Нано-электроника появилась в процессе естественной микроминиатюризации элементной базы современных электронных устройств и систем, где каждый шаг дается с большим трудом и часто диктует необходимость привлечения новых (иногда принципиально) физических путей и методов. В нано-электронике за ее масштаб принято значение в 100 нм. Это определение планарного элемента наноэлектроники можно обобщить, считая нано-объектом (наноструктурой) все, что имеет характерный размер <100 нм, хотя бы в одном измерении (направлении). Физическая электроника в самом общем смысле этого слова представляет собой раздел физики, который занимается изучением явлений, связанных с движением заряженных частиц и, в первую очередь, электронов (отсюда и само название «электроника») в различных материальных средах, включая физический вакуум. Это, прежде всего, вакуумная электроника, изучающая процессы, которые происходят при движении заряженных частиц в вакууме и в основе которых лежат законы этого движения. Сюда относятся вся электронная оптика, электронная и ионная микроскопия, а также физика явлений, происходящих в различных радиотехнических устройствах типа электронных ламп и приборов, применяющихся для генерации или усиления электромагнитного излучения, в том числе и СВЧ-диапазона. Последнее направление в настоящее время оформилось в самостоятельное - радиофизику СВЧ (или микроволн). Во-вторых, это явления испускания электронов и атомарных частиц, чаще всего ионов, различными средами, в основном твердыми телами и плазмой, которые составляют обширный раздел физической электроники, называемый эмиссионной электроникой. С появлением полупроводников интенсивно начала развиваться полупроводниковая электроника и на ее основе - электроника твердого тела. В дальнейшем полупроводниковая электроника также стала развиваться самостоятельно и является в настоящее время междисциплинарным разделом физики. К области же собственно физической электроники продолжают относиться такие разделы твердотельной электроники, как физика поверхности, тонких пленок и пленочных структур~ элементной базы современной микроэлектроники. Исторически одним из основных разделов физической электроники являлась так называемая газовая электроника, изучавшая процессы в различных газоразрядных радиотехнических устройствах, таких как тиратроны, разрядники, стабилитроны и т.п. На основе изучения физики газового разряда оформился и в дальнейшем получил самостоятельное развитие такой крупный раздел физики, как физика плазмы. Тем не менее, наука о плазменных средах является важнейшей составной частью физической электроники, поскольку она изучает большой круг проблем, связанных с поведением газа заряженных частиц - электронов, ионов и дырок, атомов и молекул, в том числе, находящихся в возбужденном состоянии, а также квантов излучения (э.-м. поля) и нейтральных частиц в самых разных материальных средах: собственно плазме как газовой среде и газе носителей заряда (электронов и дырок) в твердых телах, которые при этом принято называть плазмо-подобными (или плазменными) средами. С развитием лазерной физики из этой науки выделился крупный раздел, связанный с изучением законов поведения газа возбужденных атомов, молекул и квантов излучения, получивший название квантовой электроники. Вакуум, газы и конденсированные среды могут контактировать друг с другом. Для конденсированных сред при этом вводят понятие границы раздела этих сред или понятие поверхности. Традиционно под поверхностью понималась область резкого, скачкообразного изменения свойств вещества. Реально вблизи собственно геометрической границы материальной среды существует некоторая область конечной толщины, в которой ее свойства существенно отличаются от свойств вещества в объеме. Действительно, в объеме любая частица взаимодействует только с частицами этой среды, а вблизи границы, с одной стороны - с частицами этой же среды, а с другой - с частицами той среды, с которой она граничит. Если вторая среда - вакуум, на границе твердого тела должны существовать разорванные атомарные связи. При этом толщина пограничного слоя определяется тем расстоянием от поверхности, начиная с которого частицы среды перестают «ощущать» влияние частиц за ее границей. Толщина такого слоя, по крайней мере, порядка дебаевского радиуса rD, который для плазмы твердого тела имеет порядок величины от 1 до 100 нм. Следует также учесть, что в этот слой проникают частицы среды - соседки за счет взаимодиффузии нейтральных атомов, ионов, электронов или дырок или бомбардировки другими частицами (контакт с газом или вакуумом). При учете всех этих процессов характерная толщина такого слоя в направлении нормали к границе может достигать размеров порядка нескольких сотен нанометров. Итак, поверхность твердых тел - это естественный нанообъект, в котором проявляются новые качественные свойства. Эти свойства можно направленно изменять путем использования плазменных, лучевых (потоки частиц) и радиационных (поток квантов излучения) нано-технологий направленного изменения свойств поверхности или, другими словами, модификации свойств поверхности. Поскольку в конденсированных средах поведение образующих их частиц - атомов, ионов, электронов и дырок - подчиняется законам квантовой механики, т.е. описывается их волновыми функциями, в них проявляются новые свойства, обусловленные квантоворазмерными эффектами - зависимостью свойств наносистемы от соотношения ее характерных размеров и характерных размеров области корреляции различных физических взаимодействий и явлений, происходящих в системе частиц. В связи с этим поверхность можно считать, пожалуй, самой распространенной естественной наносистемой, причем пленочного типа. Следующим шагом модификации свойств поверхности является осаждение на ее поверхности тонких пленок либо слоистых пленочных структур, толщина которых может быть от микрон до долей микрона, т.е. может удовлетворять условию d < 100 нм. Такие пленочные структуры служат основой для построения элементной базы современной микро-, а в пределе d < 100 нм, наноэлектроники. Это двумерные наноструктуры, причем интеграция элементов происходит в их плоскости. Тонкие пленки могут выполнять и функциональные задачи упрочнения поверхности, изменения ее смачиваемости, коэффициента трения и др. Новое качество может быть достигнуто путем осаждения на поверхность твердого тела атомов тех элементов, которые могут образовывать различные вещества, отличающиеся по своим структуре и свойствам, т.е. различные аллотропные модификации (характерный пример - углерод, который может существовать в виде четырех аллотропных форм, отличающихся типом гибридизации: sp3 и sp2- этим типам соответствуют устойчивые модификации алмаз и графит, а также sp1 и sp°, которым отвечают метастабильные модификации линейно-цепочечного углерода (ЛЦУ), и гранецентрированного (ГЦК) углерода). При этом метод управляемого осаждения атомов углерода в настоящее время является практически единственным методом синтеза последних двух форм углерода. Экспериментальная установка получения углеродных пленок представляет собой вакуумную систему, обеспечивающую импульсное осаждение углерода из плазменных сгустков, формируемых вакуумной дугой, с плотностью ионов 1013...1014 см3 и степенью ионизации 95%. Частота импульсов варьируется в пределах 1...30 Гц, длительность импульса 100 мкс. Ионный пучок формируется ионным источником низкого давления. Энергия ионов Аг+, облучающих поверхность растущей пленки, варьируется в пределах 0-300эВ и зависит как от напряжения экстракции, так и от параметров углеродной плазмы. В нижеописанных экспериментах эта энергия была равна 150эВ. В качестве материалов подложки использовались NaCl (для электронномикроскопических исследований), Si (для электронной спектроскопии), а также сталь, полимеры, керамика и т.д. Рабочее давление в камере было 104 Па. Нанообъекты могут существовать и в виде частиц соответствующего размера (наночастицы), а также нанокомпозиты, образованные ансамблем таких частиц. Многообразие возможных видов наночастиц весьма велико. Одним из основных физических признаков принадлежности к наномиру является равенство или превышение поверхностной энергии наночастицы по сравнению с ее объемной энергией. Поэтому отличительным свойством наночастиц является их активность за счет наличия на их поверхности оборванных связей. В общем случае обычно это трехмерные объекты (3D). Естественно, что право на существование имеют одномерные (ID) и нульмерные системы (0D). К первым относят так называемые квантовые нити (квантовые провода), которые формируются в условия сильной анизотропии свойств вещества сильным проявлением квантово-размерных эффектов и с диаметром < 100 нм (важный пример квантовой нити - полупроводниковые нанотрубки). Наконец, характерным примером нульмерной системы или квантовой точки может служить экситон. Наносистемы могут либо организоваться в природе естественным путем - поверхность, нанокластеры карбина, нанотрубки и др. - либо модифицируются путем управляемого выращивания (тонкие пленки и пленочные наноструктуры) с помощью осаждения на поверхность частиц нужного свойства. Такие частицы могут осаждаться из плазмы или других источников пучков атомов, ионов, молекул, причем важным элементом такой технологии является предварительная подготовка поверхности таким образом, чтобы она стимулировала рост необходимой структуры осаждаемой пленки. Это, например, управление процессом эпитаксиалъного роста, при котором межатомные расстояния выращиваемой пленки повторяют геометрию создаваемых на поверхности центров зародышеобразования. Для реализации такого процесса нужно детально знать физику взаимодействия ионов и электронов с поверхностью твердого тела. Описанный процесс ионно-стимулированного эпитаксиального роста пленок на командной поверхности является важным примером самосборки, которая является неотъемлемым свойством нанотехнологий. Проводится обширный цикл исследований процессов взаимодействия пучков заряженных частиц - электронов и ионов в широком диапазоне их энергий - с поверхностью твердых тел: · распыление материала поверхности, · вторичная ионно-ионная, · ионно-электронная, · электрон-ионная эмиссия, · внедрение частиц пучка в поверхность, · напыление частиц пучка на поверхность, · изменение фазового состава поверхности, · активация поверхности и т.п. Все эти процессы реализуются также при контакте газоразрядной плазмы с поверхностью, и так или иначе используются в различных технологических циклах, таких, как травление, имплантация, интеркалирование, осаждение пленочных структур, литография и других технологических циклах современной микро-, а с переходом к характерным размерам < 100 нм, наноэлектроники. Установлено, что важную роль играют неупругие процессы при взаимодействии ионов малых энергий с поверхностью твердых тел. Выявлен основной механизм такого взаимодействия, а именно, - резонансная перезарядка. Этот процесс лежит в основе большинства нанотехнологий модификации свойств поверхности. Среди процессов, сопровождаемых (вызываемых) на поверхности твердых тел пучками заряженных частиц: электронов и, в первую очередь, ионов для понимания магистрального направления развития работ являются процессы электронной и ионной стимуляции направленного выращивания (напыление, осаждение) на ней пленок различных углеродных метастабильных фаз и, в первую очередь, двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода (ДУ ЛЦУ).
|
5608
5591
