При другой полярности нанотрубка заряжается положительно, электронная эмиссия из нее невозможна, и ток в системе не идет. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. НАНОЭЛЕКТРОНИКА  НА ФУЛЛЕРЕНАХ

     Фуллериты как полупроводники с запрещенной  зоной порядка 2,2 эВ можно использовать для создания полевого транзистора, фотовольтаических приборов, солнечных  батарей. Однако они вряд ли могут  соперничать по параметрам с обычными приборами с развитой технологией на основе Si или GaAs. Гораздо более перспективным является использование фуллереновой молекулы как готового наноразмерного объекта для создания приборов и устройств наноэлектроники на новых физических принципах.

     Молекулу  фуллерена, например, можно размещать  на поверхности подложки заданным образом, используя сканирующий туннельный микроскоп или атомный силовой микроскоп, и использовать это как способ записи информации. Для считывания информации используется сканирование поверхности тем же зондом. При этом 1 бит информации — это наличие или отсутствие молекулы диаметром 0,7024 нм, что позволяет достичь рекордной плотности записи информации.

     Интересны для перспективных устройств памяти и эндоэдральные комплексы редкоземельных элементов, таких как тербий (Тb), гадолиний (Gd), диспрозий (Dy), обладающих большими магнитными моментами. Фуллерен, внутри которого находится такой атом, должен обладать свойствами магнитного диполя, ориентацией которого можно управлять внешним магнитным полем. Эти комплексы (в виде монослойной пленки) могут служить основой магнитной запоминающей среды с плотностью записи до 10 бит/см (для сравнения оптические диски позволяют достичь поверхностной плотности записи 10 бит/см ).

     Разработаны физические принципы создания аналога  транзистора на одной молекуле фуллерена, который может служить усилителем тока наноамперного диапазона (рис. 7). Два точечных контакта, между которыми расположена молекула С₆₀, являются соответственно истоком и стоком. Третий электрод, представляющий собой маленький пьезоэлектрический кристалл

Рисунок 7.Принципиальная схема одномолекулярного транзистора на молекуле фуллерена С_60.

подводится  на ван-дер-ваальсово расстояние против молекулы С₆₀ (как затвор против канала в МОП-транзисторе). Входной сигнал подается на пьезоэлемент (острие), деформирующий молекулу, расположенную между электродами — истоком и стоком, и модулирует проводимость интрамолекулярного (intra — внутри) перехода. Прозрачность молекулярного канала токопротекания зависит от степени размытия волновых функций металла в области фуллереновой молекулы. Простая модель этого транзисторного эффекта — это туннельный барьер, высота которого модулируется независимо от его ширины, т. е. молекула С₆₀ используется как природный туннельный барьер. Предполагаемые преимущества такого элемента — малые размеры а очень короткое время пролета электронов в туннельном режиме по сравнению с баллистическим случаем, следовательно, более высокое быстродействие активного элемента. Рассматривается возможность интеграции, т. е. создания более чем одного активного элемента на молекулу С₆₀.

     В области наноэлектроники наибольший интерес с точки зрения возможных приложения вызывают квантовые точки {guantum dots). Такие точки обладают рядом уникальных оптических свойств, которые позволяют использовать их, например, для управления волоконной оптической связью, либо в качестве элементов процессора в проектируемом в настоящее время оптическом суперкомпьютере. Фуллерены являются во многих отношениях идеальными квантовыми точками, они имеют шанс стать самой маленькой микросхемой в компьютерном нанопроцессоре. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

3. ГРАФЕНОВАЯ НАНОЭЛЕКТРОНИКА

3.1. Транзистор на  графене

     В конце 2008 года компания IBM объявила о  разработке графенового полевого транзистора (GFET), работающего в гигагерцевом диапазоне. Транзистор был изготовлен на основе наноленты графена шириной 20 нм с помощью метода механического отслаивания чешуек графита и размещения их на слое термического оксида кремния толщиной 300 нм, нанесенного на высокоомную кремниевую подложку (>10 кОм·см). Электродами стока и истока служили 10 нм/50 нм слои Pd/Au, которые наносились поверх слоя титана толщиной 1 нм, выполняющего роль адгезива. Изолятором затвора служила пленка оксида алюминия толщиной 12 нм, осажденная методом атомно-слоевой эпитаксии (Atomic Layer Deposition, ALD) при температуре 250°С. Электроды формировались с помощью электронно-лучевой литографии и взрывного травления. Электроды истока перекрывали всю графеновую чешуйку, чтобы минимизировать неопределенность при ее извлечении для измерения S-параметров транзистора. Расстояние между электродами истока и стока составляло 500 нм, верхний затвор длиной LG полностью не перекрывал это расстояние. Ширина затвора (или ширина обоих каналов) составляла ~40 мкм.

     В созданных компанией IBM графеновых полевых транзисторах заряд переносят  электроны и дырки при положительных  и отрицательных значениях напряжения соответственно. Минимальная проводимость соответствует точке Дирака, где вклад электронов и дырок в перенос заряда одинаков. Напряжение верхнего затвора транзистора слабо влияет на значение минимальной проводимости или ток, указывая на то, что металлизация электродов верхнего затвора не изменяет свойства графенового канала. Было установлено, что в полевых транзисторах с верхними затворами зависимость тока стока от напряжения ID(VD) почти линейная до напряжения 1,6 В. Отсутствие насыщения тока – следствие нулевой запрещенной зоны графена. Вероятно, насыщение тока в графеновых транзисторах возможно при более высоких значениях напряжения смещения. Но для достижения требуемой скорости насыщения при представляющих интерес значениях напряжения стока подвижность носителей очевидно должна быть более высокой.

     В дальнейшем планируется выращивать графен на пластинах карбида кремния  и уменьшить ширину канала графенового  наноленточного транзистора до 2 нм.

3.2. Графеновая память

     Необычные свойств графена привлекают и  разработчиков высокопроизводительных компонентов компьютерной техники, в том числе энергонезависимой оперативной памяти. И здесь внимание привлекают работы ученых Университета Райса (США) Джеймса Тура, Юйбао Ли и Александра Синицкого, создавших ячейку памяти на основе диэлектрических наностержней – сердцевины из двуоксида кремния с графеновой оболочкой толщиной 5–10 нм. Изучение характеристик таких стрежней показало нелинейность их вольт-амперной характеристики: при низких значениях напряжения сила тока монотонно растет с увеличением напряжения, но при некотором пороговом значении напряжения V_пор происходит резкий переход в непроводящее состояние. Более того, такая структура обладает памятью: если наностержень перевести в непроводящее состояние импульсом, превышающим V_пор, это состояние после снятие напряжения не изменяется. Восстановление проводящего состояния возможно лишь при некотором значении напряжения V<V_пор.

     По  утверждению разработчиков, объем  графеновой памяти может превысить объем наиболее перспективной на сегодняшний день энергонезависимой флеш-памяти в пять раз, поскольку размер ее ячейки памяти меньше 10 нм, тогда как в флеш-памяти минимальный размер ячейки по-видимому не будет меньше 25 нм. Кроме того, новая ячейка памяти может иметь два контакта, а не три, как в современных устройствах памяти, что позволит послойно наращивать графеновые матрицы и, соответственно, увеличивать объем памяти с каждым слоем. К достоинствам графеновой памяти относится и достаточно широкий диапазон рабочей температуры – -75…200°С. Испытания предложенной памяти показали также ее стойкость к радиационному облучению, что делает ее перспективной для применения в системах, работающих в экстремальных условиях.

     Кроме того, испытания показали высокую  надежность графеновой памяти – 20 тыс. циклов записи/считывания не привели к изменению скорости переключения ячейки, измеренное значение которого составляло 1 мкс. Правда, это значение ограничено возможностями лабораторной измерительной аппаратуры, поэтому предполагается, что пропускная способность графеновых ЗУ может быть выше.

     К недостаткам предложенной графеновой памяти относится достаточно большое  время выборки – 100 нс (в десять раз больше, чем у современных  СОЗУ). Но разработчики уверены, что  по мере совершенствования новой  структуры им удастся уменьшить  это время.

3.2. От графена к графану

       Здесь первенство принадлежит ученым Университета Манчестера, в том числе А.Гейму и К.Новоселову, которые обнаружили, что графен может взаимодействовать с другими веществами, в результате чего образуются новые соединения с различными свойствами. Ими, опять впервые, была показана возможность контролируемого превращения графена, материала с высокой электропровдностью, путем обработки его потоком водорода в диэлектрик – графан.

     Графан, как и графен, имеет двухмерную гексагональную кристаллическую структуру. При этом атомы водорода присоединяются к атомам по обе стороны плоскости углерода. Графен, полученный традиционным методом отшелушивания и отожженный при температуре 300°C в атмосфере аргона (для избавления кристаллов исходного материала от возможных примесей и загрязнений), в течение двух часов подвергался воздействию плазмы, образованной смесью аргона и молекулярного водорода (доля Н₂ составляла 10%), находящейся при низком давлении (~10 П).

     Измерения проводимости графана подтвердили  теоретические предсказания его полупроводниковых свойств. С ростом температуры сопротивление графана, как и у полупроводников, уменьшалось. При температуре жидкого гелия (~4К) сопротивление графана увеличивалось на два порядка, а подвижность носителей по сравнению с графеном уменьшалась более чем в 1000 раз. При отжиге графана при температуре 450°C в течение 24 ч он вновь превращается в графен, его сопротивление слабо зависит от температуры, а подвижность носителей практически становится прежней.

     С появлением графана открылись новые  возможности для создания печатных плат наноэлектронных схем непосредственно на листе нового материала с последующим формированием контактных площадок путем испарения водорода в требуемых участках с помощью лазера. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Были  рассмотрены основные приборы и  устройства на основе углеродных наноструктур.  Все эти устройства пока только показывают возможности углеродных структур в электронике. Но говорить о промышленном производстве пока еще рано, имеются только единичные образцы приборов для научно-исследовательских целей. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ

1. Дьячков П. Н. Углеродные нанотрубки: строение, свойства, применение. М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2006 г.
2. И. В. Сухно, В. Ю. Бузько. Углеродные нанотрубки. Часть 1: высокотехнологические приложения. Краснодар 2008 г.
3. Старостин В. В. Материалы и методы нанотехнологии: учебное пособие. М. : БИНОМ. Лаборатория знаний, 2008 г.