Введение к работе
Актуальность работы
Для создания новых устройств, отвечающих современным требованиям, требуется разработка новых материалов и применение принципов самоорганизации структур. В свою очередь, создание новых материалов и приборов для электроники и других отраслей техники невозможно без контроля на нано-уровне материала и понимания происходящих на этом уровне процессов при создании приборов.
Развитие органической электроники выявило существенные отличия
в параметрах проводимости полимерных материалов и в характере ее
управления в полевом транзисторе в зависимости от методик
формирования слоев, их степени структурированности. Величины
подвижности носителей, проводимости, степени управления полем для
применяемых материалов при этом могут иметь значительные (до
нескольких порядков величины) отличия. Улучшение характеристик
элементов органической электроники требует изучения процессов,
происходящих в наномасштабе, а переход к созданию наноразмерных
структур на основе малых групп упорядоченных молекул может
существенно улучшить основные характеристики.
Продемонстрированные результаты указывают на возможность формирования элементов на уровне отдельных молекул, обеспечивающих приемлемые характеристики, в то время как использование традиционных материалов имеет существенно более строгие ограничения на уменьшение размера элементов. Особенно актуальным становится уменьшение размера элементов памяти, формирование которых на основе органических материалов, таких как органические сегнетоэлектрики, может обеспечить как их низкую стоимость, так и малые размеры элементов. Кроме того, развитие сенсорных устройств в аспекте увеличения их селективности и чувствительности также требует изучения процессов на уровне отдельных молекул и их малых групп в приповерхностных слоях.
При формировании устройств молекулярной электроники представляет особый интерес выявление взаимосвязи молекулярной структуры синтезированного материала с его механическими, электрофизическими, химическими свойствами и параметрами конечного элемента электроники на его основе. Учитывая огромное многообразие возможностей по синтезу различных органических соединений, остается актуальным выявление факторов, обеспечивающих те или иные свойства молекулы. Особое значение также имеет разработка концепций создания
приборов с использованием характерных свойств функциональных групп в молекуле и молекулярных структур в целом с учетом их межмолекулярного взаимодействия. Все это требует определения процессов, происходящих на размерах менее 10 нм, и для создания и исследования наноразмерных элементов органической электроники. Для перехода к молекулярной электронике необходимо решение ряда задач по формированию наноразмерных контактов, формирующих требуемую конфигурацию электрических полей, по разработке методики осаждения слоев органических молекул, которые еще далеки от окончательного разрешения.
Последние успехи в области органической и молекулярной электроники, связанные с синтезом новых молекул, применением процессов самоорганизации, разработкой новых, адаптированных под молекулярную электронику, архитектур и процессов формирования, а также результаты по созданию селективных сенсорных структур и элементов памяти говорят о перспективности развития этого направления. В России в области молекулярной электроники также имеется ряд результатов мирового уровня. Тем не менее, на данный момент не решен вопрос создания полноценных моделей поведения молекул органических материалов в составе функциональных элементов электроники, а также формирования контактов и осаждения молекул на масштабах, сравнимых с размерами молекул. В свете сказанного, актуальность исследований, направленных на создание элементной базы органической и молекулярной электроники, изучение поведения молекул в транзисторных структурах в электрических полях и их взаимодействия с углеродными нанотрубками (УНТ), выполняющими функции как электродов так и канала, управляемого полем, представляется несомненной. Цель работы и задачи
Целью диссертационной работы являлась разработка методик формирования наноструктур с проводящим каналом на основе углеродных нанотрубок и органических молекул и исследование влияния на параметры структур поведения молекул в сильных электрических полях с различной степенью локализации.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Определить экспериментальным путем электрическую прочность различных смол, отличающихся длиной молекулы, и/или наличием различных полярных групп, в планарных микроэлектродах.
-
Разработать качественную модель, описывающую процессы, предшествующие пробою, и поведение электрической прочности различных смол при изменении величины зазора, учитывающую особенности структурного строения молекул.
-
Разработать методику формирования молекулярных проводников из молекул эпоксидиановой смолы и нелегированного полианилина (ПАНИ) одновременным осаждением УНТ и молекул на структуры с планарными микроэлектродами.
-
Исследовать поведение структур на основе планарных молекулярных проводников из молекул нелегированного полианилина в поперечном электрическом поле.
-
Исследовать поведение структур на основе проводящего канала из УНТ, покрытых молекулами различных смол и полимеров в поперечном электрическом поле.
Научная новизна работы
В ходе проведенных исследований впервые были получены следующие результаты:
-
Выявлена зависимость электрической прочности эпоксидиановой смолы как функции межэлектродного расстояния для планарных микроэлектродов.
-
Предложена модель, основанная на рассмотрении предшествующих пробою процессов молекулярной перестройки, позволяющая провести качественную оценку электрической прочности в зависимости от структурных особенностей молекул.
-
Определены величины электрических полей, необходимых для начала коллективной перестройки молекул, ведущей в случае планарных микроэлектродов к образованию наноразмерных полостей, а в случае неоднородных полей между УНТ-электродами - к формированию молекулярного проводника.
-
Показано, что ключевым критерием при образовании вертикальных молекулярных проводников является величина градиента электрического поля, определяемая условием предотвращения теплового движения в радиальном направлении.
-
Предложена методика формирования молекулярного проводника из молекул полианилина и эпоксидиановой смолы в процессе одновременного осаждения из раствора УНТ и молекул на подложку с использованием электрофореза.
-
Обнаружен эффект полевого управления проводимостью канала, образованного молекулами нелегированного ПАНИ. Показано, что изменение проводимости определяется изменением в поле положения делокализованных НОМО-уровней ПАНИ относительно УНТ-электродов.
-
Установлено, что покрытие УНТ полярными молекулами смол, формирует возможность управления проводимостью УНТ-канала в поле затвора. Величина изменений проводимости зависит от концентрации полярных групп молекул вдоль УНТ и возможности их ориентации в поле.
-
Выявлен эффект памяти в наноструктурах с проводящим каналом из УНТ, покрытых полярными молекулами смол, обусловленный процессом перестройки полярных групп и молекул в целом в электрическом поле.
Достоверность научных положений, результатов и выводов
Полученные экспериментальные результаты и разработанные методики согласуются с известными теоретическими моделями, в определённой своей части имеют прямое подтверждение в опубликованных отечественных работах, а также находят косвенное подтверждение в результатах зарубежных экспериментальных и теоретических работ. Опубликованные результаты согласуются и существенно дополняют экспериментальные результаты других авторов.
Теоретическая значимость исследования состоит в выявлении закономерностей поведения молекул смол и полимеров в сильных электрических полях при формировании молекулярных проводников, и в процессах, предшествующих пробою жидких диэлектриков, в приповерхностном к каналу полевого транзистора на основе УНТ слое при изменении поля формируемого затвором. Основные положения и выводы, содержащиеся в диссертации, могут быть использованы при дальнейшем развитии теории электронного транспорта в квазиодномерных органических проводниках и теории микромеханики молекул в однородных и неоднородных электрических ПОЛЯХ.
Практическая значимость исследования состоит в том, что полученные результаты могут быть применены для создания элементной базы органической наноэлектроники (полевых транзисторов, элементов памяти). Кроме того, результаты исследования могут быть использованы в преподавании курсов «Основы органической наноэлектроники», «Нанотехнологии в электронике» и др.
Основные научные положения, выносимые на защиту
-
Для возникновения канала проводимости в смолах необходима коллективная перестройка части молекул, ведущая в случае планарных микроэлектродов к пробою, а в случае УНТ-электродов, формирующих градиент электрического поля, обеспечивающий подавление теплового движения молекул, - к формированию молекулярного проводника.
-
Предложенная методика электрокинетического осаждения из смеси УНТ и органических молекул на подложку обеспечивает возможность формирования между планарными микроэлектродами наноструктуры молекулярного проводника из различных молекул (полианилина и эпоксидиановой смолы).
-
В наноструктурах на основе молекулярного проводника из молекул полианилина в форме эмеральдинового основания проявляется полевое управление проводимостью, характерное для канала р-типа, определяемое изменением в поле положения делокализованных НОМО-уровней в полианилине относительно уровня УНТ-электродов.
-
Величина изменения проводимости канала на основе УНТ, покрытой полярными молекулами смол, определяется перестройкой молекул в окружающем УНТ приповерхностном слое в электрическом поле затвора. Величина изменений зависит от концентрации полярных групп молекул вдоль УНТ и способности их ориентации в поле.
-
Наноструктуры УНТ, покрытые полярными молекулами смол, проявляют эффект "запоминания" уровня проводимости, обусловленный процессом перестройки полярных групп и молекул в целом в электрическом поле.
Личный вклад соискателя
Все результаты представленные в работе, получены соискателем лично, либо в соавторстве при его непосредственном участии. Апробация работы
Материалы диссертации были представлены на следующих конференциях, семинарах и конкурсах научных работ: S XV Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2008»
(Москва. 2008); S XVII Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2010»
(Москва. 2010); S Всероссийский конкурс научно-исследовательских работ студентов
вузов в области нанотехнологий и наноматериалов (Москва. 2010);
S 12th International Conference on the Science and Application of
Nanotubes, (Cambridge (UK), 2011); S International Meeting on the Chemistry of Nanotubes and Graphene
(Arcachon, France, 2012); S XIX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2012»
(Москва. 2012); S 55-я научная конференции МФТИ - Всероссийская молодежная
научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и
прикладных наук» (Москва. 2012); S XX Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция
студентов и аспирантов «Микроэлектроника и информатика - 2013»
(Москва. 2013); S International Conference "Advanced carbon nano structures" (St.
Petersburg. 2013) Публикации
Основные результаты исследования, проведенного соискателем, изложены в13 печатных источниках, опубликованных в отечественной и зарубежной литературе, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК России. Также соискатель является соавтором 8 работ и 1 патента РФ, косвенно относящихся к тематике вынесенных на защиту положений. Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка сокращений, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 139 страницах, из которых 122 составляет основной текст работы, включает 52 рисунка и 2 таблицы. Список литературы содержит 126 источников.
