Графен как основа наноэлектроники Всеволод Катков ЛТФ ОИЯИ. - презентация

1 Графен как основа наноэлектроники Всеволод Катков ЛТФ ОИЯИ

2 1833 год Майкл Фарадей обнаружил особенности в электрической проводимости сульфида серебра 1874 год Феодинанд Браун явление односторонней проводимости в контакте металл-полупроводник (первый детекторный приемник + 50 лет)

3 1906 Гринлиф Виттер Пикард получает патент на кристаллический детектор. «Контакт между тонким металлическим проводником и поверхностью некоторых кристаллических материалов (кремний, галенит, пирит и пр.) выпрямляет и демодулирует высокочастотный переменный ток, возникающий в антенне при приеме радиоволн» Cats whisker – кошачий ус

4 1910 год Уильям Икклз продемонстрировал «генерирующий детектор» 1922 год Олег Лосев воспроизвел открытие с кристаллом цинкита 1923 год открыл эффект электролюминесценции полупроводников. Патент на световое реле год он же создал устройство, воспроизводящее конструкцию точечного Транзистора на кристалле карборунда SiC 1942 год Компаниb Sylvania и Western Electric начали серийное производство полупроводниковых диодов

5 годы Юлиус Лилиенфельд из Лейпцига запатентовал конструкцию полевого транзистора Война –РЛС-детекторы – чистый германий, чистый кремний

6 Нобелевская премия 1956 год

7 Первый транзистор 19 декабря 1947 г. Уолтер Браттейн, Джон Ба́один (тот самый!), Лаборатории Белла (bell telephone laboratories); теория – Уильям Шоккли Однажды Браттейн, издерганный от неудач, сдвинул иголки практически вплотную, более того - случайно перепутал полярности прикладываемых к ним потенциалов. Ученый не поверил своим глазам. Он был поражен, но на экране осциллографа было явно видно усиление сигнала. Теоретик Баодин отреагировал молниеносно и безошибочно: эффекта поля никакого нет, и дело не в нем. Усиление сигнала возникает по другой причине. Во всех предыдущих оценках рассматривались только ϶электроны, как основные носители тока в германиевом кристалле, а «дырки», которых было в миллионы раз меньше, естественно игнорировались. Баодин понял, что дело именно в «дырках». Введение «дырок» через один ϶лекҭҏд (этот процесс назвали инжекцией) вызывает неизмеримо больший ток в другом ϶лектрде. И все это на фоне неизменности состояния огромного количества ϶электронов. Вот так, непредсказуемым образом, 19 декабря 1947 года на свет появился точечный транзистор. Ольга Гуреева ТРАНЗИСТОРНАЯ ИСТОРИЯ. ИЗОБРЕТЕНИЕ ТРАНЗИСТОРОВ И РАЗВИТИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ КОМПОНЕНТЫ И ТЕХНОЛОГИИ

8 Европейский транзистор- «транзитрон» Независимо, в начале 1948 года Герберт Франц Матаре и Генрих Иоганн Велкер

9 1955 год Шокли создает собственную фирму Shockly Transistor Corporation 1968 год бывшие сотрудники Шокли Гордон Мур и Роберт Нойс создают компанию Intel

10 Основные типы транзисторов

11 Полевые транзисторы с изолированным затвором В соответствии со своей физической структурой, полевой транзистор с изолированным затвором носит название МОП-транзистор (Металл-Оксид- Полупроводник), или МДП-транзистор(Металл-Диэлектрик-Полупроводник). Международное название прибора – MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor- Field-Effect-Transistor).

12 Полевой транзистор с управляющим PN-переходом JFET: Junction-FET

13 Биполярный транзистор

14 Микросхемы, современная технология Отцами идеи официально считаются два человека – Джек Килби (нобелевская премия 2000 год), и Роберт Нойс (тот самый!). Работая отдельно друг от друга, они сформулировали концепцию интегральной схемы, и, впоследствии, реализовали ее в гг.

15 Технология изготовления микросхем создание подложки: очистка, выращивание монокристалла, нарезание на шайбы порядка сороковой дюйма. создание оксидной пленки: обработка кислородом высоких температурах ( градусов по Цельсию) нанесение фоторезиста (позитивный/негативный) фотолитография

16 травление бомбардировка ионами: для образования донорной примеси берется сурьма, фосфор или мышьяк, для акцепторной примеси – галлий, бор или алюминий.

17 металлизация наложение оксида кремния и повторение всей процедуры вплоть до десятков раз отбраковка применяется глубокий ультрафиолет (DUV или Deep UltraViolet). 130 нм техпроцесс - DUV-лазер с длиной волны 248 нм, 2000 год 90-нм - длина волны 193-нм 2003 год 65-нм - длина волны 157-нм 2005 год Эльбрус-4С 45-нм - длина волны 157-нм 2007 год - настоящее время Intel Core 2 Duo Intel Core 2 Quad Intel Core i3, i5, i7 AMD Phenom II X2, X3, X4, X6 32 нм - Extreme UltraViolet он же жесткий ультрафиолет 13.5 нм 10 нм – предел, будет достигнут в 2018 году.

18 28 нанометров

19 Закон Мура (Тот самый!) В 1965 году Мур впервые представил свой «закон», который вел полупроводниковую индустрию в течение 33 лет с невероятной скоростью. Постулат: «Через каждые 2 года, число транзисторов удваивается». Так еще в 1971 году номы производства были 10 мкм, в мкм, в мкм, в ,25 мкм, в нм. Впервые трудности начались в эпоху Pentium 4, когда тепловыделение окончательно стало основной проблемой движения вперед.

20 Пэт Гелсинжер (Pat Gelsinger), глава технологического подразделения Intel сказал: «Было время, когда Intel и ее коллеги задавались вопросом, удастся ли достичь технологического процесса в 100 нм. Мы это сделали тогда, а сегодня мы видим ясно, что нам удастся преодолеть и 10 нм рубеж. С законом Мура у нас всегда есть расчеты на 10-летнюю перспективу, а что мы будем делать за гранью 10 нм пока точно неизвестно». В 2008 году сам Мур признал, что его «закон» перестает действовать уже из- за атомарных ограничений и влияния скорости света. Переход на более тонкие нормы техпроцессса дается компьютерной индустрии все сложнее.

21 Физические явления, ограничивающие микроминиатюризацию кремниевых транзисторов 1/45 глубины канала

22

23 Устройства СТМ, нано контакты, сенсоры Экспериментальная техника: СТМ, Break-junctions, электромиграция

24 Электронный транспорт Мобильность напрямую связана с быстродействием электронных устройств. v= m F Кремний ~ cm 2/ Vs Графен ~ cm 2/ Vs Графен без подложки ~ cm 2/ Vs Большая подвижность означает редкие рассеяние электрона. Если рассеяния так редки, что длина свободного пробега превышает размеры образца, говорят что происходит «баллистический» транспорт. На основе идеи изменять траекторию баллистического электрона с помощью внешних полей основан принцип работы нового (пока гипотетического) транзистора. Основные надежды по использованию графена в электронике связаны с невероятно большим значением подвижности электрона в этом материале

25 Константин Новоселов и Андрей Гейм, Нобелевская премия 2010 года за открытие и изучение графена Константин Новоселов Всеволод Катков у стенда ОИЯИ на конференции IWEPNM-2010, Австрия, март 2010 г.

26 Структуры на основе атомов углерода в sp 2 -гибридизации Графен - решетка из шестиугольников Графит - упаковка из слоев графена Нанотрубки – свернутый графен Фуллерены – графен с пятиугольными дефектами ….

27 If you write with pencil, you probably cleave out individual planes of graphene from the graphite Graphite lattice could be considered as a stack of the graphene layers. They are weak interacted each other, so you are able to making the line with pencil.

28 Graphene

29 Carbon nanostructure may be hypothetical considered as the graphene origami: we have to cut some piece from a flat sheet of material and transform it to right form. The carbon multi-structure makes a class of nanostructure more wide. As we seen the graphene monolayer is cut graphite

30 Полевой транзистор Хорошо известное устройство, в котором происходит переключение проводящего и непроводящего режимов путем изменения концентрации носителей заряда с помощью внешнего электростатического поля. Польза применения именно графена – невероятная чувствительность числа носителей заряда (а значит и проводимости) к внешнему полю. Переключающий эффект! Минимальная проводимость в графене

31 Управление траекторией электронов с помощью затвора в форме трапеции – фокусирующая линза в графене.

32 t m = 0.01 t 0 d

33

34 Туннельный диод на базе графена Henk W. Ch. Postma«Rapid Sequencing of Individual DNA Molecules in Graphene Nanogaps» Nano Lett., 2010, 10 (2), pp 420–425 Задача – найти вольт-амперную характеристику (ВАХ) системы многослойный графен-квантовая точка-графен Одно из важных потенциальных приложений – быстрая расшифровка ДНК I(V) =?

35

36 Спиновый транспорт Графен кажется хорошим материалом для спинтроники, так как собственный магнитный момент у атомов углерода отсутствует При комнатной температуре электрон Переносит свой спин в графене на расстояние около 1 мкм. Устройства спинового транспорта должны работать по следующей схеме (1) Информация записывается в двоичном коде в виде последовательностей спинов (2) Каждый спин прицеплен к электрону, который осуществляет его транспорт Диффузия спина