Методы получения упорядоченных наноструктур

Искусственное наноформообразование

Одной из важнейших технологических проблем является проблема создания и исследования наноструктур с контролируемыми размерами и заданными свойствами. Решение этой проблемы приведет к революционным изменениям в наноэлектронике, наномеханике, биологии, медицине, материаловедении и других областях.

Проблема перехода от микрок наноэлектронике связана не только с уменьшением размеров элементов, но и с необходимостью достижения высокой точности в изготовлении этих элементов, воспроизводимости технологических процессов. Успехи микроэлектроники связывают именно с тем, что удалось создать групповую технологию. В напоэлектропике групповая технология может быть реализована в разработанных процессах самоорганизации при формировании наноструктур.

С уменьшением размеров многие характеристики, играющие ключевую роль в работе приборов микроэлектроники, такие как концентрация и подвижность носителей и ряд других, перестают играть свою роль. При переходе к наноразмерам основными параметрами становятся длина волны электрона, длина фазовой когерентности, длина свободного пробега. Гальванические связи заменяются на полевые. Если в микроэлектронике для переключения прибора из одного состояния в другое требуется прохождение тока из порядка миллиона электронов, то в наноэлектронике для осуществления переключения будет достаточно одного электрона и небольшого электрического поля. Необходим новый подход к созданию действительно квантовых приборов, использующих квантовые явления — резонансное туннелирование, интерференцию электронных волн, квантование проводимости, кулоновскую блокаду, спиновые явления и т. д.

Природа дает прекрасные примеры создания функциональных наноструктур. Примером таких структур являются фуллереиы и углеродные нанотрубки. Очевидно, что при наличии развитой технологии твердых тел нельзя ограничиваться только природными нанообъектами, поэтому в последние годы идет активный поиск методов, позволяющих использовать стандартные технологии и процессы самоорганизации для создания твердотельных наноструктур.

Сделаны первые шаги в области прецизионного наноструктурирования, позволяющего достичь молекулярной точности в конструировании трехмерных объектов.

В основе метода формирования нанообъектов лежат различные технологические процессы. Определенный интерес у исследователей вызывают процессы искусственного наноформирования гетероструктур.

Перспективным является процесс изгиба и сворачивания освобожденных от связей с подложкой напряженных полупроводниковых пленочных гетероструктур. Заметим, что напряженные пленочные гетероструктуры (а также напряженные сверхрешетки) образуются тогда, когда составляющие эту структуру материалы имеют большое несоответствие параметров решетки (более 1%). Например, для гетеросистемы GaAs/InAs это несоответствие достигает 7,2%. Поэтому создание гетероструктуры на основе этих материалов с когерентными границами сопряжения возможно только тогда, когда толщина InAs на GaAs не будет превышать критическую величину. Несоответствие параметров решеток будет компенсироваться упругой деформацией слоев InAs, а гетероструктура будет напряженной.

Предложенным методом можно создать целый класс полупроводниковых наноструктур: трубки, спирали, кольца и т. д. Получены свободные твердотельные нанотрубки с диаметром до 2 нм. Предложены методы направленного сворачивания пленок, позволяющие формировать сложные конструкции, организованные массивы нанотрубок и нанообъектов, которые могут применяться в качестве строительных элементов для создания приборов наноэлектроники, наномеханики, различных фильтров.

Сверхтонкие гетероструктуры (с минимальной толщиной в два монослоя) с напряженными слоями можно создать с помощью молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ). Такие освобожденные от подложки структуры самоформируются в нанотрубки диаметром до 2 нм.

Метод формирования нанотрубок из полупроводниковой гетеропленки GaAs/InAs с толщиной в два монослоя приведен на рис. 4.9. Постоянные.

а — геометрия исходных слоев и подложки; б — слои GaAs, InAs, выращенные на подложке 1иР; в — формирование трубки из GaAs/InAs изгибом; г — самосворачивание пленок из GaAs/InAs в трубку-свиток решеток слоев GaAs и InAs, как уже отмечалось, значительно различаются (7,2%). В процессе эпитаксиального выращивания данных слоев, например, на подложке InP, образуется напряженная гетеропленка, в которой решетки материалов подстраиваются под решетку подложки, и слой InAs оказывается сжат, а слой GaAs — растянут (рис. 4.9, а, б).

При освобождении от связи с подложкой пленки GaAs/InAs межатомные силы будут стремиться увеличить расстояние между атомами в сжатом слое InAs и уменьшить их в растянутом слое GaAs. Возникающие в слоях InAs и GaAs силы межатомного взаимодействия F, и F₂ противоположно направлены и создают момент сил М, изгибающий пленку GaAs/InAs (рис. 4.9, в). В результате этого изначально плоская гетеропленка сворачивается в трубку (рис. 4.9, г).

Для освобождения от связи с подложкой пленки GaAs/InAs использовалось селективное травление жертвенного слоя AlAs, дополнительно выращенного между пленкой и подложкой. Этот слой селективно удаляется в слабых растворах плавиковой кислоты, которые не травят GaAs и InAs. Диаметр D свернутых гетероструктур определяется толщиной сворачиваемой гетеропленки d и величиной упругих напряжений в ней. В простейшем случае гетеропленки, состоящей из двух слоев равной толщины, D ~ d/(Aa/a), где, А а/а — рассогласование параметров решеток этих слоев. Высокое качество гетероструктур, выращенных методом молекулярно-лучевой эпитаксии, позволяет получать свернутые гетероструктуры длиной до нескольких сантиметров с гладкими, однородными по толщине стенками.

Экспериментально из пленок GaAs/InGaAs получены трубки с внутренним диаметром от 2 нм до 100 мкм. Расположение, длина и ориентация трубок на подложке задавались изготовлением с помощью литографии исходных меза-структур различной геометрии (прямоугольников, полосок и т. д.). Область вокруг мезы протравливалась до подложки для обеспечения доступа селективного травителя к жертвенному слою AlAs. В результате селективного травления слоя AlAs напряженная гетеропленка освобождалась от связи с подложкой и сворачивалась в трубку-свиток. Количество витков определялось временем травления AlAs и могло достигать 40. Трубка оставалась закрепленной на подложке в месте, где слой AlAs не был удален. Описываемый метод формирования микрои нанотрубок может быть применен к полупроводниковым, гибридным, металлическим и диэлектрическим пленкам, технология выращивания которых методами МЛЭ хорошо отработана. Таким способом можно изготовить SiGe/Si-трубки с диаметром от 10 мкм до 10 нм, а также металлические микрои нанотрубки из Ti/Au-пленок.

Информация о структурном совершенстве и размерах созданных нанотрубок была получена с помощью метода просвечивающей электронной микроскопии высокого разрешения. Трубки с небольшим диаметром, сформированные из пленок GaAs/InGaAs толщиной менее шести монослоев, имеют сплошные монокристаллические стенки с четко регистрируемыми атомными плоскостями, что свидетельствует о сращивании слоев.

Несомненным достоинством развиваемой технологии наноструктур является возможность достижения высокой точности в соблюдении размеров, причем для практических применений важна возможность задания не только диаметра трубок, но и их длины и количества витков.

Рассмотренный метод искусственного наноформирования позволяет создавать периодические структуры на основе пленок Ленгмюра — Блоджетт.

На рис. 4.10 схематично иллюстрируется метод, позволяющий создавать периодическую в радиальном направлении структуру, с расстоянием между витками, прецизионно задаваемым длиной молекул, формирующих пленку Ленгмюра — Блоджетт (Л-Б). Пленки Л-Б наносились на поверхность исходной структуры стандартным методом. Экспериментально были сформированы гибридные микрои нанотрубки на основе бислоев GaAs/InGaAs и пленок Л-Б, содержащих 2, 4, 6 и 20 монослоев, каждый толщиной 3,04 ± 0,04 нм. Внутренний диаметр трубки изменялся в диапазоне от 80 нм до 8 мкм.

Ленгмюра — Блоджетт:

а — освобождение от связи с подложкой; б — самоформирование нанотрубки с пленкой

Расстояние между витками рулона задается толщиной пленки Ленгмюра — Блоджетт. Рассматриваемая технология позволяет формировать разнообразные нанооболочки с прецизионными размерами (диаметр, длина, толщина): трубки, кольца, спирали, волокна, иглы, структуры с вертикальными стенками, открытые оболочки, а также собирать на их основе сложные функциональные конструкции. Развитие метода искусственного наноформирования позволило создать наногофрированные квантовые системы с прецизионно контролируемыми параметрами, квантовые точки, сверхрешетки, нановолокна и композиционные материалы на их основе, полупроводниковые, металлические, гибридные наноструктуры.

Основные достоинства свернутых гетеропленок:

• • диаметр D свернутых гетероструктур задается в процессе МЛЭ исходной структуры с высокой точностью от сотен микрометров до нескольких нанометров;
• • высокое качество гетероструктур, выращенных МЛЭ, позволяет получать свернутые гетероструктуры длиной до нескольких сантиметров с гладкими, однородными по толщине стенками;
• • свернутые гетеропленки могут быть изготовлены из широкого набора материалов, включая GaAs/InGaAs, SiGe/Si, пленки Ленгмюра — Блоджетт, а также металлы и диэлектрики; кроме того, полученные трубки могут быть заполнены полимерами;
• • метод формирования свернутых гетероструктур хорошо стыкуется с технологией изготовления интегральных схем и полупроводниковых приборов;
• • физические свойства свернутых гетероструктур определяются на этапе выбора материалов синтезируемой гетероструктуры.