Разработка и исследование технологии формирования наноструктур с проводящим каналом на основе слоев графена

• Автор: Левин, Денис Дмитриевич
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 139 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1.1. Физико-химические свойства углеродных материалов
1.1.1. Типы гибридизации атомных связей в углеродных материалах
1.1.2. Физико-химические свойства графена
1.2. Методики получения графена
1.2.1. Мнкромеханическое расщепление
1.2.2. СУЭ и эпитаксиальный рост графена
1.2.3. Химическое методы получения графена
1.3. Проблемы, связанные с применением графена в качестве основы для
функциональных элементов микро- и наноэлектроники
1.3.1. Формирование запрещенной зоны в графене
1.4. Формирование устройств на основе наноразмерных слоев графита
1.4.1. Высокочастотные транзисторы
1.4.2. Электроды для суперконденсаторов и дисплеев
1.4.3. Химические и физические датчики
1.5. Выводы по главе
Глава 2 Получение и диагноешка пленок графита наноразмерной толщины
2.1 Разработка методики формирования наноразмерных пленок графита
методом каталитического пиролиза паров этанола
2.1.1. Выбор парогазовой смеси
2.1.2. Расчет газодинамических параметров
2.1.3. Роль и особенности поведения катализатора при синтезе наноразмерных
пленок графита
2.1.4. Расчеты концентрации углерода, необходимого для синтеза наноразмерной
пленки
2.1.5. Результаты экспериментов по синтезу пленок
2.2. Исследование методики формирования наноразмерных пленок графита на
поверхности 81/8Ю2 на основе метода расщепления в растворе ПАВ
2.2.1. Результаты высаживания пленок графена из раствора хлороформа методом
Ленгмгора-Блоджетт
2.2.2. Формирование пленок графита наноразмерной толщины методом
аэрозольного распыления коллоидного раствора графита
2.3. Подтверждение топологических особенностей пленок с помощью атомносиловой микроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния

2.4. Выводы по главе
Глава 3. Изменение морфологических свойств однослойного и мультислойного графена под действием УФ фотоокисления
3.1 Подготовка образца для исследования
3.2 Изменение КРС спектра при воздействии УФ
3.3 Модель окисления графена
3.4 Различие в механизмах УФО однослойного и мультислойного графена
3.5 Изменение оптических и морфологических свойств графена под действием
УФ фотоокисления в сухой атмосфере
3.5.1 Осаждение частиц фторированного оксида титана (ф-ТЮг) на поверхность графена
3.5.2 Проведение УФО в сухой воздушной среде в течение 30 мин
3.5.3 Проведение УФО во влажной атмосфере
3.5.4 Проведение УФО в сухом воздухе в присутствии повышенной
концентрации кислорода
3.6 Выводы по главе
Глава 4 Разработка сенсорной структуры регистрации субтеррагерцового излучения па основе мультислойных пленок графена
4.1 Влияние излучения субтеррагерцового диапазона на проводимость
углеродной пленки
4.2 Экспериментальное подтверждение фотовольтаического тока в структуре
мультиелойный графем / металл
4.3 Выводы по главе
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
В последнее время интерес к углероду, а также устройствам на его основе значительно вырос. Исследование уникальных свойств графена является в настоящее время одним из наиболее перспективных направлений в области наноматериалов. Это связано в первую очередь с уникальностью свойств материала, что и обеспечивает его перспективность для процессов микро- и наноэлектроники. Графен - это двумерная структура, в которой атомы углерода выстроены в форме правильных шестиугольников, использующаяся, как теоретическая модель для описания других аллотропных форм углерода, таких, как фуллерепы и нанотрубки. Уникальность электронных и оптических свойств графена обусловлена его зонной структурой. Графен является полупроводником с нулевой запрещенной зоной, в котором движение электронов описывается не уравнением Шредингера, а двумерным уравнением Дирака для безмассовых квазичастиц, что обусловлено наличием в первой зоне Бриллюэпа точек, вблизи которых закон дисперсии энергии электронов имеет линейную зависимость от волнового вектора [1]. Именно вследствие этого в графене и наблюдается сверхвысокая подвижность электронов.
На данный момент существует уже немало исследований по применению графена в различных областях. За последнее время на основе графена были созданы прототипы полевых и одноэлектронных транзисторов, сенсорные структуры. Однако, в большинстве своем речь идет о лабораторных экземплярах, где в процессе формирования образцов, ученые отрабатывали методики работы с новым материалом. Полученные результаты показывают перспективность графена в качестве основы для углеродной наноэлектроннки.
К сожалению, в отличие от обычных полупроводников, находящих широкое практическое применение, монослой графена, не имеет запрещённой зоны, что означает сложности при формировании транзисторной структуры.
Модификация слоев графена тем или иным способом позволяет приблизиться к характеристикам, близким по свойствам монослою.
Модификации графена, обладающие запрещенной зоной, могут рассматриваться как перспективные материалы и для цифровой, и для аналоговой
затвором. Важно отметить, что они различались по способу укладки слоев графена: в некоторых устройствах трёхслойные структуры имели типичную для них зеркальную симметрию, а в других - нет. Информацию о том, как модифицируется зонная структура графена (рисунок 1.8) после включения внешнего поля, физики получали при наблюдении за изменяющейся фотопроводимостью.

«V© Ол
О; о,

;с ® £?о :о,
®Ь сЙ
о © 9э° о
• °ь 3°

(?р А О. ° °ь° ^Рр *

Рисунок 1.8 - Кристаллическая структура трёхслойного графена с «симметричной» (слева) и «несимметричной» укладкой слоев (справа) [53]
Как выяснилось, в «симметричном» трёхслойном графене запрещённая зона действительно не обнаруживается, и её ширина при напряжении затвора в 0,9 В совершенно точно не превышает 30 мэВ. Трёхслойная структура, лишённая зеркальной симметрии, вела себя совершенно по-другому: когда напряжение поднимали до 1,2 В, ширина запрещенной зоны приближалась к значениям порядка 120 мэВ.
1.4. Формирование устройств на основе наноразмерных слоев графита
1.4.1. Высокочастотные транзисторы
Закон Мура, открытый еще в 1965 году, гласит, что каждые несколько лет количество транзисторов на кристалле ИМС удваивается, для расширения возможностей ИМС. Учитывая то, что закон был открыт более полувека тому назад, в скором времени будет достигнут предел возможности интеграции транзисторов на КМОП технологии. Их количество может увеличиваться благодаря уменьшению их размеров, но разумно предполагать, что процесс не