Реферат: Технология интегральных нэмс-структур для промышленного производства активных наномембран, газовых сенсоров и энергонезависимой памяти
Перспективный проект
Технология интегральных НЭМС-структур
для промышленного производства активных наномембран,
газовых сенсоров и энергонезависимой памяти
Руководитель проекта:
Хартов Станислав Викторович, научный сотрудник, к.т.н.
10.03.09
Аннотация
В настоящий момент в мире существует ряд проектов электромеханических структур, выполненных в наномасштабе. Однако в них вопрос промышленного формирования либо не затрагивается, либо ключевая роль отводится традиционным методам литографии, весьма ограниченным в своих возможностях. В итоге, прорывных продуктов, основанных на наноэлектромеханических системах (НЭМС), на сегодняшний день предложено не было.
В настоящем проекте предложена НЭМС-структура и технология её формирования, которые позволяют обойти ограничения фотолитографии. Это достигается благодаря следующим двум факторам. Первый фактор – основа геометрии каждого элемента задаётся в процессе самоорганизации (рост вертикальных углеродных нанотрубок). Второй фактор – предложен новый метод самосовмещения, позволяющий транслировать геометрию выращенных нанотрубок на проводящий слой и обеспечивать формирование управляющего электрода. В итоге ключевые геометрические параметры получаемых НЭМС-элементов могут контролироваться на нанометровом и субнанометровом уровне, а степень интеграции достигает 1016 м-2 (соответствует площади элемента 10×10 нм) без использования какого-либо вида литографии.
Наличие дешёвого группового метода формирования интегральных НЭМС-структур открывает возможность для создания устройств нового класса – активных наномембран. В них каждая пора представляет собой НЭМС-структуру. Это, с одной стороны, повышает уровень контроля геометрии пор (минимальный размер поры – 0,33 нм; разброс размеров, в силу действующих при самоорганизации фундаментальных ограничений, близок к нулю), а с другой стороны – обеспечивает принципиально новую функциональность по манипулированию обрабатываемым веществом, которая связана с возможностью поддержания в каждой поре заданного электрического поля и возможностью варьирования in situ эффективной геометрии пор. Это обеспечивает: механизм прецизионной настройки системы на целевые молекулы, новые механизмы селективности, выход на нереализуемые в обычных условиях цепочки химических превращений (приложение мембранных каталитических реакторов для крупнотоннажной химии), кардинальное повышение устойчивости к загрязнению пор (возможен режим контролируемой самоочистки), применение эффектов резонансного механического транспорта и др. В проекте раскрывается одно из приложений активных мембран – высокопроизводительное энергосберегающее опреснение морской воды (менее 0,14 кВтч/м3). Описанный класс устройств и метод их реализации предложены впервые.
Предлагаемые НЭМС-структуры позволяют превзойти современный уровень техники также в области сенсоров: обеспечивается предельно высокая чувствительность (в условиях вакуума – вплоть до регистрации актов сорбции отдельных молекул), простой способ измерения резонансной частоты (составляет отличие от традиционных МЭМС-сенсоров и становится возможным благодаря существенной роли сил Ван-дер-Ваальса на наноуровне), целый ряд универсальных механизмов селективности (в частности обеспечивается электрическое зондирование отдельных молекул или их групп), контролируемая регенерация сенсорной способности, малая стоимость, возможность интегрального исполнения и др. Указанные качества особенно актуальны в задаче создания устройств типа «электронный нос» в их наиболее полнофункциональном варианте.
Мембранная и сенсорная функциональность предлагаемого НЭМС-материала создают предпосылки для выхода на новый уровень в эффективности распознавания и обработки многокомпонентных сред.
В определённой перспективе на основе предлагаемой элементной базы может быть создана энергонезависимая память, претендующая на роль универсального типа памяти и обладающая сверхвысокой степенью интеграции, предельно малой стоимостью хранения одного бита информации, низкой плотностью межсоединений (используется дополнительная координата адресации), сверхвысокой радиационной стойкостью.
За пол года экспериментальной проработки проекта показана реализуемость всех этапов предлагаемой технологической цепочки. Необходимо их объединение в рамках единого техпроцесса: рост массива вертикальных углеродных нанотрубок, напыление 3-х функциональных слоёв, проведение операции самосовмещения углеродных нанотрубок и соответствующего функционального слоя.
Отметим, что требования, выдвигаемые со стороны предлагаемого техпроцесса, удовлетворялись уровнем технологий, существовавшим в мире ещё 10-25 лет назад (первая цифра относится к CVD-технологии роста вертикальных углеродных нанотрубок, вторая – к технологии вакуумного напыления слоёв и фотолитографии). В связи с произошедшей в начале этого года публикацией международных заявок на патент, особую роль приобретает закрепление приоритета в данной области. Причём как де-юре (в том числе посредством перевода международных заявок на национальную фазу ряда зарубежных стран) так и де-факто (опережающее развитие собственной технологической базы проекта).
Представляется целесообразной следующая логика коммерциализации проекта. Структуры с функциональностью газовых сенсоров ложатся в основу первого этапа коммерциализации. Действующий образец НЭМС-сенсора планируется получить в течение полугода. Первые продажи датчиков влажности расширенной функциональности (дополнительно детектируется уровень О2, СО2 и др.; обеспечивается возможность встраивания в мобильные телефоны) возможно осуществить на втором году. Далее планируется выход на рынок систем типа «электронный нос», а также расширение специализированных приложений НЭМС-сенсоров. Получение опытного образца активной мембраны планируется к концу второго года. Выход на рынок систем опреснения воды – 3-4-ый год. Предполагается постепенное расширение линейки мембран и систем на их основе по всему ряду целевых приложений. Совокупная ёмкость мирового рынка систем на основе предлагаемых интегральных НЭМС-структур соответствует макроэкономическому уровню. Темпы освоения данного рынка могут соответствовать единицам млрд. долл. в рамках среднесрочной перспективы, с последующим их увеличением. Предлагаемая технология интегральных НЭМС-структур удовлетворяет критериям ключевой технологии.
Содержание
3. Информация о заявителе...........................................................................................6
^ 4.Современное состояние исследований и разработок
в области реализации проекта …………………………………………………….9
5. Сущность предлагаемой разработки…………………………………………….13
5.1. Приложение в задаче высокоэффективного
энергосберегающего опреснения морской воды……………………………….21
5.1.1. Общая характеристика приложения………………………………….....21
5.1.2. Особенности предлагаемого технического решения
в задаче опреснения воды……………………………………………….23
5.2. Общая характеристика мембранного приложения технологии…………….30
5.3. Сенсорное приложение технологии………………………………………….33
5.4. Интегральные НЭМС-структуры в качестве
энергонезависимой памяти………………………………...………………..41
5.5. Приложение в области фотонных кристаллов………………………….........43
^ 6. Права на интеллектуальную собственность…………………………………....44
7. Конкурентные преимущества…………………………………………………….45
7.1. Приложение в общих задачах мембранной техники………………..……….45
7.2. Приложение в задаче опреснения морской воды…………………………….47
7.3. Приложение в задачах сенсорной техники………………………………..…54
7.4. Энергонезависимая память…………………………………………………...59
8. Рынок сбыта…………………………………………………………………….…..60
8.1. Характеристика рынка наномембран в целом……………………………….60
8.2. Общие тенденции рынка опреснительных систем…………..………………63
8.3. Характеристика рынка сенсорного приложения …………………………....64
8.4. Характеристика рынка энергонезависимой памяти…………………………67
^ 9. Порядок коммерциализации результатов разработки…………………….…68
9.1. Существующий задел………………………………………………………....68
9.2. Команда проекта………………………………………………………..……..71
9.3. Предполагаемая стратегия выхода на рынок………………………….…….72
9.4. Основные риски……………………………………………..………………..75
^ 10. Состояние и источники инвестирования в реализацию проекта………………………………………………………………………………..77
11. Предстоящие затраты по проекту…………………………………………….79
Приложение 1. Метод самосовмещения…………………………………………...83
Приложение 2. Требования, выдвигаемые к технологии
получения предлагаемых НЭМС-структур ………………………………………...87
Приложение 3. Устойчивость внедряемого техпроцесса к фактору загрязнений…………………………………………………………………………...94
Приложение 4. Особенности техпроцесса для случая
производства НЭМС-мембран………………………………………………………98
Приложение 5. Особенности реализации и функционирования
энергонезависимой памяти на основе предлагаемых НЭМС-структур…………106
Приложение 6. Сравнение НЭМС-мембран и гидроволнового
метода в задаче опреснения воды………………………………………….……….114
Приложение 7. Таблица сравнения параметров существующего
уровня техники и предлагаемого технического решения………………….…….118
^ 3. Информация о заявителе
Руководитель проекта:
Хартов Станислав Викторович
Научный сотрудник Красноярского научного центра СО РАН
Почтовый адрес: 660036, Красноярский край,
г. Красноярск, Академгородок, 50
Тел. 8 902 976 61 56; раб.: 8 391 249 49 60; факс: 8 391 290 73 32
e-mail: Khartov@nikel.akadem.ru
Учёная степень: к.т.н.
Важнейшие работы:
В 2003 году, в рамках работы в УНЦ «Зондовая микроскопия и нанотехнологии» (МИЭТ) заявителем была разработана оригинальная методика измерения толщины адсорбата воздуха на поверхностях твёрдого тела методами сканирующей атомно-силовой микроскопии (АСМ). Были получены данные по толщине адсорбата воздуха для ряда материалов при различных уровнях влажности. Знание толщины адсорбата воздуха важно в таких приложениях как локальное анодное окисление, МЭМС, приборы на основе поверхностных акустических волн, химические сенсоры и др.
В 2004-2005 годах заявителем была проведена экспериментальная работа по формированию и исследованию молекулярных проводников в полимерной матрице, результатом которой стало выяснение условий формирования молекулярных проводников и доказана баллистическая природа их электронного транспорта. Данные результаты заявителя и его научного руководителя – проф. В.К. Неволина (МИЭТ), не имеют мировых аналогов.
В 2005-2006 годах была предложена и экспериментально реализована концепция планарного молекулярного проводника между электродами в виде ориентированных углеродных нанотрубок. Для планарных молекулярных проводников был обнаружен полевой эффект, а также эффект переключения проводимости внешним полем. Были созданы прототипы полевого транзистора и ячейки энергонезависимой памяти. Осуществлённая в рамках данной работы экспериментальная реализация нанотрубных электродов является одним из первых подобных результатов в мире.
В 2006-2007 годах предложена и экспериментально реализована концепция нового проводящего композитного материала на основе сформированных полем молекулярных проводников в полимерной матрице. Данная концепция обеспечивает переход от дискретных молекулярных проводников к объёмному материалу. Разработан метод формирования данного материала, получены отверждённые образцы композита (малой протяжённости) с удельной проводимостью на 2-3 порядка превышающей удельную проводимость традиционных композитов на основе перколированных нанотрубок, выявлены факторы, ограничивающие проводимость, сформулированы пути их преодоления.
В 2006-2007 годах заявитель выступает в роли одного из инициаторов и исполнителей инновационного проекта «Учебно-исследовательская установка роста углеродных нанотрубок CVDomna». Установка CVDomna завоевала ряд наград на международных выставках. К настоящему времени реализовано 4 установки на сумму более 3-х млн. руб.
В 2006-2007 предложена концепция селективного датчика газов на основе системы осциллирующих углеродных нанотрубок «НаноАрфа». Получен ряд экспериментальных результатов (в частности средствами установки CVDomna).
В 2007 году предложена концепция наноэлектромеханической структуры на основе углеродных нанотрубок («НаноВарган») и метода её получения, включая новый способ самосовмещения. В настоящее время в работе заявителя реализация данного проекта имеет наивысший приоритет.
В 2008 г. защищена диссертация. По результатам защиты заявителю присуждена степень кандидата технических наук.
Перечень основных достижений:
Первое место на Международном конкурсе научных работ молодых учёных в области нанотехнологий по секции Наноматериалы для электроники, магнитных систем и оптики в рамках первого Международного форума по нанотехнологиям Rusnanotech2008;
Почётный диплом за 3 место в конкурсе "Лучший молодой специалист 2007 года в области науки и техники", Зеленоград;
Заявитель удостоен стипендии Президента. 2007;
Диплом за лучший инновационный проект по направлению «Индустрия наносистем и материалы» Всероссийского конкурса инновационных проектов аспирантов и студентов. 2006;
Второе место на конференции «Микроэлектроника и информатика – 2006;
Второе место на конференции «Микроэлектроника и информатика – 2005;
Кроме того, заявитель входит в число награждённых:
Диплом «Золотая медаль «Архимед» -2008» за разработку «Установка роста углеродных нанотрубок CVDomna»;
Дипломом за участие в Выставке «Инновационные достижения России» в рамках XI Петербургского Международного Экономического Форума (проект «CVDomna»). 2007;
Медалью и дипломом за достижения в области высоких технологий на VIII Международном Форуме «Высокие технологии XXI века» (проект «CVDomna»). 2007;
Серебряной медалью и дипломом за лучшее изобретение на 10-ом Московском международном салоне промышленной собственности «Архимед» (проект «CVDomna»). 2007;
Первым местом на Конкурсе молодежных инновационных предпринимательских проектов «День науки Зеленограда-2007» (проект «CVDomna»). 2007;
Золотой медалью в номинации «Перспективные и инновационные разработки» XIII Московской промышленной выставки (проект «CVDomna»). 2007;
Почётным дипломом IV специализированной выставки нанотехнологий и наноматериалов NTMEX-2007 (проект «CVDomna»). 2007
Общее число публикаций – 22, в том числе в журналах «Доклады академии наук» и «ПЖТФ», патентов – 5, заявок на патент – 2.
^ 4. Современное состояние исследований и разработок в области реализации проекта
Исторически, первые функциональные структуры, применяемые человеком для манипулирования веществом и информацией, были механическими – от каменного топора до печатных станков и арифмометров. С изобретением во второй половине 20-го века транзистора в манипулировании информацией произошёл переход к системам полностью электронного принципа действия. Это открыло путь к грандиозному увеличению эффективности обработки информации. Однако интересен, а на самом деле – вполне закономерен, тот факт, что на новом уровне миниатюризации «механика» не только не потеряла своей актуальности, но именно здесь открывает свои широчайшие возможности. Причём как в манипулировании информацией (участие в данном процессе вещества и энергии – вынужденная необходимость) так и веществом (участие вещества и энергии есть содержательная часть процесса). Объединение электрической и механической основ работы в рамках единой электромеханической структуры выступает особо перспективным и продуктивным направлением в рамках данного подхода. Однако в настоящее время внедрение интегральных электромеханических систем сдерживается ограничениями, накладываемыми, прежде всего, существующей технологией производства, в основе которой лежит традиционная фотолитография.
Приведём пример из области обработки сигналов. Значительный интерес представляет применение электромеханических структур в основе резонаторов в системах обработки сигналов. Такие резонаторы должны заменить внешние к интегральной схеме фильтры на основе относительно больших кварцевых резонаторов. Существующее направление микроэлектромеханических (МЭМС) резонаторов основано на использовании механического движения подвешенной кремниевой балки. Однако размеры кремниевой балки, обеспечиваемые фотолитографией, соответствуют микрометровому диапазону, что обуславливает ограничения по частоте собственных колебаний. При более высоких частотах резонаторы данного типа начинают страдать от падения коэффициента добротности. Кроме того, оказываются весьма ограниченными динамический диапазон и возможность настройки резонансной частоты кремниевой балки, а также усугубляется проблема преобразования механического движения балки в выходной электрический сигнал. Применение наноструктур в качестве основы механических резонаторов позволит преодолеть перечисленные недостатки и создать высокочастотные малошумящие резонаторы с высоким коэффициентом добротности.
Аналогичный пример ограниченности возможностей современной МЭМС технологии можно привести для случая сенсорной техники. Относительно большая удельная поверхность МЭМС-балок, низкие добротность и частота колебаний, пропорционально уменьшают чувствительность сенсоров, а сложность измерения резонансной частоты (применяются дополнительные оптические, тензорезистивные, пьезоэлектрические, емкостные системы) увеличивают сложность, стоимость, массогабаритные параметры и снижают надёжность конечных датчиков.
Что касается применения МЭМС в качестве основы предлагаемых в проекте активных наномембран, то несоответствие возможностей существующей МЭМС-технологии выдвигаемым в случае данного приложения требованиям столь велико, что подобная задача даже не получила своей формулировки.
В настоящее время существует ряд проектов различных электромеханических структур, чьи функциональные элементы выполнены в наномасштабе. Таким образом, данные проекты призваны обеспечить переход от МЭМС к НЭМС. В частности было предложено в качестве элементов с управляемым состоянием использовать углеродные нанотрубки, закрепление которых позволяет совершать механическое движение тем или иным образом (патенты US2002167375, EP1646145, WO02080360, WO2007030423, CA2581248, US2007063740, WO0103208). Однако, в данных примерах разработчики, использовав потенциал процессов самоорганизации в той части, которая касается получения углеродных нанотрубок, на остальных этапах создания структур либо обращаются к традиционной, весьма ограниченной по возможностям, литографии, либо вообще не затрагивают вопроса средств формирования предлагаемых структур.
В связи с этим, на настоящий момент отсутствуют рыночные продукты на основе подобных структур. Исключение составляет американская компания Nantero (www.nantero.com), которая объявила о лицензировании своей технологии NRAM (Nanotube Random Access Memory). Однако технология NRAM имеет ряд недостатков, которые на настоящий момент не позволяют получить существенные преимущества от её внедрения. Во-первых, задание геометрии интегральных электромеханических систем обеспечивается фотолитографией. С её помощью в подложке формируются канавки, над которыми затем планарно подвешиваются сетки углеродных нанотрубок (рис. 1). Контакты к углеродным нанотрубкам формируются в области берегов канавок. При этом длина углеродных нанотрубок и, соответственно, ширина канавки, должны иметь достаточную величину, для того чтобы сила Кулона, действующая со стороны находящегося на дне канавки затворного электрода, могла вызвать провисание сетки нанотрубок и её соприкосновение с дном канавки (фиксация нанотрубок в этом состоянии осуществляется посредством сил Ван-дер-Ваальса).
Рис. 1. Схематическое изображение группы элементов НЭМС-памяти компании Nantero (слева) и вид одного элемента, полученный средствами электронной микроскопии (справа)
Таким образом, минимальная ширина канавок лимитируется не только фотолитографией, но и самим принципом работы функционального элемента. Далее, каждая сетка нанотрубок должна иметь сформированные фотолитографией контакты, подводящие электроды и затвор. В результате предпосылки к росту степени интеграции относительно традиционных СБИС на основе МОП-транзисторов отсутствуют. Такой рост может иметь место в будущем, когда развитие литографических методов приведёт к тому, что размеры МОП-транзисторов будут лимитироваться уже не литографией, а исключительно фундаментальными физическими ограничениями, такими как стохастическое распределение примеси в легированном полупроводнике. В этом случае NRAM, за счёт электромеханического принципа работы и использования углеродных нанотрубок в качестве управляемого элемента, сохранит потенциал к дальнейшей миниатюризации (до тех пор пока не скажется ограничение обусловленное планарным расположением углеродных нанотрубок). Однако издержки производства, львиная доля которых определяется литографией высокого разрешения, останутся сравнимыми с традиционной МОП-технологией.
Вторым недостатком NRAM является используемый метод позиционирования нанотрубок над канавками. Он предполагает высаживание предварительно приготовленных нанотрубок из коллоидного раствора. Результатом применения такого метода является формирование на поверхности подложки ориентированной сетки нанотрубок, обладающей, тем не менее, случайной геометрией. В отличие от одиночных нанотрубок, сетка требует для своего провисания ещё большего уширения канавок, а также ограничивает минимальный размер элемента в направлении вдоль канавки.
В продолжение характеристики современного состояния дел в области НЭМС-технологии, отметим, что упомянутая компания Nantero является как наиболее близкой по содержательной части продвигаемой ею технологии к предлагаемому в настоящей работе проекту, так и наиболее передовым разработчиком НЭМС в мире. Обращает на себя внимание подход компании к оформлению интеллектуальной собственности, который можно образно охарактеризовать как «метод выжженного поля»: согласно поиску в международной патентной базе, данной молодой компанией к настоящему моменту уже получено свыше 200 патентов (предполагаемые затраты около 10 млн. долл.). Интеллектуальный и технологический задел Nantero получил высокую оценку со стороны других участников рынка – с конца 2008 г. основным акционером компании становится один из мировых лидеров в аэрокосмической отрасли – компания Lockheed Martin.
Используемая в настоящем проекте концепция НЭМС-структуры и технологии её формирования позволяет преодолеть зависимость от возможностей литографии и находится вне поля патентной активности Nantero. Благодаря возможностям предлагаемой технологии возникли предпосылки к целому ряду новых технических результатов в различных приложениях. К таким приложениям в первую очередь относятся мембраны, сенсорная техника, энергонезависимая память, фотонные кристаллы. У опрошенных специалистов, работающих в области близкой к МЭМС/НЭМС, не вызывает сомнений, что предлагаемый новый способ получения дешёвых интегральных НЭМС-структур имеет высокую технологическую значимость и в ближайшее время станет одним из мэйнстримов развития всей НЭМС тематики.
В заключение резюмируем, что согласно результатам проведённых заявителем анализа литературы и патентного поиска, на настоящий момент отсутствуют проекты НЭМС-структур, которые позволяли бы в полной мере преодолеть ограничения литографических методов формирования. В ряде проектов используются методики жертвенного слоя и внесение в структуру объектов самоорганизации. Это позволяет размерам отдельных элементов в составе функциональных структур выйти за пределы разрешающей способности фотолитографии, однако общая степень интеграции остаётся жёстко связанна с последней.
^ 5. Сущность предлагаемой разработки
Рассмотрим основные особенности предлагаемой технологии формирования НЭМС-структур. Первичным процессом, задающим геометрию структуры, является процесс роста массива вертикальных углеродных нанотрубок. Общеизвестно, что данный процесс относится к процессам самоорганизации, в силу чего получаемые на его выходе углеродные нанотрубки характеризуются высокой степенью структурного совершенства, а их диаметр может достигать 0,7 нм. Столь малые объекты, обладающие совершенной структурой, не могут быть получены за рамками методов самоорганизации (bottom-up методов), причём независимо от возможных перспектив развития методов литографии (top-down методы). Получение массива вертикальных углеродных нанотрубок входит в существующий уровень техники и является классическим приложением CVD-технологии роста углеродных нанотрубок. Для обеспечения разделения нанотрубок массива зазорами и их механического закрепления в вертикальном положении в проекте в частности используется технология роста углеродных нанотрубок на каталитических частицах, внедрённых в поры подложки из оксида алюминия. Данный результат также входит в существующий на настоящий момент уровень техники. Здесь отметим только, что для внедрения катализатора в поры в проекте используется оригинальная методика никелевого золь-гель катализатора.
На следующем этапе задействуются физические механизмы, обеспечивающие трансляцию геометрии каждой выращенной углеродной нанотрубки на управляющий электрод. Для этого впервые предложен и реализован метод, основанный на локальном анодном окислении (ЛАО) управляющего электрода посредством углеродной нанотрубки (рассмотрение данного метода дано в Приложении 1, стр. 83). Поскольку образуются летучие продукты окисления, то метод позволяет достичь эффекта самосовмещения управляющего электрода и обеспечивает минимизацию зазора управляющий электрод – углеродная нанотрубка (нижний предел получаемых коаксиальных зазоров составляет 0,33 нм; обоснование дано в приложении). Описываемые структуры представляют собой массив разрозненных вертикальных углеродных нанотрубок, пронизывающих проводящий слой (данный слой выполняет функцию управляющего электрода) и отделённых от него коаксиальными цилиндрическими зазорами (рис. 2).
^ Рис. 2. Схематическое изображение фрагмента массива НЭМС-элементов;
1 – входной электрод;
2 – углеродные нанотрубки;
3 – диэлектрический слой;
4 – слой аморфного углерода
Рассмотрим процесс формирования структуры более подробно. Методом каталитического пиролиза углеродосодержащего газа осуществляется рост вертикальных углеродных нанотрубок (рис. 3а). Затем осуществляется нанесение металлического слоя (например, нанесение слоя тантала методом катодного или ионного распыления). Данный слой выполняет функцию входного электрода. Далее наносится диэлектрический слой (например, слой оксида алюминия методом ионного распыления). Данный слой отделяет входной электрод от управляющего. Методом катодного или ионного распыления наносится слой аморфного углерода, который играет функцию управляющего (или – выходного) электрода (рис. 3б).
а
б
в
^ Рис. 3. Схематическое изображение процесса формирования НЭМС-структуры с самосовмещённым затвором; 1 – диэлектрическая подложка, 2 – углеродная нанотрубка, 3 – металлический слой (входной электрод); 4 – диэлектрический слой; 5 – слой аморфного углерода (выходной /управляющий электрод)
Посредством термической обработки производится повышение проводимости слоя аморфного углерода. Далее производится операция отделения углеродной нанотрубки от управляющего электрода посредством образования между ними цилиндрического зазора. Для этого между входным и управляющим электродами прикладывается разность потенциалов не менее 3 В, так чтобы управляющий электрод являлся анодом. При этом в области вокруг нанотрубки происходит анодное окисление аморфного углерода с образованием газообразного СО2, что приводит к формированию зазора между нанотрубкой и управляющим электродом (рис. 3в; процесс окисления инициируется в области выхода нанотрубки на поверхность и последовательно перемещается вдоль нанотрубки к подложке). Процесс окисления происходит до тех пор, пока нанотрубка не окажется полностью изолированной от выходного электрода. Атмосфера, в которой проводится процесс локального анодного окисления должна содержать кислород или пары воды.
Варьирование ширины зазора достигается посредством контроля интенсивности процесса ЛАО. Для того чтобы в процессе эксплуатации полученной структуры при переходе нанотрубки в состоянии механического контакта с управляющим электродом (рис. 4а) не происходило нежелательное окисление последнего, необходимо либо ограничить диапазон изменения напряжения смещения в пределах не более 3 или 6 В (зависит от полярности напряжения; отметим, что в силу нанометровых линейных размеров структуры указанный допустимый диапазон рабочего напряжения смещения соответствует сверхбольшому диапазону напряжённости электрического поля), либо обеспечить рабочую атмосферу, не содержащую O2 и H2O. Другим вариантом является нанесение на поверхность управляющего электрода дополнительного слоя химически инертного проводящего материала (например, слоя Au; рис. 4б).
Имеется возможность выполнить управляющий электрод полностью из инертного металла. В этом случае для реализации самосовмещения необходимо в качестве углеродных нанотрубок использовать многослойные углеродные нанотрубки. Поменяв полярность напряжения смещения так, чтобы управляющий электрод был катодом, а углеродные нанотрубки – анодом, можно вызвать анодное окисление одного или нескольких внешних слоёв нанотрубок (см. Приложение 1, стр. 83).
Рис. 4. а) Схематическое изображение НЭМС-структуры в состоянии механического контакта нанотрубки и управляющего электрода; б) структура с нанесённым на поверхность управляющего электрода слоем инертного проводящего материала; 1 – диэлектрическая подложка, 2 – углеродная нанотрубка, 3 – металлический слой (входной электрод); 4 – диэлектрический слой; 5 – слой аморфного углерода (выходной /управляющий электрод); 6 – слой инертного проводящего материала
Ширина полученного таким образом зазора, отделяющего нанотрубку от управляющего электрода, будет строго соответствовать фундаментальной величине расстояния между слоями в углеродной нанотрубке, которое составляет 0,33 нм. Данную величину можно рассматривать как предельное значение разрешающей способности предлагаемого метода самосовмещения.
Описанный способ позволяет формировать групповым образом НЭМС-структуры с общим входным и управляющим электродами. Предельно достижимая поверхностная плотность таких структур определяется диаметром однослойных углеродных нанотрубок и может достигать порядка 1016 м-2 (соответствует размерам элемента ~10×10 нм) и более. Ширина зазора, отделяющего нанотрубки от управляющего электрода, может достигать 0,33 нм. Данные параметры значительно превосходят параметры имеющихся на рынке электронных или электромеханических функциональных элементов, и по порядку величины близки к фундаментальному пределу, обусловленному атомарным строением вещества.
Для ряда приложений существенный эффект может быть получен уже от внедрения значительно более массивных функциональных элементов. В связи с этим важно отметить масштабируемость предложенных структуры и технологического процесса, обеспечивающую сохранение ими работоспособности для широкого диапазона размеров (характеризует гибкость технологии). Увеличение характерных размеров структуры реализуется за счёт увеличения длины и числа слоёв углеродной нанотрубки и соответствующего изменения параметров формирующего зазор ЛАО. Таким образом, продукт коммерческого уровня может быть получен уже в рамках грубого приближения целевой технологии, с последующим постепенным совершенствованием техпроцесса (как произошло в случае с развитием кремниевой микроэлектроники).
Непосредственными областями приложения описанных интегральных НЭМС-структур являются наномембраны, сенсорная техника, энергонезависимая память, фотонные кристаллы. Отметим, что для реализации приложения, связанного с энергонезависимой памятью, необходимо дальнейшее развитие существующей в России CVD-технологии роста углеродных нанотрубок (притом, что требования к технологии остаются относительно мягкими: отсутствуют требования по упорядоченности расположения углеродных нанотрубок, их длине, хиральности и наличию дефектов; ниже данный вопрос будет рассмотрен подробнее). Для таких приложений как наномембраны и газовые сенсоры требования к технологии роста углеродных нанотрубок носят ещё более мягкий характер и удовлетворяются существующей на данный момент CVD-технологией роста углеродных нанотрубок.
Рассмотрим основную функциональность описанных структур (более подробное рассмотрение будет дано применительно к конкретным приложениям).
Углеродная нанотрубка и управляющий электрод в каждой структуре составляют два коаксиальных независимых электрода, отделённых нанометровым или субнанометровым зазором. Таким образом, первая функциональность заключается в создании электрического поля в определённых пространственных областях, напряжённость которого может варьироваться в широчайших пределах и достигать величин, сравнимых с внутриатомными. Далее, поскольку углеродная нанотрубка отделена от управляющего электрода зазором, она свободна совершать механическое движение, в том числе колебания на собственных частотах. С нанотрубкой электрически соединен входной электрод. Приложение напряжения смещения между входным и управляющим электродом позволяет оказывать на нанотрубку воздействие посредством силы Кулона. При определенном значении прикладываемого напряжения смещения, упругая деформация нанотрубки обеспечивает переход нанотрубки в состояние механического и, следовательно, электрического контакта с поверхностью управляющего электрода (рис. 4а). В данном состоянии нанотрубка обеспе
^ 5.1. Приложение в задаче высокоэффективного энергосберегающего опреснения морской воды
5.1.1. Общая характеристика приложения
Проблема эффективного метода опреснения морской воды является чрезвычайно актуальной. Под эффективным опреснением предполагается такое опреснение, которое сделало бы рентабельным использование полученной воды не только в качестве питьевой, но также в качестве водного источника для сельского хозяйства и промышленности. Именно в этом случае можно говорить об обеспечении одного из существенных условий устойчивого развития нашей цивилизации. Уже сегодня на планете более 2 млрд. человек испытывают нехватку воды, причём более половины из них живут в условиях жесточайшего дефицита. Имеется тенденция быстрого ухудшения ситуации. По прогнозам к 2025 году двое из трёх человек будут испытывать недостаток пресной воды. Ясно, что все конструктивные экономические и социальные начинания, необходимость в которых на настоящий момент столь очевидна, в таких условиях будут существенно затруднены. Отметим, что приведённые оценки ещё не полностью учитывают ущерб от нехватки воды в плане продовольственного самообеспечения целого ряда стран (большинство голодающих стран характеризуются избытком солнца, земли и рабочих рук – не хватает т