Элементная база наноэлектроники на основе зондовых нанотехнологий

Формирование нанометровых объектов с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа или кантилевера атомно-силового микроскопа становится все более востребованным для создания элементной базы наноэлектроники, создания запоминающих устройств с терабитным объемом памяти. Тем самым понятие «зондовая нанотехнология» становится все более определенным и достаточно распространенным.

Зондовые нанотехнологии: взгляд на развитие

Применительно к электронике зондовую нанотехнологию можно определить как регламентированную последовательность способов и приемов формирования, модификации и позиционирования элементов нанометровых размеров, состоящих в том числе из отдельных молекул и атомов, на поверхности подложек с помощью зонда-острия и возможностью одновременной их визуализации и контроля.

Одним из примеров возможного создания запоминающих устройств сверхбольшой емкости может служить запись информации с помощью атомов кремния, находящихся на золотых дорожках. В свою очередь золотые дорожки нанометровой ширины были образованы на кремниевой подложке методом самоорганизации.

Одним из существенных недостатков зондовых нанотехнологии является низкая производительность процессов, осуществляемая одним зондом. Для преодоления этого недостатка разработчики пошли по пути создания многозондовых матричных устройств, работающих одновременно на одной подложке и расположенных на одном держателе.

Millipede — наномеханическое устройство для параллельной записи/считывания информаци.

наномеханическое устройство для параллельной записи/считывания информации. Чип размером 3x3 мм состоит из 1024 игл.

Методы зондовых нанотехнологий весьма разнообразны. Используются многие известные физические эффекты, в том числе локальный тепловой эффект от ускоренного пучка электронов в межэлектродном зазоре. Например, при типичном значении тока между зондом и подложкой 1 мкА и площади локализации тока 10*10 нм² плотность тока составляет 10⁶ А/см², и при напряжениях в несколько вольт между электродами может выделяться мегаваттная плотность мощности. Эффект локальной деформации подложки под воздействием электростатического притяжения электродов, пороговый эффект испарения атомов с поверхности электродов в сильном электрическом поле объясняются тем, что между зондом и подложкой весьма просто создать электрические поля, сравнимые с внутриатомными. Действительно, если расстояние между острием зонда и подложкой составляет 0,5 нм (это типичный туннельный зазор) и приложено напряжение всего 5 В, то напряженность электрического поля будет составлять 10⁸ В/см. Объемный эффект электродинамических сил возникает за счет высокой плотности тока и относительно слабого собственного магнитного поля. Эффект электронного «ветра» возникает тогда, когда суммарный импульс, переносимый пучком электронов может приводить к пластической деформации электродов. Между зондом и подложкой возможно проведение различных электрохимических реакций, в частности, достаточно той влаги на поверхности подложки, которая образуется в обычных лабораторных условиях, чтобы с помощью зонда проводить локальное анодное окисление.

Зондовое формирование полимерных микропроводников

В межэлектродном зазоре между туннельным зондом и подложкой возможно создание электрических полей, сравнимых с внутриатомными при напряжениях, не превышающих порог ионизации. В таких полях происходит поляризация молекул и атомов среды такая, что за счет диполь-дипольного взаимодействия возможно образование упорядоченных пространственных структур, в частности молекулярных мостиков.

Заметим, что для предотвращения деструкции среды за счет электрического поля в межэлектродном зазоре приложенная разность потенциалов не должна превышать соответствующие потенциалы ионизации молекул среды.

Рис. 8. Схематическое изображение элемента с вертикальным микроконтактом: 1 — металлическая подложка; 2— игольчатый электрод (зонд); 3—микропроводник; 4— диэлектрическая матрица.

Впервые явление формирования проводящих каналов длиной до 100 нм было обнаружено в сканирующем туннельном микроскопе, работающем на воздухе. При определенных условиях, в частности при медленном отведении зонда от поверхности подложки (не более 2 нм/с) возникали проводящие мостики между электродами из адсорбата воздуха, которым они покрыты. Найденные закономерности, очевидно, должны проявляться при определенных условиях и в жидких диэлектриках.