Разделение нанотрубок по полупроводниковому признаку

Углеродные нанотрубки кружат голову ученым уже не первое десятилетие. Наиболее перспективным считается их применение в области наноэлектроники, где на сегодняшний день доминируют полупроводниковые материалы из кремния. По мере того как размер единичных элементов силиконовых микросхем уменьшается к нанодиапазону, эффективность кремниевых микрочипов существенно снижается из-за необходимости преодоления большого сопротивления материала, компенсации токов утечки, тепловых эффектов и так далее.

Между тем, ученые сначала в теории, а затем и на практике давно показали, что углеродные нанотрубки могут быть как прекрасными проводниками с металлическим типом проводимости, так и полупроводниками. Электрофизические свойства одностенных углеродных нанотрубок зависят от способа упаковки атомов в структуре их стенок.

Уже удавалось показать, что полупроводниковые углеродные нанотрубки могут быть прекрасным материалом для нанотранзисторов и могут применяться в качестве металлических наноэлектродов. Однако проблема перехода от единичного эксперимента к масштабному производству здесь до сих пор не решена, как и в большинстве других отраслей наноэлектроники.

Работа Чжэнань Бао и её коллег из Стенфордского университета, вышедшая в последнем номере журнала Science, может стать первой ласточкой на этом направлении.

Ученые показали, как с использованием стандартных для микроэлектроники технологий можно не только эффективно разделять нанотрубки различного типа проводимости, но и проводить их выравнивание друг относительно друга и создавать высокоэффективные транзисторы.

При синтезе нанотрубок любым из нескольких современных способов примерно треть из них получаются полупроводниковыми, остальные же имеют прекрасную металлическую проводимость. Но различия в строении обуславливают не только электрофизические особенности, но и различия в адсорбционном взаимодействии с поверхностями твердых тел. Это обстоятельство и послужило отправной точкой в работе ученых.

Разделение по-разному сорбирующихся нанотрубок ученые проводили методом, которым обычно в микроэлектронике на кремниевые пластины наносят тонкие покрытия для фотолитографии или плазмохимического травления. В этом случае раствор функционального покрытия подается на быстро вращающуюся кремниевую пластину, после чего пластина сушится в печи. В результате её поверхность оказывается покрытой тонким и однородным по толщине слоем того или иного вещества.

В методе американских ученых на быстро вращающуюся пластину подавалась взвесь углеродных нанотрубок в органическом растворителе. Под действием центробежной силы нанотрубки в этом случае отбрасываются вдоль поверхности к краям пластины или вовсе слетают с нее, однако те, что адсорбируются лучше других, задерживаются на пластине дольше, что и позволяет провести их разделение.

Разумеется, если вылить смесь из различных типов нанотрубок на простую кремниевую пластину, пусть даже и быстро вращающуюся, то никакого разделения добиться не получится. Необходимо предварительно придать поверхности определенные химические свойства. Этот процесс, называемый в химической технологии модификацией поверхности, ученые осуществили с помощью специального класса химических соединений — силанов. Достоинством этих соединений является то, что они, с одной стороны, могут прикрепиться к поверхности кремниевой пластины с помощью полноценной прочной химической связи, а с другой стороны, могут нести на себе функциональную органическую группу, которая и будет в итоге отвечать за химические свойства поверхности пластины.

Для того чтобы привязать молекулы силанов к поверхности пластины, ученые при помощи термической обработки первоначально создали на ней тонкий слой оксидной пленки SiO₂. К ней же впоследствии и прививали молекулы силанов, несущие на себе углеродный скелет с аминогруппой и фенильной группой. То, что поверхность, модифицированная аминогруппой, способствует лучшей адсорбции углеродных нанотрубок, было известно по результатам прежних работ. Фенильная группа же была выбрана потому, что π-сопряжение её двойных связей углерод-углерод очень близко к строению π-системы углеродных связей в углеродных нанотрубках. Взаимодействие между фенильными радикалами и π-системой электронов нанотрубок также может привести к хорошей их адсорбции на поверхности.

Оказалось, что модификация поверхности фенильными радикалами благоприятствует адсорбции металлических нанотрубок, в то время как углеродный скелет с аминной функциональной группой хорошо сорбирует полупроводниковые образцы.

Подстраивая параметры центрифугирования, ученые добились не только полного разделения различных типов нанотрубок на поверхности пластин. Им удалось показать, что такой способ их нанесения позволяет одновременно и выровнять более 70% всех трубок вдоль определенного направления, причем отклонение от этого направления нанотрубок не превышает 10%.

Таким образом, в ходе одной не самой сложной и давно отработанной промышленной процедуры ученым удалось получить отсортированные и выровненные на подложке углеродные нанотрубки.

Соотношение тока во включенном и выключенном состоянии полевого транзистора, созданного на основе такого массива нанотрубок, превышает пять порядков.

Разумеется, транзисторы на основе нанотрубок создавались и раньше, но похвастаться такими высокими рабочими характеристиками их создатели не могли именно по причине того, что прежние методы разделения нанотрубок были либо очень сложны и годились только для единичных экспериментов, либо были очень несовершенны.