ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΝΑΝΟΝΗΜΑΤΩΝ ΠΥΡΙΤΙΟΥ

Λασπάς ΘεόδωροςΥπεύθυνος Καθηγητής: Δ. Τσουκαλάς

ΕΙΣΑΓΩΓΗ

Μια από τις βασικές αιτίες ανάπτυξης των νανονημάτων πυριτίου (SiNW) ήταν η ανάγκη κατασκευής όλο και μικρότερων και αποδοτικότερων στοιχείων για την περαιτέρω ανάπτυξη λογικών κυκλωμάτων υψηλής απόδοσης, αισθητήρων, μικροεπεξεργαστών.

ΝANONHMATA• Ταξη μεγέθους 10-9 m• Κβαντικό νήμα (1-D)• Επικρατούν φαινόμενα

κβαντικού περιορισμού• Κβάντωση αγωγιμότητας

ακέραιο πολλαπλάσιο της τιμής

2e2/h ≈ 12.9 kΩ-1

ΠΡΟΤΕΡΗΜΑΤΑ

• Καλές ηλεκτρικές ιδιότητες

• Ευελιξία διαμόρφωσης ιδιοτήτων in-situ

• Πολύ καλά καθορισμένα μορφολογικά χαρακτηριστικά κατά την ανάπτυξή τους

• Δυνατότητα μαζικής παραγωγής

ΤΡΟΠΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣΥπάρχουν 2 μέθοδοι προσέγγισης για την ανάπτυξη ΝW

• bottom-up και top-down

Στην ανάπτυξη NW-FET έχει επικρατήσει η bottom-up προσέγγιση λόγω των πλεονεκτημάτων στον έλεγχο που παρέχει στην κρυσταλλική δομή,στις διαστάσεις και τη δυνατοτητα κατασκευής ετεροδομών κατά την παραγωγή τους

ΤΡΟΠΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣΟ πιο καθιερωμένος τρόπος παραγωγής Si-NW είναι η VLS (vapor-liquid-solid) διαδικασία ανάπτυξης.

Πυρίτιο σε μορφή ατμών προσροφάται από νανοσυστάδες χρυσού (Au) σε υγρή φάση, οι οποίες έχουν εναποτεθεί σε υπόστρωμα πυριτίου, αναπτύσοντας έτσι κρυσταλλικά νανονήματα.

ΤΡΟΠΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ

Το πυρίτιο σε αέρια φάση παρέχεται με διάφορες διαδικασίες

•CVD (χημική εναπόθεση ατμών)

•CBE (χημική επιταξεία δέσμης)

•Laser ablation

ΤΡΟΠΟΣ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ

Ιδιαίτερα δημοφιλής είναι η CVD.

Ακριβής ρύθμιση κατά τη διάρκεια της ανάπτυξης

• Διαμέτρου• Μορφολογίας• Προσμίξεων• Ηλεκτρικών ιδιοτήτων Κρυσταλλικό Si-ΝW

κατασκευασμένο με VLS

Συνήθης διεύθυνση ανάπτυξης νανονημάτων

(111) και (100)

Αντίσταση 2 νανονημάτων για θερμοκρασία 300 K. Ο κύκλος και το τετράγωνο αντιστοιχούν σε πάχος νήματος 6.5 nm και 9.7 nm αντίστοιχα

SiNW-FET• Σκοπό είναι επίτευξη δημιουργίας πύλης SiNW

μήκους ~ 10 nm• Ηλεκτροστατικώς, το NWFET περιγράφεται

επιτυχώς από την Poisson (1-D).

λ=

Το λ αναφέρεται σαν ένα μέτρο του πόσο αποτελεσματικά το δυναμικό της πύλης Φgs διαμορφώνει το Φf (επιφανειακό δυναμικό)

SiNW-FET

• Για να περιοριστούν τα φαινόμενα βραχυκύκλωσης μεταξύ πηγής και απαγωγού (short-channel effects) πρέπει το μήκος του νανονήματος να συσχετίζεται με το λ ως εξής:

L ~10 λ

SiNW-FET

Μια απλή προσέγγιση για την κατασκευή SiNW-FET είναι η τοποθέτηση του πάνω σε ένα υπόστρωμα οξειδίου πυριτίου συνδέοντας τα άκρα του με μεταλλικές επαφές που δρούν σαν πηγή και απαγωγός αντίστοιχα.

SiNW-FETΑρχικά αναπτύσσεται το οξείδιο της πύλης γύρω από το νανονήμα. Στη συνέχεια αφαιρείται το οξείδιο με etching από τα άκρα ώστε εναποθέτοντας το Ni να δημιουργηθούν διεπαφές μετάλλου/ημιαγωγού (πηγή και απαγωγός).

SiNW-FET

Τρεις διαφορετικές διαμορφώσεις διατάξεων NW-FEΤ: (a) back gate (b) ημικυλινδρικού top gate και (c) κυλινδρικού gate-all-around

SiNW-FETΜια διαφορετική προσέγγιση κατασκευής NW-FET είναι η κατασκευή νανονήματος ετεροδομής Ge/Si.Εδώ αναπτύσεται με επιταξία φλοιός πυριτίου πάνω σε πυρήνα γερμανίου (διαμέτρου ~10 nm).

Λόγω ενεργειακής διαφοράς των ζωνών σθένους (~0.5 eV) δημιουργείται Ωμική επαφή

Χαρακτηριστικές Ιd-Vd Ge/Si NWFET για μήκη (a) L =1mm και (b) L =190nm

Τα διάφορα χρώματα υποδεικνύουν διαφορετικές τιμές Vds

ΑΛΛΕΣ ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

• ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΩΝ ΣΤΟΙΧΕΙΩΝ ΜΕ ΧΡΗΣΗ NW

• ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΣΕ ΣΥΣΤΟΙΧΕΙΕΣ Li-ion ΜΠΑΤΑΡΙΩΝ

• ΧΡΗΣΗ ΣΕ ΒΙΟΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

• ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΝΑΝΟΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ

ΦΩΤΟΒΟΛΤΑΙΚΑ

•ΠΟΛΥ ΜΙΚΡΕΣ ΔΙΑΣΤΑΣΕΙΣ

•ΜΙΚΡΟΤΕΡΗ ΔΙΑΔΡΟΜΗ ΦΟΡΕΩΝ

•ΑΠΟΔΟΤΙΚΟΤΕΡΗ ΣΥΛΛΟΓΗ ΦΟΡΕΩΝ

•ΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗ ΝΑΝΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ Li-ion

• ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΧΩΡΗΤΙΚΟΤΗΤΑΣ ΦΟΡΤΙΟΥ

• ΑΥΞΗΣΗ ΤΗΣ ΔΙΑΡΚΕΙΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΕΙΑΣ ΜΕΧΡΙ ΚΑΙ 10 ΦΟΡΕΣ

• ΔΙΑΤΗΡΗΣΗ ΤΩΝ ΙΔΙΟΤΗΤΩΝ ΚΑΤΑ 90% ΜΕΤΑ ΑΠΟ ΑΡΚΕΤΕΣ ΧΡΗΣEIΣ

• ΑNΤΙΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΑΝΟΔΩΝ ΜΕ CORE/SHELL SiNW ΑΝΤΙ ΓΡΑΦΙΤΗ

ΜΠΑΤΑΡΙΕΣ Li-ion•ΑΝΑΠΤΥΣΟΝΤΑΙ ΑΠΕΥΘΕΙΑΣ ΠΑΝΩ ΣΤΟ ΣΥΛΛΕΚΤΗ

•ΠΥΡΗΝΑΣ ΑΠΟ ΚΡΥΣΤΑΛΛΙΚΟ ΠΥΡΙΤΙΟ

•ΕΞΩΤΕΡΙΚΟΣ ΦΛΟΙΟΣ ΑΠΟ ΑΜΟΡΦΟ ΠΥΡΙΤΙΟ

ΒΙΟΕΦΑΡΜΟΓΕΣ

• ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΝΑΝΟΝΗΜΑΤΩΝ ΠΑΝΩ ΣΕ ΚΥΤΑΡΑ

• ΜΗ ΤΟΞΙΚΑ

• Π.Χ. ΧΡΗΣΗ ΣΤΗΝ ΑΝΑΠΤΥΞΗ ΟΣΤΩΝ

• ΚΑΤΑΣΚΕΥΗ ΒΙΟΑΙΣΘΗΤΗΡΩΝ