CАМОФОРМИРУЮЩИЕСЯ  ПРЕЦИЗИОННЫЕ  3D  НАНОСТРУКТУРЫ
ДЛЯ  БУДУЩИХ  ПРИБОРОВ  НАНОЭЛЕКТРОНИКИ  И  НАНОМЕХАНИКИ

В.Я. Принц

Институт физики полупроводников СО РАН

В обзоре представлены оригинальные результаты по формированию и исследованию нового класса трехмерных наноструктур (нанооболочек, нанотрубок, наноспиралей, наноколец и т.п.) из монокристаллических гетероструктур на основе полупроводников типа А₃В₅, Si/GeSi, из металлических гетероструктур и из гибридных гетероструктур. В данном кратком обзоре изложены основные этапы развития нового направления в технологии полупроводниковых и металлических нанотрубок и нанооболочек включающие: а) направленное сворачивание пленок (мезаструктур), б) формирование разнообразных по форме структур; в) сборку из оболочек сложных конструкций; г) суперкритическую сушку нанооболочек; е) формирование прецизионных в 3-х измерениях наноструктур. Изложены наши новые результаты по формированию наноструктур самых разнообразных форм, в том числе периодичных гофрированных с минимальным радиусом изгиба ~1нм. Представлены также результаты по формированию туннельно связанных квантовых точек на основе гофрированных систем.

Введение

Проблема создания и исследования наноструктур с контролируемыми размерами и заданными свойствами входит в число важнейших проблем нашего времени, прежде всего, потому, что ее решение приведет к революционным изменениям в наноэлектронике, наномеханике, биологии, медицине, материаловедении и других областях. Многие государства имеют свои национальные программы по нанотехнологии [1]. Большой интерес к нанотехнологии и успехи последних лет в этой области позволяют надеяться на создание в ближайшие годы новых материалов и новых приборов [2-11].

Принципы наноэлектроники, наномеханики были сформулированы еще в 1959 году Фейманом [12], в том же году Ландауэр сформулировал основы квантового транспорта электронов в наноструктурах [13]. В 1962 году Л.Б.Келдышем была высказана идея создания искусственных сверхрешеток и сделан вывод о наличии у них падающей вольт-амперной характеристики. В 1969 году Есаки и Тцу создали искусственную сверхрешетку [14]. Лихарев в 1987 году сформулировал принципы одноэлектроники [15]. В настоящее время достигнуты большие успехи в уменьшении размеров активных областей и создании наноструктур. Однако для перехода от микроэлектроники к наноэлектронике недостаточно только уменьшения размеров элементов приборов, необходимо достичь прецизионности в изготовлении элементов, а также изменить и принципы работы приборов. Дело в том, что с уменьшением размеров многие характеристики, играющие ключевую роль в работе приборов микроэлектроники, такие как подвижность двумерного электронного газа, и т.д. перестают играть свою роль и на первое место выходят совсем другие характеристики – длина волны электрона, длина фазовой когерентности, длина свободного пробега. 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. Необходим новый подход к созданию действительно квантовых приборов, использующих квантовые явления, такие как резонансное туннелирование, интерференцию электронных волн, квантование проводимости, кулоновскую блокаду, спиновые явления и т.д.

Отметим, что производство наноприборов можно будет организовать только если погрешность в соблюдении размеров при изготовлении элементов будет меньше 3 %. Надо также изменить и наше представление о требованиях к размерам и форме наноэлементов, которые должны быть прецизионны, последнее связано с тем, что такие квантовые явления как туннелирование, размерное квантование, сильно зависят от размеров.

Окружающая нас природа дает прекрасные примеры создания функциональных наноструктур. Она строит свои объекты из отдельных прецизионных объектов - молекул и атомов, используя процессы самоформирования и самоорганизации.
В связи с отсутствием искусственных нанообъектов в последние годы внимание исследователей было сосредоточено на больших молекулах, уже созданных природой. Примером таких молекул являются фуллерены и углеродные нанотрубки (сферические и цилиндрические нанооболочки) [4,7,8]. Только исследованию их свойств и практическим применениям посвящены тысячи статей и десятки обзоров [4,7]. Очевидно, что нельзя ограничиваться только природными объектами при наличии развитой технологии твердых тел, поэтому в последние годы идет активный поиск методов, позволяющих использовать стандартные технологии и процессы самоорганизации для создания твердотельных наноструктур [2,10,11].
В технологии твердых тел известны два подхода к созданию наноструктур: “top-down” и “bottom-up” [2]. “Тop-down” – это подход вырезания наноструктур из исходного материала, использующий литографию (электронную, рентгеновскую, с помощью сканирующих зондов). Подход “bottom-up” использует метод химического синтеза и сборки наноэлементов из отдельных атомов или молекул на подложке. При уменьшении объектов и приборов до размеров порядка сотен атомов метод сборки выглядит более перспективным. Только атомы и молекулы могут обеспечить высокую точность в соблюдении размеров, однако, до сих пор не ясно как создать программируемого сборщика.

В настоящей обзоре представлен наш оригинальный подход создания твердотельных наноструктур, который использует достоинства “bottom-up” и “top-down” подходов. Изложены результаты по формированию цилиндрических нанооболочек и новые результаты по формированию гофрированных наносистем.
Недавно, мы впервые предложили и реализовали метод изготовления полупроводниковых нанооболочек сложной 3D формы [16-64]. В наших работах сделаны первые шаги в области прецизионного наноструктуирования, позволяющего достичь молекулярной точности в конструировании трехмерных объектов. В основе предложенного нами метода формирования нанообъектов лежит процесс изгиба и сворачивания освобожденных от связей с подложкой напряженных полупроводниковых гетеропленок. Оказалось, что таким методом можно создать целый класс полупроводниковых наноструктур: трубки, спирали, кольца и т.д. Получены свободные твердотельные нанотрубки с диаметром до 2 нм [17]. В работах [19,22] были предложены методы направленного сворачивания пленок, позволяющие формировать сложные конструкции, организованные массивы нанотрубок и нанообъектов, которые могут использоваться в качестве строительных элементов для создания приборов наноэлектроники, наномеханики. По существу мы приблизились к массовому изготовлению искусственных молекул-оболочек из практически любых неорганических веществ - полупроводников, металлов и диэлектриков [17]. Создан целый класс прецизионных наноэлементов, способных к самоорганизации и взаимодействию друг с другом [30]. Важным является то, что предлагаемый технологический подход, позволяет масштабировать элементы до молекулярных размеров, преодолевая ограничения литографии.

Особое внимание в обзоре уделяется новому классу прецизионных структур – периодическим гофрировкам [30-36]. Описаны результаты и перспективы практических применений. Рассмотрены также монокристаллические оболочки микронных размеров, представляющие собой готовые элементы для создания приборов микромеханики. Все представленные ниже микро- и нанообъекты созданы впервые.