Углеродные нанотрубки в электронике

Межсоединения. Сегодня электрические соединения внутри чипов обеспечиваются тончайшими медными контактами. Производство микросхем подошло к пределу дальнейшего уменьшения электрических проводников, соединяющих различные компоненты одного кремниевого чипа. В настоящее время электронно-лучевая литография позволяет создавать линии шириной 50 нм и несколько нм толщиной. Из-за уменьшения размеров транзисторов и увеличения их числа возникают проблемы с высокой плотностью электрического тока, который должен проходить через все более тонкие проводники. Поэтому однослойные нанотрубки диаметром 0.6 - 1.8 нм (1.4 нм типичный), выращиваемые на кремниевой подложке, могут послужить в качестве соединительных проводников в микросхемах (рис. 23).

Кроме миниатюрных размеров углеродные нанотрубки более термоустойчивы – до 2800 °С в вакууме и до 750 ⁰С на воздухе, чем металлические провода в микросхемах, которые плавятся при 600 - 1000 °С. Теплопроводность нанотрубок составляет до 6000 Вт/м·К, что превышает теплопроводность алмаза (3320 Вт/м·К).

Электронные устройства на нанотрубках. Рекорд подвижности электронов в углеродных нанотрубках при комнатной температуре составляет 100000 см²/В·с. Это значение подвижности на 23% превышает значение подвижности в InSb (77000 см²/В·с); в 70 раз выше, чем в кремнии (1500 см²/В·с). Углеродные нанотрубки с такой высокой подвижностью можно использовать для изготовления более быстродействующих транзисторов (рис. 24) и более чувствительных химических сенсоров.

В настоящее время созданы опытные образцы полевых транзисторов на основе одной нанотрубки: при приложении запирающего напряжения в несколько вольт проводимость однослойных нанотрубок изменяется на 5 порядков.

Ширина запрещенной зоны полупроводниковых нанотрубок зависит от диаметра нанотрубки и варьируется в пределе 0.7-1.1. эВ.

При создании светодиода на основе нанотрубок реализована трехконтактная конфигурация полевого транзистора с использованием SiO₂ подложки в качестве базы (рис. 25).

Испускание фотона происходит при рекомбинации носителей тока с разноименными зарядами: электронов и дырок. Электроны и дырки инжектируются в нанотрубку в области контакта с металлическим проводником эмиттера и коллектора за счет создания барьера Шоттки и, следовательно, контактной разности потенциалов соответствующего знака.

CNT-литография. Углеродные нанотрубки могут быть использованы как зонды для атомно-силовой микроскопии (АСМ) (рис. 26). Такие зонды для АСМ могут применяться для создания наношаблонов для нанолитографии или для травления поверхности в производстве полупроводниковых чипов. Т.о., СNT-зонд используется как нанопинцет для удаления атомов с поверхности.

В режиме травления нанозонд слегка касается поверхности и селективно удаляет атомы с поверхности. В режиме идентирования CNT-зонд надавливает на поверхность, чтобы сделать нанодырку.

Y-соединения нанотрубок.

Разветвленные сетки в биологических дендритных нейронных деревьях обеспечивают переключение сигнала и процессы в точках ветвления. Аналогичная концепция может быть предложена для создания разветвлений аналогично дендритоподобным нейронам, но сделанных из однослойных или многослойных углеродных нанотрубок.

На рис. 27 рассмотрена модель 4-х уровневого нейронного дерева, сделанного из 14 углеродных нанотрубок, связанных Y-соединением. На каждом уровне ветвления Y-соединение показаны одним цветом.

Рис. 27. Модель нейронного дерева на основе

Y-соединения трубок.

6.3. Холодные катоды на углеродных нанотрубках