1Дайте определение понятию «наноматериалы»
# 5Приведите примеры технологии «сверху-вниз»
жүктеу/скачать 0,64 Mb.
|
Нанотехнологии в электроэнергетике
- Бұл бет үшін навигация:
- 12Что представляет собой структура одноэлектронного транзистора
- 13 Объясните принцип работы одноэлектронного транзистора
- 14Что представляет собой эффект резонансного туннелирования
| #
5Приведите примеры технологии «сверху-вниз» Нанотехнология типа «сверху вниз»— технология получения наноструктурированных материалов, в которой нанометровый размер частиц достигается с помощью измельчения более крупных частиц, порошков или зёрен твёрдого тела. К технологиям этого типа относятся, например, методы, применяемые для получения компактных наноматериалов и нанопорошков из объёмных заготовок: кристаллизация аморфных сплавов; интенсивная пластическая деформация; электровзрыв; упорядочение твёрдых растворов и нестехиометрических соединений. 6Что представляет собой эффект кулоновской блокады? Кулоновская блокада — блокирование прохождения электронов через квантовую точку, включённую между двумя туннельными контактами, обусловленное отталкиванием электронов в контактах от электрона на точке, а также дополнительным кулоновским потенциальным барьером, который создаёт электрон, находящийся на точке. Аналогично тому, как поле ядерных сил при альфа распаде препятствует вылету альфа-частицы, кулоновский барьер препятствует вылету электрона из точки, а также попаданию новых электронов на неё. Экспериментально кулоновская блокада проявляется как пикообразная зависимость проводимости точки от потенциала точки, то есть от напряжения на дополнительном электроде (затворе). Это явление наблюдается тогда, когда кулоновская энергия e²/2C (обусловленная даже одним электроном с зарядом e; C — ёмкость точки) квантовой точки заметно больше, чем температура и расстояние между уровнями квантовой точки. Понять это явление можно следующим образом. Пусть с помощью дополнительного электрода потенциал точки установлен в V, и на точке находятся N дополнительных электронов. Пусть C — ёмкость точки. Тогда, чтобы перенести на точку дополнительный электрон, нужно совершить работу где — дополнительная энергия, обусловленная разностью уровня Ферми электронов на точке и в контактах. При определённом подборе напряжения на затворе и относительных положений уровней Ферми контактов и точки выполняют соотношение то есть потенциальный барьер для перехода электрона из контакта в точку исчезает. Это и наблюдается как пик в проводимости точки. Из-за конечной температуры точки уровень Ферми в контактах слегка размыт, это делает ширину пиков кулоновской блокады конечной. То есть обычно ширина пика в единицах eV порядка температуры точки в единицах # 7Приведите примеры технологии «снизу-вверх» В технологиях получения наноматериалов используют 2 подхода. Эти подходы принято называть технологиями «сверху-вниз» и «снизу-вверх». Нанотехнологии типа «снизу-вверх» (англ. «bottom-up» nanotechnology) – технология получения наноструктурированных материалов, в которой реализуется образование наночастиц из атомов и молекул, т.е. достигается укрупнение исходных элементов структуры до частиц нанометрового размера. Этот процесс в основном происходит путем самосборки или каталитических химических реакций. Они распространены в биологических системах и их можно увидеть на каждом шагу в живой природе. Например, при помощи биологических катализаторов – ферментов аминокислоты собираясь в последовательность формируют живую ткань. 8Каковы основные этапы технологии литографии? Метод литографии является самым распространенным процессом для получения наноструктур (в переводе от греческого «lithos» - камень и «grapho» - пишу, рисую, что дословно означает «пишу на камне».). Типичные технологические шаги процесса литографии таковы: (1) очистка подложки; (2) формирование маски из резиста: нанесение на подложку, сушка; (3) совмещение, экспонирование; (4) проявление; (5) травление; (6) снятие резиста. Резисты (англ. resist – сопротивляться, препятствовать) – это органические многокомпонентные полимерные композиции, чувствительные к воздействию какого-либо высокоэнергетического излучения (оптического, рентгеновского, потока ионов или электронов). Резисты применяются для формирования заданного рельефа на поверхности пленки и ее защиты от воздействия травителей. Их наносят на поверхность подложки в растворенной форме, а затем высушивают. Так как тип используемого воздействия во многом определяет схему всего литографического процесса, включая материалы и схемы оптических систем, требования к маскам, подложкам и т.д., классификацию литографических методов обычно проводят именно по этому параметру. Различают следующие методы литографии: • Оптическая литография; • Электронно-лучевая литография; • Ионно-лучевая литография; • Литография без применения излучения (печатная литография). Оптическая литография получила наиболее широкое распространение ввиду ее широкого использования для изготовления полупроводниковой вычислительной техники. Этот метод основывается на облучении резиста квантами света с длиной волны от 1 до 1000 нм. Электронная литография может выполняться путем последовательной передачи топологического рисунка на слой резиста сфокусированным единичным электронным лучом или путем одновременной проекции всего рисунка. То же можно сказать и об ионной литографии. Методы оптической литографии также классифицируют по применяемой схеме контроля освещенности: различают схемы с различным взаимным расположением маски и резиста, а также схемы проектирования с использованием дополнительных оптических систем. Таким образом, выделяют схемы контактной, бесконтактной и проекционной литографии. Ввиду недостатки каждого из вышеуказанного методов в настоящее время наиболее широкое применение получила проекционная литография. В этой схеме рисунок отображается на резист не путем затемнения подложки маской, а непосредственно проектируется на него с помощью фокусирующей оптической системы. Таким образом, с одной стороны удается увеличить срок службы маски по сравнению с методом контактной литографии путем исключения возможности соприкосновения маски с подложкой, а с другой – добиться увеличения разрешающей способности по сравнению с бесконтактной схемой. 9Как происходит процесс эпитаксии? Как было сказано выше, технология «снизу-вверх» сводится к получению наноразмерного объекта путем сборки из отдельных атомов и молекул. В большинстве технологий сборки наноматериалов из отдельных атомов лежит явление конденсации. Конденсация (от лат. condenso – уплотняю, сгущаю) – переход вещества из газообразного состояния в жидкое, или твердое вследствие его охлаждения или сжатия. Дождь, снег, роса, иней – все эти явления природы представляют собой следствие конденсации водяного пара в атмосфере. Конденсация, как и обратный процесс – испарение, является примером фазовых превращений вещества. Процесс фазового превращения из газа в жидкость, или из жидкости в твердое вещество протекает за определенное время. На начальной стадии процессе превращения образуются наночастицы, которые затем перерастают в макроскопические объекты. Наночастицы можно получить, если «заморозить» фазовый переход стадии. На основе явления конденсации получают фуллерены, углеродные трубки, нанокластеры и наночастицы различного размера. Управляемая конденсация атомов на поверхности кристалла (подложки) лежит на основе технологии эпитаксии. Эпитаксия (от греч. epi –на, над и греч. taxis – расположение, порядок) - расположение, порядок, или ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (подложки). Эпитаксию необходимых атомов на поверхность кристалла можно производить как из жидкой, так и газовой фазы. Процесс эпитаксии обычно начинается с возникновения на подложке отдельных кристалликов, которые срастаясь друг с другом, образуют сплошную пленку. Современные методы эпитаксии позволяют наращивать слои толщиной в несколько (даже один!) атомных слоев, а также последовательно наращивать слои с различными физико-химическими свойствами. Эпитаксия широко используется в микроэлектронике, в квантовой электронике, в устройствах интегральной оптики, в вычислительной технике и т.д. 10Дайте определение понятию наноэлектроника Наноэлектроника , область электроники, включающая создание приборов и устройств на основе твердотельных низкоразмерных структур с минимальными размерами элементов менее 100 нм, что обеспечивает их улучшенные характеристики и/или новые функциональные возможности. Принципиальное отличие приборов наноэлектроники заключается в их «квантовости»; на их свойства оказывают влияние квантовые явления: квантовые размерные эффекты, туннелирование, кулоновская блокада, волновые свойства частиц, их интерференция и др. Наноэлектроника является естественным развитием микроэлектроники, возникновение которой связывают с изобретением интегральной схемы. В соответствии с эмпирическим законом Мура в 1999 технология микроэлектроники преодолела рубеж минимальных размеров 100 нм, что положило начало становлению промышленной наноэлектроники на основе кремния. 11Сформулируйте закон Мура Закон Мура - эмпирическое наблюдение, согласно которому количество транзисторов, размещаемых на кристалле интегральной схемы, удваивается каждые 24 месяца. Гордон Мур - один из основателей компании Intel, в 1965 году сделал знаменательное наблюдение, позже получившее название закона Мура. Он заметил, что число транзисторов, которое удается разместить на кристалле микросхемы, удваивается каждые 12 месяцев. Он предсказал, что эта тенденция сохранится в 70-е годы, а начиная с 80-х темп роста начнет спадать. В 1995 году Мур уточнил свое предсказание, сделав прогноз, что удвоение числа транзисторов далее будет происходить каждые 24 месяца. Часто цитируемый интервал в 18 месяцев связан с прогнозом Давида Хауса из Intel, по мнению которого производительность процессоров должна удваиваться каждые 18 месяцев из-за сочетания роста количества транзисторов и быстродействия каждого из них. 12Что представляет собой структура одноэлектронного транзистора?Аналогично полевому полупроводниковому транзистору, одноэлектронный транзистор имеет три электрода: исток, сток и затвор. В области между электродами располагаются два туннельных перехода, разделённых дополнительным металлическим или полупроводниковым электродом с малой ёмкостью, который называется «островом». Остров представляет собой наночастицу или кластер нанометровых размеров, изолированный от электродов диэлектрическими прослойками, через которые и может при определённых условиях происходить движение электрона. Электрический потенциал острова может регулироваться изменением напряжения на затворе, с которым остров связан ёмкостной связью. 13Объясните принцип работы одноэлектронного транзистораКак и любой традиционный транзистор, он состоит из трех электродов, два из которых выполняют роль стока и истока, а третий является управляющим (затвор). Только вот между электродами расположен металлический или полупроводниковый «наноостровок» — наночастица или кластер нанометровых размеров. При этом толщины «наноостровков» настолько малы, что электрон может туннелировать. Если приложить разность потенциалов между стоком и истоком, то, казалось бы, должен потечь туннельный ток. Однако пока потенциал на управляющем электроде будет меньше некоторого порогового значения, туннелирование не наблюдается. Электрон на наночастице остается изолированным, т.е. «заблокированным». При дальнейшем же увеличении напряжения выше порогового значения блокада электрона прорывается, и в цепи между стоком и истоком происходит перескок электрона — течет туннельный ток. Таким образом, управляя потенциалом затвора, можно пропускать по цепи единичные электроны. Если пойти дальше и вместо наночастицы поместить между электродами молекулу или молекулярный комплекс, то движение единичных электронов будет осуществляться в результате прыжков по химическим связям — в работу вступят дискретные уровни энергии молекулы. Таким образом, одноэлектронный транзистор рассматривается как предельная степень миниатюризации классического транзистора — то, к чему стремятся все крупнейшие производители вычислительной техники. В настоящий момент работу одноэлектронных транзисторов можно наблюдать только в исследовательских лабораториях, но в будущем их использование в массовом производстве может привести к резкому снижению энергопотребления и тепловыделения электронными схемами, значительному увеличению быстродействия и плотности элементов микросхем. 14Что представляет собой эффект резонансного туннелирования?Эффект резонансного туннеля возникает при приближении к такой квантовой системе извне с энергией, близкой или равной энергии квазисвязанного уровня. Вероятность прохождения только через каждый из входных или выходных барьеров очень мала, но резонанс с уровнем ямы будет задерживать квантовую частицу на относительно долгое время, порядка величины времени жизни квази-частицы. связанный уровень, и этот захват позволит частице пройти через целое. Коэффициент пропускания барьера может приближаться к единице даже для толстых барьеров.Туннелирование представляет собой квантовый процесс прохождения частицы через классически недоступные области, в которых ее кинетическая энергия отрицательная. Под резонансным туннелированием понимают процесс, когда вероятность прохождения классически недоступных областей мала, однако имеются интервал энергии частицы для которых вероятность прохождения точно равна единице, но этот интервал чрезвычайно узкий.Действие электронных устройств на основе эффекта отрицательного дифференциального сопротивления (NDR) квантовых ям связано с так называемым эффектом резонансного туннелирования (RTE), наблюдаемым при прохождении электрического тока через структуру из двух тонких барьеров, между которыми располагается квантовая яма. Именно на этом эффекте основано действие многих промышленно выпускаемых диодов с резонансным туннелированием (RTD), широко применяемых в микроволной технике.Когда область, в которую или из которой может происходить туннельный переход электрона, является квантово-размерной (квантовая плоскость, квантовая линия, квантовая точка), то наблюдается еще один интересный эффект – "резонансное туннелирование".Явление резкого возрастания электрического тока сквозь туннельный переход, когда энергетические уровни электронов с обеих сторон от перехода уравниваются, называют "резонансным туннелированием" (англ. resonant tunneling).15Что представляет собой структура резонансно-туннельного диода? жүктеу/скачать 0,64 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|