Nano Provodnici

НАНОТЕХНОЛОГИЈЕ У ЕЛЕКТРОТЕХНИЦИ

Семинарски рад

НАНО – ПРОВОДНИЦИ

Руководилац рада : Студент : Др Љубомир Вулићевић Марко Младеновић 941 / 2011

Чачак , ДЕЦЕМБАР 2011

РЕПУБЛИКА СРБИЈА

УНИВЕРЗИТЕТ У КРАГУЈЕВЦУ

ТЕХНИЧКИ ФАКУЛТЕТ У ЧАЧКУ

НАНОТЕХНОЛОГИЈЕУЕЛЕКТРОТЕХНИЦИ

САДРЖАЈ 1. УВОД .............................................................................................................................................. 2

2. СИНТЕЗА ....................................................................................................................................... 2

2.1 СИНТЕЗА ПОМОЋУ ШАБЛОНА ...................................................................................... 2

2.1.1 ЕЛЕКТРОХЕМИЈСКА ДЕПОЗИЦИЈА ............................................................................. 3

2.1.2 VLS МЕТОД СИНТЕЗЕ НАНО-ПРОВОДНИКА ............................................................ 4

2.1.3 ДРУГЕ МЕТОДЕ СИНТЕЗЕ ............................................................................................... 5

3. ОСОБИНЕ СТРУКТУРЕ .............................................................................................................. 6

3.1 МИКРОСКОПИЈА ПОМОЋУ СКЕНИРАЊА ЕЛЕКТРОНА ................................................. 6

3.2 МИКРОСКПИЈА ПОМОЋУ ЕФЕКТА ПРЕНОШЕЊА ЕЛЕКТРОНА .................................. 7

4. МЕХАНИЧКЕ ОСОБИНЕ ............................................................................................................ 8

4.1 ТЕРМИЧКА СТАБИЛНОСТ ................................................................................................ 8

5. ОСОБИНЕ ПРОВОЂЕЊА ................................................................................................................ 9

5.1 КВАНТИЗАЦИЈА ПРОВОЂЕЊА У МЕТАЛНИМ НАНО-ПРОВОДНИЦИМА ................. 9

5.1.1 СТРУЈНО – НАПОНСКА КАРАКТЕРИСИТКА НАНО-ПРОВОДНИКА НАЧИЊЕНОГ ОД ПОЛУПРОВОДНИКА ................................................................................. 9

5.1.2 ТЕМПЕРАТУРНО-ЗАВИСНА МЕРЕЊА ОТПОРНОСТИ ............................................ 10

5.1.3 МАГНЕТНА ОТПОРНОСТ ............................................................................................... 12

5.2 ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНЕ ОСОБИНЕ .......................................................................................... 12

6. ОПТИЧКЕ ОСОБИНЕ .................................................................................................................... 13

6.1 ДИЕЛЕКТРИЧНЕ ФУНКЦИЈЕ ............................................................................................... 13

7. ПРИМЕНА ....................................................................................................................................... 14

7.1 ПРИМЕНА У ЕЛЕКТРОТЕХНИЦИ ...................................................................................... 14

7.2 ПРИМЕНА У ТЕРМОЕЛЕКТРИЦИ ....................................................................................... 15

7.3 ПРИМЕНА У ОПТИЦИ ............................................................................................................ 16

8. ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................................................. 17


1. УВОД

Нанопроводници привлаче доста пажње у последње време. Нанопроводници имају два квантно – ограничена правца од којих је један способан за електрично провођење. Ово омогућава нано-проводницима да се примене онде где је захтевано електрично провођење пре него тунелско транспортовање. Због своје форме, нано-проводници имају значајно другачије оптичке, електричне и магнетне особине у односу на тродимензионално нанете кристалне слојеве полупроводника. Величина нано-проводника од >1nm је довољно велика да резултује у локалним кристалним структурама , омогућавајући теоријску предпоставку о њиховим особинама.

Како се све мање и мање величине користе у интегрисним технологијама при изради полупроводника, оптоелектронских и механичких елемената, нано-проводници долазе до посебног изражаја и њихова употреба постаје све значајнија.

2. СИНТЕЗА

У овом делу ћемо дати преглед најчешћих начина синтезе нано-проводника, односно, представићемо најуспешније технологије које се тичу израде нано-проводника од најчешће коришћених материјала. У делу 2.1 представићемо технологије за израду нано-канала, који су потребни за дводимензионални узгој нано-проводника. У делу 2.2 представићемо технологију течно – гасовитог напаравања при изради нано-проводника. У делу 2.3 представићемо где се практично примењују неки методи при синтези нано-проводника. Последњи део 2.4 је део у којем ћемо приказати архитектуру нано-проводника при њиховој рационалној примени.

2.1 СИНТЕЗА ПОМОЋУ ШАБЛОНА

Синтеза нано-структура помоћу шаблона представља концептуално једноставан и интуитувни начин производње. Ови шаблони имају веома мале цилиндричне поре и шупљине, које се пуне материјалом чиме се формирају нано-проводници.

Да би се искористио овај начин производње нано-проводника мора се имати велика хемијска и механичка стабилност пора. Материјал за израду шаблона је најчешће анодни алумин (Al2O3), нано-канално стакло и лискунски филмови.

Порозни анодни алумин добија се развијањем алуминијума у неким киселинама. Под пажљиво одређеним условима, оксидни филм алуминијума садржи правилне


шестоугаоне низове паралелних и готово цилиндричних канала, као што је приказано на слици 2.1 а). Верује се да поре настају и слажу се једна до друге услед механичког напрезања услед ширења алумина током поступка електролизе. Ово напрезање изазива одбојне силе између пора, те оне заузимају правилан шестоугаони распоред. У зависности од услова при електролизи, пречник пора може системски одступати од

СЛИКА 2.1 а) SEM слика површине порозног алумина са порама пречника од 44 nm б) SEM слика поликарбонатне мембране са порама пречника 1 µm

10nm до 200nm са густином пора од 109 – 1011 пора по cm2.

Други тип порозног материјала често употребљаваном за синтезу нано-проводника је хемијско нагризање и производња трака у материјалу, услед бомбардовања јонима. Такав нагрижен вишеслојни материјал је приказан на слици 2.1 б). Остали порозни материјали као што је нано-стакло, имају шестоугаоне капиларне шупљине густине 3·1010 пора/cm2 .

2.1.1 ЕЛЕКТРОХЕМИЈСКА ДЕПОЗИЦИЈА

Техника помоћу електрохемијске депозиције привлачи доста пажње као техника којом се постижу запажени резултати у изради нано-проводника. У процесу електрохемијске депозиције, одабрани шаблон треба да буде хемисјки стабилан током процеса електролизе. Пукотине и оштећења на шаблонима су штетни, пошто се поцтупак депозиције обавља у пукотинама које су доступније у односу на нано-поре. Компаундни нано-проводници као што је Bi2Te3, производе се у алимин шаблону са високим фактором попуњености употребом DC електрохемијске депозиције. Слике 2.2 а) и б) респективно приказују поглед одозго и попрезни пресек Bi2Te3 низ нано-

проводника. СЛИКА 2.2 (а) SEM слика

Bi2Te3 низа нано-проводника у односу на (б) слику која показује попречни пресек дућ нано-проводника показујући релативну густину испуње-ности поре

Такође, могуће је постићи ефекат електродепозиције применом AC струје, на алумин шаблонима. Током AC електрохемијске депозиције, иако је примењени напон синусан


и симетричан, струја је јача током катодне полупериоде, чиме се наношење током катодне струје има да је веће него одношење материјала током анодне струје.

Насупрот случају да се нано-проводници синтетишу поступком убризгавања у шупљине под притиском, постоји и могућност да се производе и електрохемијским поступком и то је уобичајено за поликристале, који немају захтевани кристални склоп. Али ипак, нека ограничења постоје. На пример, поликристални CdS проводници, произведени поступком електродног наношења, обично имају жељени прираст дуж c – осе. Једна од предноси технике електрохемијског наношења је могућност производње вишеслојних структура унутар самог нано-проводника. Променом катодног напона у електролиту, који садржи две различите врсте јона, различити металнислојеви могу се контролисано нанети. Co/Cu вишеслојни нано-проводник се синтетизује на овај начин. Слика 4.4 показује TEM слику једног Co/Cu који је око 40 nm у пречнику.

СЛИКА 2.3 (а) TEM слика једног Co(10nm)/Cu(10nm) вишеслојног проводника.

(b) означена област примерка са значајним увећањем

Провидни слојеви представљају област богату Co, док тамни слојеви су богати са Cu. Овај метод електронаношења обезбеђује ниске трошкове у циљу обезбеђивања вишеслојних 1-D нано-проводника.

2.1.2 VLS1 МЕТОД СИНТЕЗЕ НАНО-ПРОВОДНИКА

Неке од скорашњих успешних метода синтезе полупроводника у облику нано-проводника, базирани су на такозваном испаривачко – течно – чврстом механизму анизотропа. Прираст материјала укључује апсорпцију изворног материјала из гасне у

1 VLS – Vapor Liquid Solid

СЛИКА 2.4 Шематски дијаграм који показује пораст сили-цијумског нано-проводника VLS методом

испарење Si

Si/метал катализатор

напаравани Si Si/метал катализатор

пораст нано-пров.

Si (чврст)


течну фазу. Након суперзасићења течне легуре, формира се језгро које представља зачетак материјала. Ово језро служи као почетно семе за следеће наношење материјала у вези са течним укапљеним материјалом који долази.

Нано-проводници добијени на овај начин су високе чистоће, осим на оне на завршецима који садрже катализатор као део легуре (слика 2.5 а). Посматрања у реалном времену, показују да легирање, језграње и прираст германијумских нано-проводника из златних нано-структура су приказани на 2.5 б.

СЛИКА 2.5 (a) TEM слика Si нано-проводника произведеног након топљења Si0.9Fe0.1 помоћу ласера. Тамне лопте нешто већег пречника него проводници су очвршћене куглице катализатора. (b) Преломљена у контрасту ТЕМ слика Si нано-проводника. Кристалисано Si језгро указује се као тамније у односу на аморфни оксид површинског слоја. Мала слика приказује конвергентну дифракцију електроског зрака што се види у правоугаонику, а потврђује кристалисаност нано-проводника. (c) STEM слика Si/Si1-xGex показује решеткасти нано-проводник. Размера је 500 nm.

2.1.3 ДРУГЕ МЕТОДЕ СИНТЕЗЕ

Овде ћемо представити још неке проце-дуре доступне за израду нано-проводника. Пока-заћемо неке методе које не захтевају поседовање напредних технологија. То су методе лито-графије и скениране микроскопије. На СЛИЦИ 2.6 десно приказано је селективно електро-наношење у корацима у високо усмереном политодном графиту (HOPG) с циљем добијања MoO2 нано-проводника. Како се ови проводници не могу издвојити из супстрата, могу се редуковати на метал молибден нано-проводнике, који се могу ослободити и користити као слободно стојећи нано-проводници. Овакви проводници имају полукружни, четвртасти и неки други облик попречног пресека.


3. ОСОБИНЕ СТРУКТУРЕ

Структурни и геометријски фактор играју значајну улогу у утврђивању разних особина нано-проводника, као што су електричне, оптичке и магнетне особине. Стога су развијене разне технике које ће обезбедити структурне информације. У микронским размерама, највише се користе оптичке технике за снимање структурних особина. Пошто су величине које карактеришу нано-проводнике често много мање него таласна дужина видиљиве светлости , онда су традиционалне микроскопске оптичке технике ограничене када желимо да опишемо морфологију или површинске особине нано-проводника. Зато су у овом пољу доминантне технике електронске микроскопије . Како електрони интереагују много значајније него фотони, електронска микроскопија је посебно осетљива на Х зраке у анализи малих примерака.

У овом одељку ћемо описати неке од технологија.

3.1 МИКРОСКОПИЈА ПОМОЋУ СКЕНИРАЊА ЕЛЕКТРОНА2

SEM обично прави слике о таласне дужине од ≈10 nm и обезбеђује вредне информације које се тичу структурног низања, густине проводника као и геометријских особина проводника. Па тако са слике 3.2 b) видимо како су проводници лепо орјентисани са готово једначитом дужином, као и да имају пречнике у опсегу 20 dW 150 nm.

СЛИКА 3.1 SEM слика (а) шестоструке- (b) четвороструке- и (c) двоструке-симетрије нано-четкица произведених од In2O3 jезгра и ZnO нано-четкица, и од (d) ZnO нано-иглица.

СЛИКА 3.2 SEM слика ZnO низа нано-проводника узгајаних на подлози од сафира, где (а) приказује узгајани узорак, (b) приказује слику у високој резолуцији где се види 2 SEM – Scanning Electron Microscopy


паралелност нано-проводника, и (c) приказује хексагонални попречни пресек нано-проводника. За узгој нано-проводника, подлога од сафира је премазана са слојем Au, дебљине 1 до 3,5 nm, који служи као катализатор. Ови нано-проводници су коришћени у ласерима.

3.2 МИКРОСКПИЈА ПОМОЋУ ЕФЕКТА ПРЕНОШЕЊА ЕЛЕКТРОНА3

ТЕМ (и ТЕМ у високој резолуцији) су напредне технике снимања, и служе за изучавање нано-проводника на атомској размери. Као такве, обично обезбеђују више детаља о геометријским особинама, него SEM снимци. TEM снимци обезбеђују и информације које се тичу кристалне структуре, квалитета кристала, величине зрна као и смера кристализације у односу на осу нано- проводника.

СЛИКА 3.3

ТЕМ снимак морфо-логија четири посебна облика Si нанопро-водника добијених то-пљењем помоћу ласера (а) нано-проводник од Si у облику опруге, (b) нано-проводници од Si у облику рибље кости (приказано испуњеном стрелицом) и у облику жабљих ногу (прика-зано провидном стре-лицом), (c) нанопрово-дник у облику бисерне огрлице, и (d) вишеструко повезивање услед нуклеације силицијумског нано-проводника.

Динамички процеси површинског слоја нанопроводника се могу изучавати in –situ помоћу ТЕМ коморе, која омогућава да се изврше ТЕМ снимања, док се користе различити гасови са променљивом температуром. Спајањем квалитетних ТЕМ снимака са другим методама за изучавања особина нано-проводника, добијају се и неке скривене особине. То су спектрометар који мери губитак енергије електрона (EELS) или спектрометар који мери расипање Х зрака (EDS).

3 TEM – Transmission Electron Microscopy


4. МЕХАНИЧКЕ ОСОБИНЕ

4.1 ТЕРМИЧКА СТАБИЛНОСТ

Услед великог односа површине у односу на запремину нано-проводника и других нано-честица, термална стабилност нано-проводника је зависна од тог нагомиланог материјала. Теоријска истраживања материјала у граничним областима показују да се тачка топљења материјала умањује у нано-структурама, као што су латентно загревање споја, и да се висока вредност хистерезиса може приметити у цоклусима замрзавања и топљења. Ови феномени су истраживани експериментално на три типа нано-проводника: порозне матрице импрегниране са више нано-проводника, засебни нано-проводници оклопљени танким наносом, и засебни нано-проводници.

Оклопљени нано-проводници дају могућност да се изучавају топљење и кристализација засебних нано-проводника. Слој омотача који прекрива нано-проводник обезбеђује заштиту да се задржи течна фаза унутар цилиндричног тела. Yang је произвео германијумски нано-проводник прекривен танким (1 – 5 nm) заштитним слојем графита, тако што је нанео пиролизом органски молекул на VLS узгајан нано-проводник. Затим је пратио топљење и кристализацију германијума на разним температурама и вршио ТЕМ снимања.

Топљење нано-проводника прати нестанак особине које показује дифракција електрона. Утврђено је да нано-проводник почиње са топљењем од својих крајева, са смером топљења ка средини проводника како температура расте. Током хлађења, кристализација нано-проводника догађа се готово тренутно а пропратни ефекат је значајно суперхлађење. Дошло је се до закључка да је највиша тачка топљења утврђена за германијум (≈300˚C), са највећим хистерезисом до ≈300˚C.

Супротно понашање је утврђено у случају слободно стојећих бакарних нано-проводника. У овом систему, готово да нема интеракције између површине нано-проводника и околине, а нано-проводник није ограничен у свом пречнику, као што је то случај код оклопљених нано-проводника. Анализа температурног одзива нано-проводника указује да је сегментација нано-проводника последица Rayleigh-ове нестабилности. СЛИКА 4.1 (а) Топогрфска слика високо спакованог порозног шаблона од алумина периоде од 100nm испуњен са нанопрово-дницима пречника 35 nm. (b) упоредна MFM слика која показује намагнетисаност низова на „горе“ и „доле“.


5. ОСОБИНЕ ПРОВОЂЕЊА

Изучавање особина електричног провођења је важна ради карактеризације нано-проводника, примене у електронским уређајима, и истраживања необичних феномена преноса који проистичу из једнодимензионалних квантних ефеката. Значајан фактор који одређује особину провођења уважава пречник проводника, (важан за квантни и класични ефекат), састав материјала, површинске услове, квалитет кристала, и кристалографску усмереност дуж осе проводника за материјал са анизотропним параметрима, као што су тензори, Фермијева површина или преносивост носилаца.

5.1 КВАНТИЗАЦИЈА ПРОВОЂЕЊА У МЕТАЛНИМ НАНО-ПРОВОДНИЦИМА

Балистичко преношење једнодимензионалних система се интензивно изучавају од кад је откривено квантно провођење у 1-D системима, 1988. године. Феномен квантног провођења се дешава када је пречник нано-проводника упоредив са Фермијевом таласном дужином електрона, која је реда 0,5 nm за већину проводника. Већина експеримената о квантном провођењу се до данас одвија спајањем и после раздвајањем две металне електроде. Како се две металне електроде полако раздвајају, веома мали контакт, нано-контакт ће се формирати пре потпуног раздвајања.

5.1.1 СТРУЈНО – НАПОНСКА КАРАКТЕРИСИТКА НАНО-ПРОВОДНИКА НАЧИЊЕНОГ ОД ПОЛУПРОВОДНИКА

Особине електронског транспорта нано-проводника се могу сврстати зависно од релативне вредности три таласне дужине: главне слободне стазе носиоца lW, ДеБрољове таласне дужине електрона е, и пречника проводника dW.

СЛИКА 5.1 (а) Шематска представа последње фазе поступка прекида споја. (b) Хистограм вре-дности проводности добијен из 18000 прекида СЛИКА 5.2 Струјно – напонска златног споја на собној температури. У овом екс- карактеристика за 4(p)/1(n) спој перименту златне електроде се приближавају и P-Si/n-GaN. Четири криве представ- удаљују на 89 000 Å/s. љају I-U одзив сва четири споја што указује на сличне исправљачке к-ке.


За проводник пречника много већег него главне слободне стазе носиоца (dW ≫lW), нано-проводник показује преносне особине сличне нагомиланом материјалу, што их чини независним од пречника проводника.

Истраживачи су истражили преносне особине великог броја полупроводничких нано-проводника и приказали су њихове могућности на разним електронским уређајима, као што су p-n диоде, транзистори са ефектом поља, меморијске ћелије, и прекидачки елементи. Тако се нпр. на слици 5.2 види струјно – напонска каракте-ристика 4/1 p-Si/n-GaN споја на собној температури. Дугачка водоравна линија на мањој слици представља p-Si нано-проводник (10 – 25 nm у пречнику), као и четири кратке усправне линије од n-GaN нано-проводника (10 – 30 nm у пречнику). Свака од четири нано-укрштања независно формирају p – n спој са усмерачком карактерисиком приказаном на истој слици. Напон укључења са ових карактеристика се може контролисати променом оксидираног оклопа ових нано-проводника. Huang је показао примену високог напона укључења (≈5V) код диода са нано-спојевима, тако што је стањио зидове оклопа нано-проводника на местима спојева. Овај високи напон укључења омогућава примену спојева у FET, чија је карактеристика приказана на слици

5.3 где се танкозидни оксид наноса користи као нано-гејт (nanogate).

СЛИКА 5.3 I – U карактеристика зависна од напона гејта код FET транзистора. Нано-проводник од n-GaN је употребљен као нано-гејт, са напоном гејта какоје назначено (0,1,2 и 3 V). Мања слика приказује струју зависну од Vgate кад им је bias напон 1V.

Променом напона нано-гејта проводност p-Si нано-проводника се може променити и за вредност од 105 (нижа крива у уметнутој слици), док се проводност мења само за фактор 10.

5.1.2 ТЕМПЕРАТУРНО-ЗАВИСНА МЕРЕЊА ОТПОРНОСТИ

Иако нано-проводници са електронским особинама сличним њиховим контрапаровима обећавају конструкцију нано-уређаја базираним на добро познатим њиховим особинама, очекивало се да ће квантни ефекти присутни у нано-проводницима бити примењивани да створе нове феномене који не постоје у контрапаровима, и као такви да обезбеде унапређене особине и нове функционалности у одређеним применама. У овом смислу, преносне особине нано-проводника од бизмута се интензивно изучавају. Истраживања преносних особина феромагнетних низова нано-проводника, као што су Ni или Fe, који привлаче пуно пажње због својих


могућности да остваре примену код високоучинских магнетих записа.

СЛИКА 5.4 (а) Мерена температурна зависност отпорности нормализована на собну температуру (300K) отпорности низа нано-проводника од бизмута са различитим пречницима проводника dW. (b) / 290 за проводник од бизмута већих пречника dW а мање покретљивости. (c) прорачунати / 300 бизмутних нано-проводника од 36 nm и 70 nm. Испрекидана линија се односи на поликристални проводник од 70 nm.

Слика 5.4 (а) приказује зависност за нано-проводник од Bi (7200 ) синтетизоване напаравањем и убризгавањем под притиском, и илуструју се квантни ефекти у њиховим температурно зависним отпорностима. Bi је полуметал када се налази у нагомиланој форми, у којој Т-тачка валентног опсега преклапа L-тачку проводног опсега за 38 meV на 77 K. Како се пречник проводника смањује , најнижи проводни подопсег добија на енергији док највиши валентни опсег губи на енергији. Прорачуни на моделима показују да ће преклапања опсега нестати на пречнику Bi нано-проводника пречника ≈50 nm.

Потребно је напоменути да је неопходно имати добар квалитет кристала да би посматрали квантне ефекте унутар нано-проводника. Ипак, услед локалних ефеката, употреба нано-проводника веома малих пречника за примену у преносу, може бити доста ограничена.


5.1.3 МАГНЕТНА ОТПОРНОСТ

Магнетоотпорна мерења обезбеђују информације о особинама нано-проводника зато што садрже пуно података о расипању електрона на границама проводника као и локализационе ефекте. Нпр. на малим вредностима поља, магнетна отпорност има квадратну зависност од индукције.

СЛИКА 5.5 (а) подужна магнетоотпорност, ∆ / 0 , на 2K као функција B за нано-низове начињене од Bi, са пречницима од 65 и 109 nm пре термичког каљења. (b) вршна вредност Bm у функцији температуре за низ проводника пречника 109 nm од Bi након термичког каљења. (c) вршна вредност Bm подужне магнетоотпорности (након термичког каљења) на 2К у функцији 1/dW.

Присуство вршне вредности у подужној магнетоотпорности нано-проводника захтева високу чистоћу кристала. Код нано-проводника већих пречника (≈400nm) oваква вршна вредности није примећена.

5.2 ТЕРМОЕЛЕКТРИЧНЕ ОСОБИНЕ

За нано-проводнике се верује да много обећавају у термоелектричној примени.

СЛИКА 5.6 (а) Експериментална поставка за мерење Зибековог коефицијент низа нано-проводника (b) мерени Зибекови коефицијенти у функцији од температуре за Bi ∘, и Bi0,95Sb0,05 ⦁, ⧩ нано-проводнике различитих пречника. Испуњена линија представља Зибеков коефицијент за bulk Bi.


Да би измерили ове Зибекове коефицијенте потребно је било изградити мале термопарове који ће мерити температуре дуж низа нано-проводника, као што је приказано на слици 5.6 . Два термопара су постављени с чела као и грејач који има задатак да ствара разлику у температури дуж низа нано-проводника. Идеално, величина термопарова треба да буде много мања него што је дебљина низа нано-проводника, чиме би се умањила грешка мерења. Пошто нано-проводници имају добре термоелектричне особине, ови системи се интензивно изучавају, посебно они начињени од бизмута.

6. ОПТИЧКЕ ОСОБИНЕ

Отичке методе обезбеђују једноставне и осетљиве алате за мерење електронских структура нано-проводника, јер оптичка мерења захтевају минималну припрему узорка ( нпр. контакт није потребан ) а мерења су осетљива на квантне ефекте.

Иако су оптичке особине омогућиле изузетно јаке алате за карактеризацију нано-проводника, интерпретација ових мерења није увек једноставна. Таласна дужина светлости употребљене у оптичким мерењима је мања од дужине проводника али већа од ширине проводника. У овом одељку ћемо приказати одређивање диелектричне функције нано-проводника.

6.1 ДИЕЛЕКТРИЧНЕ ФУНКЦИЈЕ

Ове ћемо описати примену ефективне теорије усредњавања за изучавање оптичких особина нано-проводника чији су пречници мањи од таласне дужине светлости.

Овај метод омогућава моделовање нано-проводника и субстрата као јединственог композитног материјала са јединственом диелектричном функцијом

∙ , где су реални и имагинарни део диелектричне функције и и представљају индекс рефракције и индекс апсорпције по релацији ∙

∙ .

Нелинеарне оптичке особине нано-проводника привлаче пуно пажње јер се ти ефекти могу употребити у многим применама. Нпр. примећено је да поједини нано-проводници имају изражену могућност генерисања другог и трећег хармоника, што је посебно дошло до изражаја код ZnO нано-проводника. Таква могућност се посебно корисити код ласера.

Такође су примењена мерења рефлексије и провођења како би се открила квантна ограничења и површински ефекти приликом ниско-енергетског провођења код нано-проводника начињених од бизмута.

Магнето-оптика се може користити за мерење електронске структуре нано-


проводника . Нпр. магнето-оптика у споју са фотопроводношћу се предлаже као алат за одређивање Фермијеве енергије, ефективне масе електрона.

СЛИКА 6.1 (а) Мерени спектар оптичког провођења у функцији од таласног броја 1/ за низ нано-проводника од бизмута пречника ≈45 nm. (b) симулирани спектар оптичког провођења.

7. ПРИМЕНА

У претходним одељцима смо показали многе карактеристике нано-проводника, у којима нано-проводници понекад имају веома сличне а понекад веома различите особине у односу на материјал од којег су начињене. Такође смо показали да су неке особине зависне од пречника проводника и да као такве се могу подешавати током синтезе проводника. Како се методе синтезе нано-проводника освајају и производња нано-проводника постаје јефтинија, само је питање времена када ће се примена нано- проводника значајније увећати. Ово је временски развој, а како ће индустрија полупроводника ускоро достићи границе у смањивању компоненти, тако се отвара природан прелазак на нано технологије. Како су нано-проводници слични по величини са најмањим електронским компонентама, тако се и намећу као добри кандидати за замену постојећих технологија. У овом делу ћемо приказати примену нано-проводника у електроници, термотехници и оптици.

7.1 ПРИМЕНА У ЕЛЕКТРОТЕХНИЦИ

Микроелектронкса индустрија наставља да се приближава технолошком (у литографији нпр.) и економском изазову како се величина компоненти смањује,


нарочито за величине испод 100 nm. Уређај направљен од нано-проводника има неколико предности од оних начињених поступком литографије. Нпр. организација нано-проводника који се сами организују паралелно је предност јер не изискује скупоцене литографске методе. Па даље, не само да се могу комбиновати проводници различитих материјала, него се и сам проводник може начинити од различитих материјала. Нпр. спојеви GaAs и GaP показују усмерчке особине чиме се показује да се електронски интерфејси између два различита полупроводника може симулирати синтезом вишекомпонентних нано-проводника.

Особине уређаја уобичајене у полупроводничким технологијама, као што је p – n спој који чини диоде, транзистори са ефектом поља, LED диоде, показани су на успешно реализованим симуллацијама нано-проводника. Неколико приступа је примењено да би се произвеле диоде од нано-проводника. Нпр. Шоткијева диода се може направити контактом GaN нано-проводника са Al електродом. Даље, p – n диоде се могу направити простим укрштањем два нано-проводника, тако што се нано-проводници начињени од InP допирају са Te и Zn те се формирају p и n нано-проводници. Нано-проводници се често предлажу за употребу у примени електронске

емисије. У то спадају танки панели електронских уређаја и показано је да се значајна струја може емитовати овим путем.

СЛИКА 7.1 логичке капије начи-њене од нано-проводника: (а) шема OR капије сачињене од 2(p-Si)/1(n-GaN) укрштених проводника. (b) излазни напон кола из (а) у односу на четири могућа логичка адрена нивоа: (0,0); (0,1); (1,0); (1,1), (c) шема AND капије сачињене од 1(p-Si)/3(n-GaN) прово-дника. (d) излазни напон кола из (c) у односу на четири могућа логичка

адрена нивоа

7.2 ПРИМЕНА У ТЕРМОЕЛЕКТРИЦИ

Једна од примена нано-проводника је у пољу термоелектричног хлађења. Ефикасност термоелектричног уређаја је мерена бездимензионом јединицом ZT, где Z

представља . Чланови у једначини су – електрична проводност, – Зибеков

коефицијент, – термичка проводност, и T је температура. С циљем да се постигне висок ниво ZT и тиме ефикасне термелектричне особине, траже се висока електрична проводност, огроман Зибеков коефицијент и ниска температурна проводност. У 3-D системима, електронски пораст је пропорционалан у складу са Wiedemann-Franz овим законом, и нормално је да материјали са високим имају низак ниво . Ипак


увећање електричне проводности (рецимо помоћу допирања електронским донорима) доводи до два ефекта: умањења Зибековог коефицијента и увећања термичке проводности. На слици испод су приказане теоријске вредности ZT за два материјала: танки филм бизмута (2-D) и нано-проводник (1-D), који показују велико увећање ZT како квантни ефекти почињу да буду све више и више важни.

СЛИКА 7.2 (а) прорачунати ZT за (1-D) нано-проводник и (2-D) сисем од бизмута на 77K у функцији dW. Очекивано је да се термоелектричне особине ZT доста поправе када је могуће да се пречник проводника толико смањи да постане једнодимензионални систем. (b) контурни дијаграм оптималних вредности ZT за нано-проводник p – типа за Bi1-xSbx у функцији пречника проводника и концентрације антимона на 77K.

7.3 ПРИМЕНА У ОПТИЦИ

Нано-проводници такође пуно обећавају у примени у ласерској техници. Једнодиме-нзионални системи имају сингуларитет у спојним стањима, омогућавајући квантне ефекте у нано-проводницима, који су оптички приметни, понекад чак и на собној темпера-тури.

Емитовање светлости из нано-проводника може се постићи фотолумини-сценцијом (ФЛ) или електролуминисценцијом (ЕЛ), зависно од тога да ли је побуда извршена

СЛИКА 7.3 Шема ласерског зрачења у ZnO нано-проводнику са спектром зрачења за две вредности интензитета побуде.


оптичким осветљајем или електричном стимулацијом p – n споја. ФЛ јечесто употребљавана за изучавање оптичких карактеристика, док је ЕЛ доста једноставнији метод побуде. Пример побуде ЕЛ споја нано-проводника је LED диода начињена овом техником.

На овај начин се може начинити и ласер ако се од материјала за израду користе нано-проводници начињени од материјала CdS. Овакви ласери су посебно занимљиви јер захтевају нижи ниво побуде услед таквих квантних ефекатанано-проводника који имају нижи праг провођења. Такође, таласне дужине излазне светлости се могу подешавати тако што се у материјал нано-проводника могу допирати материјали који дају такве излазне карактеристике као и једноставном променом геометрије проводника. Ови ласери у погону су дали неочекиване резултате, па тако нпр. нано-проводници начињени од ZnO су дали светлост таласне дужине (≈385 nm) много веће него што је пречник проводника.

Велика површина и висока проводност дуж нано-проводника омогућава примену у органским и неорганским соларним ћелијама. У хибридним нано-кристалним ћелијама светлост извора побуде, побуђује материјал правећи електрон – шупљина парове, који уз спољашње поље могу бити усмерени чинећи струју. Овакве соларне ћелије имају ефикасност превођења монохроматске светлости у напон од 6,9%.

8. ЛИТЕРАТУРА

Овај семинарски рад представља покушај да се обради тема NANO WIRES, и представља превод области 4. Nanowires из књиге Handbook of Nano-technology аутора Bhushan Barat, у издању Springer Science+Business Media, ISBN: 978-3-642-02524-2

Поменута област се налази на странама 119 до 159 поменуте књиге.

Documents

Nano Provodnici