ЦКП Нанотехнологии в электронике МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОННОЙ ТЕХНИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ) КАФЕДРА: Квантовой физики и наноэлектроники Симунин Михаил Максимович Разработка методик формирования материалов и элементов наноэлектроники методом каталитического пиролиза этанола Работа на соискание степени магистра по направлению 550704 «Микро- и наноэлектроника» Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор Неволин В. К. Москва 2007 Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Целью данной работы является разработка технологии роста углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза этанола для создания электронных приборов на их основе. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи: • подобрать катализаторы позволяющие осуществлять рост углеродных нанотрубок; • разработать установку для роста углеродных нанотрубок; • найти диапазон технологических параметров, при которых происходит рост углеродных нанотрубок; • оценить течение газа в установке; • проанализировать химические реакции в установке; • изучить механизм роста углеродных нанотрубок; • разработать технологический маршрут формирования структур на основе углеродных нанотрубок; • исследовать производимый нанотрубный материал, методами просвечивающей электронной и атомно-силовой микроскопии; Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Основные научные положения, выносимые на защиту 1. Технология получения углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза этанола, которая позволяет получать углеродные наноструктуры на различных каталитических поверхностях. 2. Разработанный маршрут позволяет формировать планарные структуры с полевым управлением. 3. Наноэлектромеханическая структура, которая может быть использована как структура чувствительная к адсорбции паров и газов. 4. Предложен золь-гель катализатор, который позволяет выращивать углеродные нанотрубки длиной 1 -5 мкм, толщиной 20 -30 нм. Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Установка производства композита на основе углеродных нанотрубок 1 6 4 3 5 7 Компоненты установки 1 - вакуумный насос; 2 - основание печи; 3 - верхняя часть печи; 4 - рабочий столик; 5 - электронный блок; 6 - манометр; 7 - источник парогазовой смеси; 2 Симунин Михаил Максимович 8 8 - водяная баня;

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Технологический процесс получения углеродных нанотрубок С 2 Н 5 ОН Катализатор Нагрев 20 °/мин Планарные углеродные нанотрубки Композит на основе углеродных нанотрубок Плёнка на основе углеродных нанотрубок Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Динамика парогазовой смеси в реакторе Свободные энергии химических реакций Реакция 3 O 2+C 2 H 5 OH=2 CO 2+3 H 2 O -0, 216 2 C 2 H 5 OH=4 C+O 2+5 H 2 0, 349 -9, 951 -2, 066 C 2 H 5 OH=CO+3 H 2+C Симунин Михаил Максимович C 2 H 5 OH=2 C+H 2 O+2 H 2 2 CO=CO 2+C Схема реактора. 1. - канал напуска ПГС 2. - нагревательный элемент 3. - термопара 4. - рабочий столик 5. - предметный столик 6. - канал к насосу 7. - теплоотвод -11, 440 2 O 2+C 2 H 5 OH=2 CO+3 H 2 O T=700 °C Р=20 к. Па ΔG, м. Дж 0, 054 Параметры течения ПГС в установке В камере v=0, 24 м/с и Re=87. В натекателе v=1, 66 м/с и Re=2085

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Механизм роста Рост углеродной нанотрубки на капле катализатора Длина и толщина нанотрубки определяется количеством углерода которое может растворить в себе частица катализатора Эволюция нанотрубки из углеродного кластера Этапы получения нанотрубок с точки зрения диаграммы состояния. нагрев насыщение рост Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Механизм роста • Геометрические параметры нанотрубок определяются геометрическими параметрами частицы катализатора. • Концевая частица имеет фазу Ме 3 С • Интеркалят имеет фазу αМе реже γ-Ме а Нанотрубка выросшая на несферической частице катализатора б Нанотрубка с интеркалятом в Нанотрубка со сгоревшей концевой частицой г Негатив темнопольного изображения нанотрубки с интеркалятом Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Катализаторы Катализатор: - должен иметь максимально развитую поверхность; - энергию смешения с углеродом: 0<ω<2 k. T; - хорошую адсорбцию к углероду; - не пассивироваться в диапазоне технологических условий. В качестве катализаторов могут использоваться: - высокодисперсные частицы; - тонкие плёнки; - высокоразвитая поверхность; - золь-гели. Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Катализаторы 1. Гель дихлорида гексааммоний-никеля ([Ni(NH 3)6]Cl 2 Микрофотография пленки на основе углеродных нанотрубок Сечение Топография «косички» из углеродных нанотрубок T = 550 - 700 °C Р > 1 к. Па d = 20 - 30 нм L ~ 5 мкм Симунин Михаил Максимович Диаметр нанотрубки в указанном сечении 1, 636 нм Нанотрубки выросшие в цеолите на золь-гель катализаторе

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Катализаторы 2. Тонкая плёнка никеля АСМ-изображение сетки углеродных нанотрубок Фотография макропучков углеродных нанотрубок d = 10 - 15 нм L < 20 мкм T = 600 - 750 °C Р > 10 к. Па Симунин Михаил Максимович ПЭМ-изображение сетки углеродных нанотрубок

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Катализаторы 3. Сэндвич-катализаторы Особенности роста на сэндвич-катализаторах Топография планарных углеродных нанотрубок T = 620 - 680 °C Р = 10 - 15 к. Па d = 20 - 60 нм L < 50 мкм Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Структура «Нанотрубки-под-контактами» Топография структуры Структура является электронным устройством активным элементом которого являются углеродные нанотрубки ВАХ структуры Симунин Михаил Максимович 1. -10 В 2. 0 В 3. Потенциал на затворе +10 В

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Структура для ориентированного высаживания нанотрубок Углеродные электроды Диэлектрик – Al 2 O 3 Контактные электроды Затворный электрод (Ta) под диэлектриком Структура формируется на термическом оксиде кремниевой подложки Симунин Михаил Максимович Структура предназначена для формирования элементов на основе углеродных нанотрубок методом электрофореза Активным элементом данной структуры является пучок углеродных нанотрубок сориентированных относительно двух любых углеродных электродов

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Структура «Наноарфа» Структура является наноэлектромеханическим резонатором на основе углеродных нанотрубок 1. Углеродная нанотрубка 2. Сэндвич-катализатор 3. Диэлектрик 4. Исток 5. Сток 6. Ловушка 7. Диоксид кремния 8. Кремниевая подложка 9. Затвор • Заявка на патент вх. № 030717 рег. № 2006128277 • Заявка на патент вх. № 030717 рег. № 2006128278 Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Коммерциализация научного результата Учебно-исследовательская установка роста углеродных нанотрубок Лабораторный курс - малые габариты - удобное конструкционное исполнение - простая реализация технологического процесса - новая ценовая ниша для оборудования данного типа Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Выводы 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. На основе анализа литературы был выбран наиболее пригодный метод получения углеродных нанотрубок в электронной технологии – каталитический пиролиз. На основе литературного обзора были выделены два основных направления в методах формирования устройств на основе углеродных нанотрубок. Разработана установка для получения углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза этанола, предполагающая возможность производства углеродных нанотрубок и нановолокон как на катализаторах произвольной формы, так и на пластинах диаметром до 75 мм, с предварительно сформированным рисунком катализатора. Показано, что углерод, который служит для насыщения каталитической частицы, в данной технологии, образуется именно по совокупности реакций термоокислительного разложения спирта и диспропорционирования угарного газа. Показано, что движение газа во время технологического процесса в натекателе и камере установки подобно ламинарному. Описано распределение реакционноспособного потока в камере установки Описываются особенности нуклеации углеродной нанотрубки на катализаторе. Описывается общий принцип выбора катализатора для роста углеродных нанотрубок Определены все основные технологические диапазоны роста углеродных нанотрубок. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. Разработан никелевый золь-гель катализатор для роста углеродных нанотрубок. Разработана методика латерального роста углеродных нанотрубок методом каталитического пиролиза этанола. Разработана методика очистки, получаемых по данной технологии, углеродных нанотрубок от примесей. Проведены АСМ и ПЭМ исследования получаемого углеродного композита. Показан диапазон геометрических параметров углеродных нанотрубок получаемых по данной технологии. Показано, что геометрические параметры углеродных нанотрубок определяют геометрические параметры катализатора. Разработан маршрут структуры на основе сеток углеродных нанотрубок с низким контактным сопротивлением к ним и локализованным затвором. Исследованы электрофизические свойства структуры на основе сеток углеродных нанотрубок с низким контактным сопротивлением к ним и локализованным затвором. Разработан маршрут структуры на основе латерально-ориентированных углеродных нанотрубок. Разработан маршрут наноэлектромеханической структуры на основе углеродных нанотрубок. Основные результаты проведённых исследований опубликованы в 23 печатных источниках из них 4 публикации в журналах рекомендованных ВАК Симунин Михаил Максимович

ЦКП «Нанотехнологии в электронике» Симунин Михаил Максимович