Кремний

2. Кремний • Благодаря более широкой запрещенной зоне собственное удельное сопротивление кремния на три с лишним порядка превосходит собственное сопротивление германия. • В планарной технологии кремниевых приборов одним из основных методов легирования полупроводниковых пластин и создания p-n переходов является диффузия электрически активных примесей. • Кремний является базовым материалом при изготовлении планарных транзисторов и интегральных микросхем.

3. Германий • Чистый германий обладает металлическим блеском, характеризуется относительно высокой твердостью и хрупкостью, подобно кремнию, он кристаллизуется в структуру алмаза. • Кристаллический германий химически устойчив на воздухе при комнатной температуре. При нагревании до 6500С он окисляется с образованием двуокиси GeO2. • При комнатной температуре германий не растворяется в воде, соляной и разбавленной серной кислотах. Активные растворители – смесь азотной и плавиковой кислот.

4. Германий обладает относительно невысокой температурой плавления – 9360С и ничтожно малым давлением насыщенного пара при этой температуре. Ширина запрещенной зоны при изменении температуры изменяется по линейному закону. • Для изготовления полупроводниковых приборов применяют германий с определенными добавками электрически активных примесей. На основе германия выпускается широкая номенклатура приборов самого различного назначения и, в первую очередь, диодов и транзисторов.

5. Арсенид галлия • Арсенид галлия среди соединений АIIIBV занимает особое место. Большая ширина запрещенной зоны (1,4 эВ), высокая подвижность электронов (0,85 м2/Вс) позволяют создавать на основе GaAs приборы, работающие в области высоких температур и высоких частот. • GaAs применяются для изготовления туннельных диодов. По сравнению с германиевыми диодами, приборы из арсенида галлия характеризуются более высокой рабочей температурой, а диоды из антимонида индия обладают лучшими частотными свойствами при низких температурах.

6. Прогресс в технологии арсенида галлия, достигнутый за последние годы, открыл широкие перспективы применения этого материала для создания полевых транзисторов и быстродействующих интегральных схем. По сравнению с кремнием GaAs является более технологически сложным материалом. Однако совершенствование технологии различных процессов, разработка новых методов осаждения защитных слоев позволяют реализовать возможности GaAs в повышении степени интеграции и быстродействия ИМС.

7. Фосфид индия • И́ндия фосфид, InP, монокристаллический полупроводниковый материал, относящийся к классу соединений AIIIBV. Монокристаллы фосфида индия имеют наибольшие перспективы широкого промышленного производства и применения после арсенида галлия.

8. Получение кристаллов фосфида индия для выращивания монокристаллов InP применяются те же методы, что и для арсенида галлия - метод Чохральского с жидкостной герметизацией расплава (LEC) и метод вертикальной направленной кристаллизации (VGF). Особенность технологий выращивания InP и GaAs заключается в том, что оба метода реализуются при высоком давлении инертного газа или фосфора в камере. В настоящее время производят кристаллы диаметром 100 и 150 мм.

9. Металлические пленки • «Тонкие» плёнки, толщины которых обычно имеют нанометровые размеры, могут существенно отличаться по свойствам от массивных образцов. Это открывает широкие возможности создания на поверхности изделий покрытий (плёнок), представляющих собой принципиально новые как по структуре, так и по свойствам материалы. • На базе использования плёнок возникли такие направления в технике как тонкоплёночная электроника, специальные разделы оптики. В принципе, через «тонкие» плёнки возможна практическая реализация нанокристаллического состояния материалов с целью достижения износостойкости, коррозионной стойкости и других качеств.

10. Высокое электрическое сопротивление «тонких» пленок обуславливается дополнительным рассеянием электронов на границах пленок, если толщина их соизмерима с длиной свободного пробега электронов проводимости. Рассеяние электронов возникает также на границах кристаллитов, тем более, когда их размеры - нанометровые, и, следовательно, граничная область с неупорядоченным расположением атомов занимает значительный объем пленки.

11. Зависимость удельного электрического сопротивления (p) плёнки от её толщины (h)

12. Диэлектрические пленки Диэлектрические пленки (ДП) – тонкий слой материала, обладающий высокими электроизоляционными свойствами, механической прочностью, гибкостью и устойчивостью против различных воздействий (воды, температуры). ДП широко используются для различных целей: • для изготовления кабелей и конденсаторов; • в качестве упаковочного материала; • для изготовления интегральных схем.

13. Синтетические полимерные пленки изготавливаются из полимеров: фторопласта-4, полиэтилена, полипропилена, полистирола, полихлорвинила, триацетата целлюлозы и др. Для увеличения механической прочности изготавливаются в комбинации с другими материалами: пленкокартона, пленколакоткани, пленкослюдопласта и т.п.

14. Органические материалы • Полимеры уже давно и успешно заменяют традиционные изоляционные материалы. Многообразие полимерных композиций и возможность получать на их основе материалы с широким диапазоном физико-химических свойств, привели к успешному использованию их в микроэлектронике и радиотехнике в качестве конструкционного материала. Но на этом интерес к полимерным материалам не иссяк. И сегодня интенсивно ведутся поиски модифицированных полимеров со свойствами проводимости, разрабатываются композиции с нелинейными характеристиками при полевых воздействиях.

15. Классический пример полимера этого класса – полиацетилен. Благодаря полисопряженным химическим связям, его электропроводность можно менять в широком диапазоне, как в процессе синтеза (путем контроля длины полимерных цепей), так и при полевых воздействиях (тепловом, электромагнитном, ионизирующим излучением), приводящих к соответствующему изменению либо первичной структуры полимера (структурная перестройка), либо к изменению степени его полимеризации. Проводящие полимеры широко используются для изготовления электродов химических источников тока (полианилины), автоматических терморегуляторов и стабилизаторов напряжения (полиакрилонитрилы), в качестве электролитов конденсаторов (соли полипироллов) и т.п.

16. Углерод и наноуглерод • Углерод существует во множестве аллотропных модификаций с очень разнообразными физическими свойствами. Разнообразие модификаций обусловлено способностью углерода образовывать химические связи разного типа.

17. Графит и алмаз. • Основные и хорошо изученные кристаллические модификации углерода – алмаз и графит. При нормальных условиях термодинамически устойчив только графит, а алмаз и другие формы метастабильны. При атмосферном давлении и температуре выше 12000 K алмаз начинает переходить в графит, выше 21000 K превращение совершается за секунды ( ΔН перехода – 1,898 кДж/моль). При нормальном давлении углерод сублимируется при 3 7800 K. Жидкий углерод существует только при определенном внешнем давлении. Тройные точки: графит-жидкость-пар Т = 41300 K, р = 10,7 МПа. Прямой переход графита в алмаз происходит при 30000 K и давлении 11-12 ГПа.

18. При обычных температурах углерод химически инертен, при достаточно высоких- соединяется со многими элементами, проявляет сильные восстановительные свойства. Химическая активность разных форм углерода убывает в ряду: аморфный углерод, графит, алмаз, на воздухе они воспламеняются при температурах соответственно выше 300-500 °C, 600-700 °C и 850-1000 °C.

19. Благодаря способности углерода образовывать полимерные цепочки, существует огромный класс соединений на основе углерода, которых значительно больше, чем неорганических, и изучением которых занимается органическая химия. Среди них наиболее обширные группы: углеводороды, белки, жиры и др.

20. Карбин • Кристаллическая модификация углерода гексагональной сингонии с цепочечным строением молекул называется карбин. Цепи имеют либо полиеновое строение (–C≡C–), либо поликумуленовое (=C=C=).

21. Карбин представляет собой мелкокристаллический порошок чёрного цвета (плотность 1,9-2 г/см³), обладает полупроводниковыми свойствами. Получен в искусственных условиях из длинных цепочек атомов углерода, уложенных параллельно друг другу. • Карбин – линейный полимер углерода. В молекуле карбина атомы углерода соединены в цепочки поочередно либо тройными и одинарными связями (полиеновое строение), либо постоянно двойными связями (поликумуленовое строение).

22. Углерод известен также в виде кластерных частиц С60, С70, C540, C100 и подобных (фуллерены), а также графенов и нанотрубок. • Аморфный углерод. В основе строения аморфного углерода лежит разупорядоченная структура монокристаллического (всегда содержит примеси) графита. Это кокс, бурые и каменные угли, техуглерод, сажа, активный уголь.

23. Фуллерены • Фуллерены – пустотелые шары и эллипсоиды нанометровых размеров, открытые в 1985 г. • Фуллерены действительно обладают нелинейными оптическими свойствами. Однако из-за высокой симметрии молекулы С60 генерация второй гармоники возможна только при внесении асимметрии в систему (например, внешним электрическим полем). С практической точки зрения привлекательно высокое быстродействие (~250 пс), определяющее гашение генерации второй гармоники. Кроме того, фуллерены С60 способны генерировать и третью гармонику.

24. Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь С60, являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм. Малое время отклика дает шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности

25. Молекулярный кристалл фуллерена является полупроводником с шириной запрещенной зоны ~1,5 эВ и его свойства во многом аналогичны свойствам других полупроводников. Поэтому ряд исследований был связан с вопросами использования фуллеренов в качестве нового материала для традиционных приложений в электронике: диод, транзистор, фотоэлемент и т.п. Здесь их преимуществом по сравнению с традиционным кремнием является малое время фотоотклика (единицы нс). • Однако существенным недостатком оказалось влияние кислорода на проводимость пленок фуллеренов и, следовательно, возникла необходимость в защитных покрытиях. В этом смысле более перспективно использовать молекулу фуллерена в качестве самостоятельного наноразмерного устройства и, в частности, усилительного элемента.

26. Сверхпроводящие свойства фуллеренов. • в начале 1991 г. было установлено, что легирование твердого С60 небольшим количеством щелочного металла приводит к образованию материала с металлической проводимостью, который при низких температурах переходит в сверхпроводник. Легирование С60 производят путем обработки кристаллов парами металла при температурах в несколько сотен градусов Цельсия. При этом образуется структура типа X3С60 (Х – атом щелочного металла). Первым интеркалированным металлом оказался калий. Переход соединения К3С60 в сверхпроводящее состояние происходит при температуре 190 К. Это рекордное значение для молекулярных сверхпроводников. Вскоре установили, что сверхпроводимостью обладают многие фуллериты, легированные атомами щелочных металлов в соотношении либо Х3С60, либо XY2С60 (X,Y – атомы щелочных металлов). Рекордсменом среди высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) указанных типов оказался RbCs2С60 – его ТКР = 330К.

27. Углеродные нанотрубки • Углеродные нанотрубки (тубулены) – это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров , состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку гексагональных графитовых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена .

28. Идеальная нанотрубка представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральностьнанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики .

29. Схемы строения различных модификаций углерода: a–алмаз, b–графит, c–лонсдейлит d–фуллерен - букибол C60, e–фуллерен C540, f–фуллерен C70 g–аморфный углерод, h–углеродная нанотрубка

30. Другой вероятной областью использования фуллеренов и, в первую очередь С60, являются оптические затворы. Экспериментально показана возможность применения этого материала для длины волны 532 нм. Малое время отклика дает шанс использовать фуллерены в качестве ограничителей лазерного излучения и модуляторов добротности. • Высокая стоимость, сложности с диспергированием фуллеренов в стеклах, способность быстро окисляться на воздухе, далеко не рекордные коэффициенты нелинейной восприимчивости, высокий порог ограничения оптического излучения (не пригодный для защиты глаз) создают серьезные трудности в борьбе с конкурирующими материалами.

31. Оптические свойства нанотрубок • Полупроводниковые модификации углеродных нанотрубок (разность индексов хиральности не кратна трем) являются прямозонными полупроводниками. Это означает, что в них может происходить непосредственная рекомбинация электрон-дырочных пар, приводящая к испусканию фотона. Прямозонность автоматически включает углеродные нанотрубки в число материалов оптоэлектроники

32. Электрические свойства нанотрубок. • При температуре, близкой к 40 К, между двумя сверхпроводящими металлическими контактами наблюдался ток. В отличие от обычных трехмерных проводников, перенос заряда в нанотрубке имеет ряд особенностей, которые, судя по всему, объясняются одномерным характером переноса как, например, квантование сопротивления.

33. Графен • Графе́н (англ. graphene) — слой атомов углерода толщиной в один атом, соединённых посредством sp² связей в гексагональную двумерную кристаллическую решётку. Его можно представить как одну плоскость графита, отделённую от объёмного кристалла.

34. Идеальная кристаллическая структура графена представляет собой гексагональную кристаллическую решётку.

35. Это тонкий кристалл, самый прочный (в 200 раз прочнее стали), самый гибкий – растягивается на 20 - 30%, самый прозрачный (поглощает всего 2% излучения) и обладающий самой большой проводимостью и теплопроводностью. Вероятнее всего он будет и самым дешевым.

36. Основной из существующих в настоящее время способов получения графена основан на механическом отщеплении или отшелушивании слоёв графита. Он позволяет получать наиболее качественные образцы с высокой подвижностью носителей.

37. Слои интеркалированного графита можно легко отделить друг от друга

38. Графен не является просто кусочком других аллотропных модификаций углерода: графита, алмаза – из-за особенностей энергетического спектра носителей он проявляет специфические, в отличие от других двумерных систем, электрофизические свойства.

39. Кристалли́ческая структу́ра – такая совокупность атомов, в которой с каждой точкой кристаллической решетки связана определенная группа атомов, называемая мотивной единицей, причем все такие группы одинаковые по составу, строению и ориентации относительно решетки.

40. Кусочки графена получают при механическом воздействии на высокоориентированный пиролитический графит или киш-графит. Сначала тонкие слои графита помещают между липкими лентами и отщепляют, раз за разом, тонкие слои графита, пока не будет получен достаточно тонкий слой (среди многих плёнок могут попадаться и однослойные, которые и представляют интерес). После отшелушивания скотч с тонкими плёнками графита и графена прижимают к подложке окисленного кремния.

41. Используя электронную литографию и реактивное плазменное травление, задают форму плёнки для электрофизических измерений

42. Дефекты • Идеальный графен состоит исключительно из шестиугольных ячеек. Присутствие пяти- и семиугольных ячеек будет приводить к различного рода дефектам.

43. Наличие пятиугольных ячеек приводит к сворачиванию атомной плоскости в конус. Структура с 12 такими дефектами одновременно известна под названием фуллерен. Присутствие семиугольных ячеек приводит к образованию седловидных искривлений атомной плоскости. Комбинация этих дефектов и нормальных ячеек может приводить к образованию различных форм поверхности.

44. Изображение гексагональной решётки графена. Жёлтым цветом показана элементарная ячейка, красным и зелёным цветами показаны узлы различных подрешёток кристалла. e1 и e2 — вектора трансляций

45. Ближайшие атомы в окружении центрального узла (A) решётки. Красная пунктирная окружность соответствует ближайшим соседям из той же самой подрешётки кристалла (A), а зелёная окружность соответствует атомам из второй подрешётки кристалла (B)

46. Дендримеры • Дендримеры – древообразные полимеры (греч. dendron – дерево), молекулы которых имеют большое число разветвлений.

47. «Строительство» таких молекул проводят по заранее намеченному плану, используя реагирующие группы трех типов (А, Б, и В), которые должны удовлетворять требованиям определенной логической схемы: 1. Каждая группа не может реагировать с себе подобной (А не взаимодействует с А и т. д.). 2. Группы А и Б могут реагировать между собой, но каждая из них не может реагировать с В. 3. Группа В должна иметь возможность превращаться в определенный момент в группу А.

48. Вначале в реакционную среду помещают центры будущих дендримеров, которые представляют собой молекулы, содержащие три группы А:

49. К ним добавляют реагент, содержащий в своем составе одну группу Б и две В:

50. Реагенты берут в таком количестве, чтобы соотношение групп А и Б было эквимолекулярным (точка, где происходит соединение реагирующих групп, обозначена звездочкой):