше наноэлектромеханическое реле на УНТ, изображенное на рис 6.10.
Можно указать следующие преимущества описанной ячейки памяти по сравнению с обычной флеш-памятью. Для записи и стирания информации не нужно доводить изолирующий слой до состояния контролируемого электрического пробоя. Поэтому этот слой не повреждается, и число циклов записи/перезаписи информации возрастает на порядки величины. Занесение и стекание электрического заряда с плавающего затвора происходит через металлический кантилевер, и поэтому запись/перезапись информации значительно ускоряются. Заряд, перетекающий на плавающий затвор, можно значительно точнее контролировать. А это позволяет запоминать в ячейках памяти не только логические "0" и "1", но и аналоговый сигнал со всеми промежуточными значениями от 0 до 1. Ток считывания из соответствующей ячейки будет почти пропорционален аналоговому сигналу. Это позволяет значительно сэкономить объем памяти во многих видео- и аудио- устройствах (видеокамерах, цифровых фотоаппаратах, диктофонах и т.п.), где требуется сохранять аналоговый сигнал.
Металлический кантилевер переключается электростатическими силами, практически без рассеяния тепла. Поэтому энергопотребление здесь намного меньше, чем в обычной флеш-памяти.
При исследованиях транзисторов с использованием тонких нанотрубок ($$\varnothing 1,2$$ нм) и подзатворного диэлектрика $$HfO_2$$ с высокой диэлектрической постоянной, структура которых показана на рис 6.12, неожиданно был выявлен гистерезис на зависимости тока сквозь транзистор от напряжения на затворе.
(рис 6.12)
После отжига таких транзисторов на воздухе при температуре 335 К гистерезис этот становился более заметным, а через 9 часов отжига стабилизировался. Результат показан на рис 6.13. При напряжении на затворе $$U_{\text{З}} = 0$$ транзистор может находиться в закрытом (точка A на характеристике, $$І$$ = 0,08 нА) или в открытом состоянии (точка B на характеристике, $$І$$ = 20 нА), – в зависимости от предыстории. Если транзистор находится в состоянии A, и напряжение на его затворе увеличить выше порогового значения (в данном случае приблизительно 2 В), а потом начать снижать, то ток возрастает в соответствии с веткой БВ на характеристике.
(рис 6.13)
При напряжении на затворе $$U_{\text{З}} = 0$$ транзистор теперь находится в открытом состоянии (точка B). Если и дальше снижать напряжение на затворе, то ток изменяется соответственно ветви ВГ. Если отрицательное напряжение на затворе превзойдет другое пороговое значение (в данном случае приблизительно –3 В), то при последующем увеличении этого напряжения ток уменьшается уже соответственно ветви ГА. И теперь при напряжении на затворе $$U_{\text{З}} = 0$$ транзистор находится уже снова в закрытом состоянии.
Можно условиться, что в случае A в транзистор записан логический "0", а в случае В – логическая "1". Процесс считывания очень прост: надо приложить небольшое напряжение между истоком и стоком и измерить протекающий ток. Для перевода транзистора в состояние логической "1" надо подать положительный импульс напряжения амплитудой свыше 2 В, а для перевода в состояние логического "0" надо подать импульс отрицательного напряжения амплитудой выше 3 В.
Такого же стойкого эффекта памяти, как при отжиге на воздухе, удается достичь и значительно быстрее, обрабатывая транзисторы в плазме кислорода в течение приблизительно 15 с. В обоих случаях (при отжиге на воздухе и при обработке в кислородной плазме) в тонком слое $$HfO_2$$ формируются глубокие ловушки для электронов с энергией активации 0,4-0,6 эВ.
Эффект памяти основан на том, что диаметр УНТ очень мал ($$\approx$$ 1 нм), и поэтому при напряжении на затворе уже в несколько вольт, вокруг нанотрубки возникает электрическое поле напряженностью порядка 1 В/нм = 109 В/м. При такой напряженности электроны относительно легко преодолевают тонкий (порядка нескольких нанометров) потенциальный барьер и туннельным путем переходят из УНТ в указанные глубокие ловушки или в обратном направлении – из них на УНТ. Когда же такое сильное электрическое поле отсутствует, то электроны могут находиться в ловушках весьма продолжительное время, выполняя в транзисторе роль заряженного "плавающего" затвора. Такой же эффект памяти был со временем выявлен и при использовании в качестве диэлектрика $$H\!f\!AlO_X$$ и некоторых других окислов.
Один описанный транзистор с тремя выводами (исток, сток и затвор) и является элементом новой флеш-памяти на УНТ. Благодаря незначительным нанометровым размерам УНТ, потенциальная плотность такой памяти оценивается величиной свыше 100 Гбит/см2. Возможная частота считывания – порядка 100 ГГц, приблизительно такова же частота записи/перезаписи. Рассеиваемая мощность при считывании информации составляет порядка 20 нА*0,5 В = 10 нВт, во время перезаписи – порядка 1 мкВт. Записанная информация сохраняется при отключенном питании на протяжении многих десятков суток. Такая память является очень перспективной.
УНТ позволяют значительно улучшить характеристики еще одного вида энергонезависимой памяти – т.н. "памяти на фазовых переходах" (англ. Phase-change memory, PCM, PRAM, PCRAM, Chalcogenide RAM или C-RAM). Как мы уже рассказывали в лекции 6 курса "Наноэлектронная элементная база информатики на основе полупроводников и ферромагнетиков"., запись, перезапись и хранение информации в такой памяти основаны на способности халькогенидного стекла обратимо изменять под действием импульсов электрического тока свое фазовое состояние из аморфного на кристаллическое и наоборот много раз. При изменении фазового состояния резко меняется и электрическое сопротивление ячейки памяти. Это и позволяет довольно просто считывать текущее состояние ячейки. Затраты энергии на перезапись и ее скорость напрямую зависят в такой памяти от объема стекла, в котором происходит фазовый переход. И этот объем удается значительно уменьшить, применив для подведения электрического тока УНТ малых диаметров. На рис 6.14 показана конструкция ячеек такой памяти на УНТ с металлической проводимостью. Островки халькогенидного стекла, размещенные в разрывах УНТ, имеют размер порядка 10 нм. Для их переключения из аморфного состояния в кристаллическое требуется импульс тока порядка 0,5 мкА при напряжении меньше 1 В. Энергия переключения составляет порядка 1 фДж = 10-15 Дж.
(рис 6.14) Слева – структура ячеек (4 шт.) фазовой памяти на УНТ с металлической проводимостью. Справа – схема ячейки фазовой памяти на транзисторе из полупроводниковой УНТ
В другом варианте используются полевые транзисторы с полупроводниковыми УНТ. Схема соответствующей ячейки фазовой памяти показана на рис 6.14 справа. Такой вариант удобней для организации матричной памяти большого объема с произвольным доступом.
По таким же схемам может быть реализована и т.н. "мемристорная" память с УНТ. Термин "мемристор" является производным от английского "memory resistor" (резистор с памятью). В нем используется способность диоксида титана изменять свое электрическое сопротивление на несколько порядков под действием электрического напряжения выше некоторого порога. В случае УНТ благодаря их малому диаметру и соответственно малым объемам мемристоров также достигается значительный рост плотности памяти и скорости считывания, значительное уменьшение энергопотребления.
Предложена также память на УНТ, в которой используются их механические свойства. На рис 6.15 слева показана УНТ с металлической проводимостью, натянутая между двумя механическими "опорами" из диэлектрика ($$SiO_2$$).
(рис 6.15) Слева – структура ячейки памяти на УНТ с металлической проводимостью. Справа – зависимость энергии связи от расстояния между УНТ и нижним электродом: 1 – энергия упругой деформации; 2 – энергия молекулярного притяжения; 3 – суммарная энергия
Между этими опорами в кремнии ($$Si$$) сформированы каналы проводимости из углерода (графита), перпендикулярные к плоскости рисунка. Начальное расстояние между УНТ и поверхностью проводника из углерода обозначено через $$h_0$$. Когда УНТ прогибается, то энергия ее упругой деформации по закону Гука пропорциональна квадрату стрелы прогиба, т.е. $$(h_0-h)^2$$, где $$h$$ – расстояние между прогнутой УНТ и поверхностью проводника из углерода. График зависимости энергии деформации от $$h$$ показан на рис 6.15 справа кривой 1. Между УНТ и проводником из углерода действуют силы молекулярного взаимодействия (силы Ван дер Ваальса). График зависимости энергии взаимодействия, обусловленной этими силами, от $$h$$ представлен на рис 6.15 справа кривой 2. На очень малых расстояниях преобладает отталкивание, и энергия становится положительной, на бoльших расстояниях преобладает притяжение, и потому энергия связи отрицательна.
Кривая 3 – это результат сложения графиков 1 и 2. Она соответствует суммарной энергии связи с учетом как сил молекулярного притяжения, так и сил упругой деформации. Видно, что кривая 3 имеет два минимума. Это означает, что при отсутствии внешних сил УНТ имеет два положения устойчивого равновесия, которые соответствуют этим минимумам. Исследования показали, что при комнатной температуре оба эти положения являются достаточно стабильными. И поэтому на таких нанотрубках можно построить память. Структура одного из реализованных вариантов такой памяти показана на рис 6.16.
(рис 6.16) Один из вариантов памяти на УНТ с металлической проводимостью
На пластине кремния с оксидным слоем сформирована система углеродных проводящих шин шириной 20 нм и механических опор из диэлектрика шириной 30 нм. Толщина их на 2 нм больше толщины углеродных шин. Перпендикулярно к опорам на их поверхности размещены углеродные нанотрубки с металлической проводимостью (УНТ). Над ними сформированы золотые электроды. Следующие слои над ними на рисунке не показаны, но они есть, и в них сформирована система межсоединений, необходимая для организации блока памяти. При периоде размещения золотых электродов 40 нм площадь ячейки памяти составляла 50 х 40 = 2000 нм2, что соответствует плотности памяти 50 Гбит/см2. Одной УНТ длиной 20 мкм хватало для перекрывания 400 ячеек памяти. В каждой ячейке использовалось одновременно 5-8 параллельно проложенных УНТ.
Считывание информации из такой памяти основано на том, что переходное электрическое сопротивление между УНТ и углеродной шиной (речь идет о протекании тока за счет туннельных переходов электронов) экспоненциально зависит от расстояния между ними и в двух указанных выше стабильных положениях отличается на несколько порядков величины. Для записи информации на электроды ячейки кратковременно подают разноименные или одноименные электрические заряды, благодаря чему УНТ притягивается или отталкивается от углеродной шины.
Время перехода из одного стабильного положения в другое не превышало 10 пс, что потенциально позволяет проводить запись информации с частотой до 100 ГГц. Имеется резерв и для дальнейшего улучшения параметров. Если, например, расстояние между опорами уменьшить до 5 нм, то плотность памяти может быть свыше 1000 Гбит/см2, а частота считывания – свыше 200 ГГц.
Структура другого варианта памяти на "провисающих" УНТ показана на рис 6.17.
(рис 6.17) Другой вариант памяти на УНТ с металлической проводимостью
Нижние электроды матрицы памяти здесь тоже выполнены в виде УНТ с металлической проводимостью. В такой конструкции потенциально можно достичь еще более высокого уровня плотности памяти. Но для этого требуется и более высокий уровень технологии изготовления.
Совсем другие варианты электромеханической памяти основаны на использовании заполненных УНТ. Одним из таких вариантов является УНТ, внутри которой находится металлофуллерен. Схема такой супрамолекулярной структуры показана на рис 6.18.
(рис 6.18)
Ось OZ направлена вдоль оси УНТ, расстояние от центра УНТ до центра ее "шапки" обозначено через L. На рис 6.19 показан результат квантово-механического расчета энергии связи в такой супрамолекулярной структуре в зависимости от положения металлофуллерена внутри УНТ. Видно, что при пребывании металлофуллерена возле каждой из "крышек" УНТ энергия системы имеет довольно глубокие минимумы. Это связано с тем, что металлофуллерен здесь существенно взаимодействует не только с атомами боковых стенок УНТ, но и с атомами ее "крышки", и поэтому удерживается здесь значительно большими силами.
(рис 6.19)
Глубина минимума по сравнению с энергией в центре УНТ составляет около 2,1 эВ. Если использовать более длинную УНТ, УНТ с другой "хиральностью", а вместо металлофуллерена $$K_3@C_{60}$$ взять один из металлофуллеренов $$M@C_{60}$$, $$M@C_{80}$$ или $$M@C_{100}$$ ($$M$$ – атом металла), то количественно результаты будут отличаться. Но качественно характер кривой зависимости энергии от положения металлофуллерена оказывается таким же.
Одно из устойчивых крайних положений металлофуллерена внутри УНТ можно принять за логический "0", а противоположное – за логическую "1". Для считывания информации из такой ячейки можно воспользоваться тем, что ВАХ нанотрубки при наличии возле одного из ее концов металлофуллерена становится асимметричной. Поэтому при фиксированном приложенном напряжении электрический ток через ячейку будет разным в состояниях "0" и "1", отличаясь при малом напряжении на порядок величины. Можно воспользоваться также тем, что электрический потенциал вблизи крышки УНТ для состояний "0" и "1" различный. Разницу в десятки милливольт тоже нетрудно зафиксировать. Для записи новой информации в ячейку на крышки УНТ подают импульс электрического напряжения того или иного знака. При величине порядка 2-3 В она должна быть достаточна для преодоления "потенциального барьера" внутри нанотрубки.
Динамика перемещения металлофуллерена из одного устойчивого состояния в другое под действием такого импульса напряжения показана на рис 6.20. Вдоль горизонтали здесь отложены время в пикосекундах, вдоль вертикали – положение металлофуллерена на оси OZ. Видно, что переход в другое положение происходит приблизительно за 4 пс, но для успокоения колебательного движения импульс напряжения должен длиться приблизительно 10 пс. А следующее переключение допускается проводить лишь через 16-20 пс. Т.е. частота перезаписи информации может быть порядка 50 ГГц. Затраты энергии на переключение составляют 5-10 эВ, т.е. очень малы.
(рис 6.20) Динамика перемещения металлофуллерена из одного устойчивого положения в другое под действием импульса напряжения
Было показано, что подобно металлофуллерену ведут себя внутри ВНТ также и наночастицы металлов, размеры которых позволяют им находиться внутри нанотрубки. При этом высота потенциального барьера, который надо одолеть для перехода в другое устойчивое положение, значительно возрастает и составляет много десятков электрон-вольт. Поэтому память на таких ячейках чрезвычайно долговечна и по теоретическим оценкам составляет миллиарды лет. Такой долговечности не достигает ни один из других наноэлектронных видов памяти.
Молекулярно тонкие, упругие, прочные на сжатие и на излом УНТ как можно лучше подходят на роль зонда для сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Ведь они значительно "острее" чем даже острейшие зонды, сформированные с помощью микроэлектронных и наноэлектронных технологий. Радиус закругления острия УНТ может быть меньше 0,5 нм. Применение УНТ на конце зонда позволило заметно повысить разрешающую способность сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Будучи относительно длинными, УНТ позволяют зондировать даже глубокие узкие трещины.
УНТ с металлической проводимостью успешно используют также в качестве наноэлектродов. Прикладывая к такому электроду небольшое электрическое напряжение, его можно использовать как нанопинцет: с его помощью притягивать, "подхватывать" и переносить в заданное место отдельные молекулы и даже атомы.
В сканирующих силовых микроскопах используют также возможность "функционализации" УНТ. В этом случае к острию УНТ нанозонда присоединяют химически специфическую молекулу, обладающую свойством молекулярного распознавания и поэтому позволяющую реализовать растровую "химическую" микроскопию. Зонд на исследуемой поверхности обнаруживает в первую очередь химически родственные атомы или молекулы, и на мониторе возникает многократно увеличенное изображение объекта с "химическим контрастом".
"Функционализированный" зонд позволяет сравнивать и количественно измерять силу взаимодействия молекулы, присоединенной к его острию, с другими молекулами или атомами на исследуемой поверхности. Такой зонд может "отыскать", например, на молекуле ДНК звено, комплементарное к присоединенному к его острию олигомеру.
Если к острию УНТ нанозонда присоединить группу "$$H–C–$$", то острием такого зонда становится протон с радиусом закругления порядка 1фм (10-15 м). А это дает уникальную возможность "ощущать" и досконально изучать пространственную структуру и силовые поля отдельных атомов и молекул.
Функционализация УНТ позволяет превратить построенные на них резисторы и транзисторы в чувствительные наносенсоры. Принципиальная схема одного из таких сенсоров показана на рис 6.21.
(рис 6.21) Принципиальная схема наносенсора на основе функционализированного полевого УНТ транзистора
Здесь поверх полупроводниковой УНТ, которая служит каналом полевого транзистора, нанесен промежуточный мономолекулярный слой. Он выполняет роль диэлектрика и одновременно создает благоприятные условия для осаждения (иммобилизации) на поверхность УНТ молекул лиганда, избирательно чувствительных к заданному аналиту. Если в среде над чувствительным участком сенсора появляются частицы аналита, то некоторые из них присоединяются к иммобилизованным молекулам лиганда. В результате этого зарядовое состояние последних изменяется, что заметно влияет на электрический ток сквозь УНТ. И чем выше концентрация частиц аналита в окружающей среде, тем большее их число присоединяется к молекулам лиганда, и тем более заметны изменения тока стока транзистора.
Такой сенсор был использован, например, для выявления взрывчатых веществ, в частности, нитро-ароматических соединений, входящих в состав тринитротолуола. Лигандом, специфически чувствительным к таким соединениям, были белковые фрагменты, выделенные из пчелиного яда. Сенсор "реагировал" на появление в окружающей среде даже одной молекулы тринитротолуола и оказался намного эффективнее всех других сенсоров, используемых для выявления взрывчатки в аэропортах.
Еще один пример – сенсор на УНТ для диагностики рака молочной железы. В этом случае для функционализации УНТ использовали антитела, специфические к нанорецепторам, обычно присутствующим на поверхности раковых клеток. На рис 6.22 показано изображение УНТ с иммобилизованными антителами, полученное с помощью атомного силового микроскопа. Диаметр УНТ здесь порядка 10 нм. При контакте с раствором, в котором имеются живые раковые клетки, антитела связываются с ними, из-за чего электрический ток сквозь УНТ заметно уменьшается. Это позволило диагностировать рак молочной железы или рак кожи еще на ранних стадиях.
(рис 6.22) Изображение антител, иммобилизованных на УНТ транзистора, полученное в атомном силовом микроскопе
Предложено также использовать функционализированные таким образом УНТ как контейнеры для адресной доставки противоракового лекарства в раковые клетки. С этой целью действующее вещество вводят в полость УНТ. Циркулируя в организме человека, такая УНТ, встретив живую раковую клетку, специфически связывается благодаря антителу с соответствующими нанорецепторами на ее поверхности. И тогда действующее вещество начинает постепенно диффундировать из открытой УНТ в раковую клетку, нарушая ее метаболизм и таким образом уничтожая.
для примера приведены передаточные характеристики такого фоточувствительного полевого транзистора на УНТ с длиной канала 100 нм при напряжении 0,4 В между истоком и стоком. Вдоль горизонтали отложен потенциал затвора (относительно истока), вдоль вертикали – электрический ток стока. Кривая 1 показывает зависимость тока сквозь УНТ от потенциала на затворе до нанесения фоточувствительной полимерной пленки. Кривая 2 – это контрольная зависимость при освещении полевого транзистора внешним светом. Кривая 3 – это "темновая" зависимость тока сквозь УНТ от потенциала на затворе после нанесения фоточувствительной полимерной пленки толщиной около 5 нм.
(рис 6.23) Зависимости электрического тока сквозь УНТ полевого транзистора от потенциала затвора: 1 и 2 – УНТ не покрыта; 3 и 4 – УНТ покрыта пленкой фоточувствительного полимера; 1 и 3 – "темновые" зависимости; 2 и 4 – при освещении
Относительно кривой 1 наблюдается сдвиг приблизительно на 1,2 В вдоль горизонтальной оси. Кривая 4 – это передаточная характеристика того же полевого транзистора при освещении (длина волны 457 нм, интенсивность 60 мкВт/мм2). Видно, что при освещении транзистор полностью открывается. При потенциале затвора 2 В фототок составляет приблизительно 10-6 А при темновом токе около 10-10 А, т.е. наблюдается рост на 4 порядка величины. Такие транзисторы могут применяться как очень малые и вместе с тем чувствительные фотодетекторы.
Интересно, что, если перед нанесением фоточувствительной полимерной пленки нанести на УНТ тонкий (2-3 нм) слой окисла, в котором имеются глубокие ловушки электронов, то полевой транзистор начинает действовать как фотодетектор с памятью. Открытый транзистор остается открытым и после выключения света, и после выключения питания. В принципе это позволяет построить большие интегральные фоточувствительные матрицы с энергонезависимой памятью – аналог фотопластинки, но с нанометровой разрешающей способностью и с возможностью восстановления.
Упругие свойства УНТ использовали для создания суперчувствительных весов. Функциональная схема таких весов показана на рис 6.24. Один конец УНТ жестко закреплен на электроде Эл1, другой конец – свободен. Возле него формируют второй электрод Эл2. Если на этот электрод подать переменное напряжение с частотой, близкой к частоте собственных упругих колебаний УНТ, то возбуждаются электромеханические колебания, и сквозь УНТ течет переменный электрический ток с частотой этих колебаний $$f$$.
(рис 6.24) Функциональная схема суперчувствительных весов на УНТ
Напряжение на последовательно включенном резисторе $$R$$ усиливается в блоке У, а в блоке ИЧ измеряется частота. На зависимости амплитуды тока от частоты наблюдается ярко выраженный резонанс на частоте $$f_0$$ собственных механических колебаний УНТ.
Если выключить источник переменного напряжения и осадить на УНТ наночастицу, то суммарная масса изменится. И при включении источника переменного напряжения резонанс будет наступать уже на несколько меньшей частоте $$f_1$$. Разность $$\Delta f=f_0-f_1$$, которую можно измерять с высокой точностью, пропорциональна добавленной массе.
Подобные нановесы были изготовлены, например, в Berkeley National Laboratory (США). В них использовалась УНТ диаметром около 2 нм и длиной 254 нм. Нановесы работали в высоком вакууме. Для оценки их чувствительности использовали термическое напыление на УНТ отдельных атомов золота. Эксперименты подтвердили чувствительность таких весов $$1,3\cdot 10^{-25}$$ кг/Гц или $$0,4M_{Au}/\text{Гц}$$, где $$M_{Au}$$ – масса одного атома золота. Предыдущий рекорд чувствительности, достигнутый в микровесах на кремниевом нанокантилевере, был перекрыт сразу на несколько порядков. Такие нановесы позволяют надежно "взвешивать" отдельные биологические молекулы.
Опишем еще одно интересное применение УНТ в сенсорике. Здесь используются малые размеры УНТ и связанная с этим их повышенная способность к холодной эмиссии электронов, о чем шла речь в предыдущей лекции. Это позволило создать миниатюрный аппарат для рентгеновских исследований, функциональная схема которого показана на рис 6.25. На электроде Эл выращен массив УНТ, ориентированных перпендикулярно к его поверхности. На расстоянии порядка 2 мм расположен металлический сетчатый анод.
(рис 6.25) Функциональная схема миниатюрного рентгеновского аппарата
Когда между анодом и катодом Эл приложено высокое напряжение, из шапок УНТ начинается холодная эмиссия электронов. Ускоряясь в электрическом поле анода до энергии порядка 1 кэВ, электроны проходят сквозь сетку и бомбардируют медный антикатод, расположенный на расстоянии порядка 2 мм от сетки. Пучок рентгеновских лучей от антикатода, ограниченный регулируемой апертурной диафрагмой, делают узким, чтобы минимизировать облучение соседних тканей.
Проходя сквозь объект исследования, рентгеновский пучок попадает на миниатюрную рентгеновскую видеокамеру, сигналы от которой позволяют формировать увеличенное изображение на мониторе компьютера. Благодаря малым размерам (порядка 10 мм) источника рентгеновских лучей, обведенного на рисунке штриховой линией, мощность, потребляемая при исследовании, в этом случае совсем невелика (порядка 1 Вт). Практически отсутствует нагрев антикатода и значительно уменьшается доза рентгеновского облучения при исследованиях, например, кисти руки, стопы ноги или челюстей человека.
Способность УНТ к холодной эмиссии электронов с успехом используют в информатике также и для построения новых, более эффективных устройств отображения информации.
Структура типичного пикселя цветного плоского монитора на основе холодных катодов с УНТ показана на рис 6.26. На подложке 1 сформированы металлические катодные электроды 2, на которых вертикально выращены УНТ 3 с металлической проводимостью, специально легированные для уменьшения работы выхода электронов. Дальше нанесен толстый слой диэлектрика, в котором вытравлены "окна" к УНТ катодам, а сверху сформированы электроды-модуляторы 5. Между ними сформированы металлические экраны 6, предотвращающие попадание эмиттированных электронов в соседние ячейки. Сверху устанавливают стеклянную пластину 7, на внутренней поверхности которой сформирован прозрачный электропроводящий слой 8 (обычно окисел иридия-олова). На него нанесены катодолюминесцентные "мишени", которые при бомбардировке быстрыми электронами светятся красным (мишень 9), желто-зеленым (мишень 10) и синим (мишень 11) цветом.
(рис 6.26) Структура одного "пикселя" цветного плоского монитора на основе УНТ: 1 – подложка; 2 – катодные электроды; 3 – УНТ (холодные катоды); 4 – изолятор; 5 – электроды-модуляторы; 6 – экранирующие электроды; 7 – стеклянная пластина; 8 – прозрачный электропроводящий слой; 9 – красный, 10 – желто-зеленый, 11 – синий люминофоры; 12 – распорки
Периодически расположенные распорки 12 обеспечивают заданное расстояние между катодами 3 и анодом 8 (до 1 мм). Между пластинами 1 и 7 создается вакуум и внутреннее пространство тщательно герметизируют. Это необходимо потому, что атомы газа, если они присутствуют в этом пространстве, при бомбардировке электронами ионизируются, положительно заряженные ионы ускоряются и бомбардируют холодные катоды, что приводит к их постепенному разрушению. Для долговременного поддержания вакуума внутри монитора оставляют также специальные геттеры, поглощающие одиночные атомы газов, которые таки "умудряются" иногда проникнуть внутрь.
Во время работы на катодные электроды 2 и УНТ подают отрицательное напряжение до 50-200 В относительно анода 6. Начинается холодная эмиссия электронов с УНТ. Электроны ускоряются электрическим полем и летят к аноду 6. Электронные "лучи" условно показаны на рисунке штриховыми линиями. Попадая на соответствующий слой люминофора (9-11), они вызывают излучение соответствующего света (красного, желто-зеленого, синего). Для управления интенсивностью излучения используют электроды-модуляторы 5. Размещенные очень близко (~1 мкм) к холодным катодам, они довольно сильно влияют на величину тока электронной эмиссии уже при напряжениях порядка 1-10 В. Напряжение на электродах-модуляторах 5 задается согласно поданному видеосигналу соответствующими транзисторами с плавающим затвором, которые на рисунке не показаны. Сформированное изображение наблюдается со стороны стеклянной пластины 7. Световое излучение красного, желто-зеленого, синего люминофоров в совокупности определяет тот или другой цвет и яркость соответствующего пикселя.
Размеры пикселей могут быть довольно малыми – до 10 х 10 мкм, что обеспечивает разрешающую способность до 100 линий/мм. Возможная скорость изменения изображения определяется лишь электронными схемами распределения сигналов. Показано, что на мониторах с УНТ можно эффективно воссоздавать очень динамичные эпизоды, которые даже не способен воспринимать человеческий глаз.
УНТ с металлической проводимостью помогают также удешевить сенсорные экраны. Такие экраны (рис 6.27) отличаются тем, что в них над площадкой, на которой формируется изображение, наносят матрицу из прозрачных электродов.
(рис 6.27) Сенсорный экран
Притрагиваясь к тому или другому элементу изображения мы изменяем электропроводность или электрическую емкость между соответствующими электродами, благодаря чему компьютер "понимает" поданную нами команду. Уже найдены такие смеси УНТ с электропроводящими полимерами, которые успешно сочетают достаточно высокую электропроводность, прозрачность во всем видимом диапазоне, износоустойчивость и долговечность с относительно небольшой ценой изготовления.
УНТ и фуллерены стали основой для многих новых перспективных направлений в материаловедении, в нанотехнологиях, в прикладной химии, в медицине, а также в информатике.
С использованием полупроводниковых УНТ реализовано много разных вариантов полевого транзистора как с металлическим или поликремниевым затвором, так и с затвором в виде другой УНТ с металлической проводимостью. Как регулируемый канал проводимости полупроводниковая УНТ имеет то преимущество перед каналами проводимости в полупроводниках, что подвижность носителей электрического заряда в нанотрубках значительно выше, а длину канала можно уменьшать вплоть до молекулярных масштабов. Ширина запрещенной зоны энергий в полупроводниковых УНТ зависит от их диаметра: чем меньше диаметр УНТ, тем больше ширина запрещенной зоны.
На полевых транзисторах с УНТ по известным принципам можно строить и усилители слабых сигналов, и логические элементы, и триггеры, и генераторы импульсов, и тактовые генераторы с диапазоном рабочих частот в сотни гигагерц. Поскольку УНТ достаточно длинны, то над одной нанотрубкой можно сформировать несколько затворов, что позволяет просто реализовать логические вентили "И" (конъюнкция) и "ИЛИ" (дизъюнкция). Используя для изготовления затворов одного транзистора палладий, а другого – алюминий, удается на одной нанотрубке построить инвертор, являющийся аналогом КМДП инвертора, и соответственно реализовать комплементарную логику.
Показано, что можно выращивать УНТ, разветвленные в форме буквы "Y". Они являются аналогом полупроводниковых гетероструктур и представляют собой почти готовый "молекулярный транзистор". Роль затвора выполняет "ствол" трубки, роли истока и стока – концы разветвлений УНТ.
УНТ большого диаметра с металлической проводимостью в сильном магнитном поле, направленном вдоль оси УНТ, по законам квантовой механики могут становиться полупроводниковыми. На этом принципе могут работать наноразмерные датчики сильных магнитных полей.
На УНТ с металлической проводимостью можно построить наноразмерные аналоги электромеханических реле. А на них можно строить логические схемы по правилам призабытой "релейной" логики, теперь уже в наноразмерах и с задержками порядка нескольких пикосекунд на переключение.
С применением УНТ можно построить много разных вариантов памяти. Во-первых, это – аналоги флеш-памяти на полевых транзисторах с плавающим затвором, на полевых транзисторах с зарядовыми ловушками, на элементах с изменением фазового состояния. Такие варианты, обеспечивают на порядки большее число переключений, чем в ныне выпускаемой памяти, меньшую потребляемую мощность, более высокое быстродействие, а, главное, допускают масштабирование вплоть до молекулярных размеров.
Во-вторых, это варианты, в которых используются механические свойства УНТ. В частности, УНТ с металлической проводимостью, лежащая на двух механических опорах из диэлектрика, может находиться в одном из двух устойчивых состояний, которые различаются за электропроводностью. Если расстояние между опорами уменьшить до 5 нм, то плотность памяти может быть свыше 1000 Гбит/см2, а частота считывания – свыше 200 ГГц. Другой вариант основан на использовании УНТ, внутри которой размещается металлофуллерен. Последний может находиться внутри УНТ в двух устойчивых положениях. Переход в другое положение происходит приблизительно за 4 пс. Частота перезаписи информации может быть порядка 50 ГГц. Затраты энергии на переключение составляют 5-10 эВ.
Молекулярно тонкие, упругие, прочные на сжатие и на излом УНТ как можно лучше подходят на роль зонда для сканирующих атомных силовых и туннельных микроскопов. Они значительно "острее" даже самых острых зондов, сформированных с помощью микроэлектронных и наноэлектронных технологий. Радиус закругления острия УНТ может быть меньше 0,5 нм. Применение УНТ на конце зонда позволило заметно повысить разрешающую способность указанных сканирующих микроскопов. Будучи относительно длинными, УНТ позволяют зондировать даже глубокие узкие трещины. Присоединив к концу УНТ нанозонда химически избирательную молекулу, реализуют "химическую" растровую микроскопию. Зонд на исследуемой поверхности обнаруживает, в первую очередь, химически родственные атомы или молекулы, и на мониторе возникает многократно увеличенное изображение объекта с "химическим контрастом". Такой зонд позволяет сравнивать и количественно измерять силу взаимодействия молекулы, присоединенной к его острию, с другими молекулами или атомами на исследуемой поверхности. С его помощью можно автоматически "отыскать", например, на молекуле ДНК звено, комплементарное к олигомеру, присоединенному к УНТ.
УНТ с металлической проводимостью с успехом используют также в качестве наноэлектродов и нанопинцетов. Прикладывая к УНТ небольшое электрическое напряжение, ею можно притягивать, "подхватывать" и переносить в заданное место отдельные молекулы и даже атомы.
Если на полупроводниковую УНТ, являющуюся каналом полевого транзистора, иммобилизовать молекулу (лиганд), избирательно чувствительную к заданному аналиту, то получим химически чувствительный полевой транзистор с нанорамерами. Если в среде над чувствительным участком такого сенсора появляются частицы аналита, то некоторые из них присоединяются к иммобилизованным молекулам лиганда. Их зарядовое состояние изменяется, что заметно изменяет электрический ток сквозь УНТ.
Упругие свойства УНТ уже использовали для создания суперчувствительных весов. Такие весы, построенные на УНТ диаметром около 2 нм и длиной 254 нм, работая в высоком вакууме, показали чувствительность 1,3*10-25 кг/Гц. Нановесы позволяют надежно "взвешивать" отдельные биологические молекулы.
Повышенная способность УНТ к холодной эмиссии электронов позволила создать миниатюрный аппарат для рентгеновских исследований. Малые размеры (порядка 10 мм) и потребляемая мощность (порядка 1 Вт) обеспечивают значительное уменьшение дозы рентгеновского облучения и возможность широкого использования аппарата при исследованиях, например, кисти руки, стопы ноги или челюстей человека.
На основе холодных катодов с УНТ можно построить цветной плоский монитор с разрешающей способностью до 100 линий/мм, на котором можно воссоздавать даже очень динамичные эпизоды, которые не способен воспринимать человеческий глаз.
УНТ с металлической проводимостью в смеси с электропроводящими полимерами успешно сочетают в себе достаточно высокую электропроводность, прозрачность во всем видимом диапазоне, износоустойчивость и долговечность с относительно небольшой ценой, что позволило существенно удешевить сенсорные экраны.
Для получения официальных документов о завершении программы дополнительного профессионального образования (удостоверения о повышении квалификации, дипломов о профессиональной переподготовке и MBA) необходимо предоставить:
Внимание! Вы можете не заказывать доставку бумажной версии официального документы, а скачать его в электронном виде и распечатать самостоятельно. Информация о выданном документе в течение 1 месяца загружается в Федеральную информационную систему «Федеральный реестр сведений о документах об образовании и (или) о квалификации, документах об обучении» - ФИС ФРДО.
Доступ на новый сайт осуществляется с использованием адреса электронной почты, который был указан вами при регистрации на "старом". Мы постарались перенести все ваши данные с прежнего ресурса, однако не исключена вероятность потери части информации.
При возникновении проблемы со входом, воспользуйтесь функцией сброса пароля
Если вы обнаружите несоответствия, пожалуйста, сообщите нам.