Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Применение ориентированных углеродных нанотрубок для формирования энергонезависимых запоминающих устройств 20
1.1 Современное состояние и перспективы развития энергонезависимых запоминающих устройств 20
1.2 Энергонезависимые запоминающие устройства на основе ориентированных углеродных нанотрубок
1.2.1 Эффект памяти формы и пьезоэлектрический эффект углеродной нанотрубки для создания перспективных запоминающих устройств 24
1.2.2 Мемристорные структуры на основе полевых транзисторов с углеродной нанотрубкой 29
1.2.3 Ячейки энергонезависимой памяти на основе эффекта накопления заряда в углеродной нанотрубке 33
1.2.4 Ячейки энергонезависимой памяти на основе электромеханического переключения углеродных нанотрубок 36
1.3 Методы зондовых нанотехнологий для диагностики ориентированных углеродных нанотрубок и формирования устройств на их основе 46
1.3.1 Методы исследования электрических свойств 46
1.3.2 Методы исследования механических и адгезионных свойств 50
1.3.3 Полевое осаждение, испарение и ориентация углеродной нанотрубки.. 54
1.4 Выводы по главе 1 и постановка задач 57
ГЛАВА 2. Моделирование процесса переключения сопротивления вертикально ориентированной углеродной нанотрубки под действием внешнего электрического поля 60
2.1 Разработка принципа работы ячейки памяти на основе мемристорной структуры на вертикально ориентированной углеродной нанотрубке 60
2.1.1 Моделирование продольной деформации вертикально ориентированной углеродной нанотрубки под действием внешнего электрического поля 63
2.1.2 Оценка адгезии и адгезионной прочности соединения вертикально ориентированных углеродных нанотрубок с нижним электродом 72
2.1.3 Моделирование процессов поляризации и накопления пьезоэлектрического заряда в вертикально ориентированной углеродной нанотрубке 75
2.2 Моделирование мемристорного эффекта в структуре на основе вертикально ориентированной углеродной нанотрубки 81
2.3 Формирование пучков вертикально ориентированных углеродных нанотрубок под действием локального внешнего электрического поля 87
2.4 Разработка методики определения модуля Юнга вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом наноиндентирования 89
2.5 Разработка методики определения удельного сопротивления вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 92
2.6 Выводы по главе 2 95
ГЛАВА 3. Исследование параметров вертикально ориентированных углеродных нанотрубок и процессов переключения сопротивления структур на их основе методами сканирующей зондовой микроскопии 98
3.1 Исследование геометрических и электрофизических параметров вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методами сканирующейзондовой микроскопии 98
3.1.1 Исследование геометрических параметров вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 100
3.1.2 Исследование удельного сопротивления вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 106
3.1.3 Исследование модуля Юнга вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом наноиндентирования 108
3.1.4 Исследование адгезии вертикально ориентированных углеродных нанотрубок с нижним электродом
3.2 Исследование поверхностного потенциала на пучках вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом зонда Кельвина 112
3.3 Исследование процесса переключения сопротивления вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом сканирующей туннельной микроскопии 114
3.3.1 Исследование влияния геометрических параметров вертикально
ориентированных углеродных нанотрубок на мемристорный эффект 114
3.3.2 Исследование влияния амплитуды и формы импульса прикладываемого напряжения на процесс переключения сопротивления вертикально ориентированной углеродной нанотрубки 118
3.3.3 Исследование влияния величины туннельного зазора на процесс переключения сопротивления вертикально ориентированных углеродных нанотрубок
3.4 Исследование процесса переключения сопротивления вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом атомно-силовой микроскопии 127
3.5 Выводы по 3 главе 129
ГЛАВА 4. Разработка конструкций и технологического маршрута создания элементов запоминающих устройств на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 131
4.1 Разработка конструкции и технологического маршрута создания элемента энергозависимого запоминающего устройства на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 131
4.2 Создание и исследование параметров макета ячейки энергозависимого запоминающего устройства на основе вертикально ориентированной углеродной нанотрубки
4.2.1 Исследование режимов осаждения вертикально ориентированной углеродной нанотрубки на зонд атомно-силового микроскопа 136
4.2.2 Исследование параметров макета
4.3 Разработка конструкции и технологического маршрута создания элемента энергонезависимого запоминающего устройства на основе мемристорных структур на вертикально ориентированных углеродных нанотрубках 144
4.4 Создание и исследование параметров макетов ячейки энергозависимого запоминающего устройства на основе мемристорных структур на вертикально ориентированных углеродных нанотрубках
4.4.1 Создание макета на основе вертикально ориентированных углеродных нанотрубок методом силовой нанолитографии 146
4.4.2 Исследование параметров макета ячейки на основе пучка вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 148
4.4.3 Исследование параметров макета ячейки на основе двух вертикально ориентированных углеродных нанотрубок 149
4.5 Выводы по 4 главе 152
Заключение 154
Список сокращений 158
Список использованных источников 159
- Энергонезависимые запоминающие устройства на основе ориентированных углеродных нанотрубок
- Моделирование продольной деформации вертикально ориентированной углеродной нанотрубки под действием внешнего электрического поля
- Исследование геометрических параметров вертикально ориентированных углеродных нанотрубок
- Исследование режимов осаждения вертикально ориентированной углеродной нанотрубки на зонд атомно-силового микроскопа
Энергонезависимые запоминающие устройства на основе ориентированных углеродных нанотрубок
Сравнительный анализ показал, что альтернативные технологии имеют существенные преимущества перед традиционной кремниевой технологией и могут быть использованы для массового производства новых энергонезависимых запоминающих устройств с высокой плотностью ячеек при условии дальнейшего совершенствования технологии и получения стабильных, воспроизводимых характеристик. Однако память FRAM имеет ограничения по масштабированию ячеек памяти, т.к. сегнетоэлектрический материал начинает терять свои свойства при переходе к десяткам нм в результате компенсации объемной поляризации материала поляризационными индуцированными поверхностными зарядами [28]. Масштабирование ячеек памяти MRAM ограничено эффектом перекрытия индуцированным магнитным полем соседних ячеек, что приводит к ошибкам записи информации [12]. При формировании ячеек памяти PRAM размерами менее 20 нм также возникают проблемы, связанные с электромиграцией и вступлением в реакцию активного материала халькогенида с электродами и диэлектриком в процессе переключения его фазы в аморфное состояние (разогрев до 600 С) [12]. Резистивная память RRAM на основе мемристорных структур с использованием оксидов металлов (TiO2, ZnO и др.) [20, 21] демонстрирует низкие значения воспроизводимости и циклов перезаписи и также имеет ограничения масштабируемости ячеек памяти (Таблица 1.1). Наилучшие значения быстродействия и циклов перезаписи демонстрируют ячейки энергонезависимых запоминающих устройств на основе углеродных нанотрубок NRAM (Таблица 1.1). Однако принцип работы данных ячеек, связанный с электромеханическим переключением УНТ между собой или подложкой, требует сложной прецизионной технологии их формирования [22, 23], что значительно удорожает технологию получения и ограничивает массовое производство NRAM.
В связи с этим, одним из перспективных направлений развития энергонезависимых запоминающих устройств представляется объединение преимуществ NRAM и принципа работы RRAM путем создания мемристорных структур на основе углеродных нанотрубок, что позволит формировать ячейки памяти менее 20 нм. В настоящее время мемристорный эффект был обнаружен у однослойных полупроводниковых углеродных нанотрубок, расположенных горизонтально на диэлектрической подложке [29], на массиве разориентированных многослойных углеродных нанотрубок [30], на модифицированных золотом и фуллеренами углеродных нанотрубках [31, 32]. В [29] проявление мемристорного эффекта было связано с взаимодействием УНТ с диэлектрической подложкой и захватом носителей заряда на границе УНТ/SiO2; в [30] – с наличием наноразмерных зазоров между УНТ и формированием проводящих каналов из нанотрубок при приложении внешнего поля, в работах [31, 32] – с наличием наноостровков золота на поверхности УНТ или заполнением внутренней полости УНТ фуллеренами. Однако ни одна из описанных структур не удовлетворяет требованиям, выдвигаемым к современным энергонезависимым запоминающим устройствам, т.к. не представляется возможным формирование омических контактов с заданными воспроизводимыми характеристиками к горизонтально ориентированным углеродным нанотрубкам [29], время переключения сопротивления из RLR в RHR для переплетенных УНТ очень высоко ( 10 мс) [30], а технология модификации УНТ золотом или фуллеренами плохо воспроизводима, сложна и значительно повышает стоимость мемристорной структуры [31, 32]. Таким образом, работы в области создания мемристорных структур на основе углеродных нанотрубок находятся на начальном этапе и требуют проведения дальнейших исследований.
Широкие перспективы для разработки запоминающих устройств в данном направлении открывает активное развитие метода получения вертикально ориентированных углеродных нанотрубок на основе плазмохимического осаждения из газовой фазы, который хорошо совместим с кремниевой технологией и позволяет формировать ориентированные углеродные нанотрубки с необходимыми геометрическими параметрами в заданной области подложки [33]. Это значительно упрощает и удешевляет технологический процесс формирования запоминающих устройств на основе ВОУНТ, а также обеспечивает воспроизводимость их параметров и локализацию.
Таким образом, одним из перспективных материалов для создания энергонезависимых запоминающих устройств, отвечающих условиям высокого быстродействия, высокой плотности записи информации и совместимости с существующей кремниевой технологией, являются вертикально ориентированные углеродные нанотрубки, использование которых может решить ряд технологических трудностей при формировании запоминающих устройств типа NRAM и RRAM.
Кроме того, вертикально ориентированные углеродные нанотрубки открывают возможность создания на их основе запоминающих устройств для вакуумной наноэлектроники, с учетом результатов многочисленных исследований в области формирования автоэмиссионных катодов на их основе [34-36]. Современная вакуумная наноэлектроника, объединяющая в себе достоинства как вакуумной, так и твердотельной электроники (сверхвысокое быстродействие, высокая устойчивость к радиации и температуре, масштабируемость, дешевизна и совместимость с кремниевой технологией) [37], открывает перспективы для создания нового поколения сверхбыстрых вычислительных устройств, работающих в экстремальных условиях эксплуатации [38]. Однако, современные запоминающие устройства вакуумной микро- и наноэлектроники создаются схемотехническим путем, что существенно снижает быстродействие и плотность ячеек памяти, а также увеличивает их стоимость. Поэтому разработка энергонезависимых запоминающих устройств, имеющих высокое быстродействие и степень интеграции, совместимых с интегральными схемами вакуумной наноэлектроники, является чрезвычайно актуальной задачей.
Уникальные электрические, механические и геометрические свойства ориентированных углеродных нанотрубок активно применяются при разработке и создании новых энергонезависимых запоминающих устройств с высокой плотностью записи информации. Анализ существующих запоминающих устройств на основе ориентированных УНТ позволил выделить четыре основных принципа их работы: эффект памяти формы и пьезоэлектрический эффект УНТ, мемристорный эффект в полевых транзисторах на основе УНТ, эффект накопления заряда в УНТ под действием внешнего электрического поля и электромеханическое переключение УНТ.
Моделирование продольной деформации вертикально ориентированной углеродной нанотрубки под действием внешнего электрического поля
Проведенный анализ литературных данных показал (гл. 1), что наилучшее время переключение (до 10-12 с) и максимальную плотность ячеек (до 1013 см-2) демонстрирует энергонезависимое запоминающее устройство на основе двухслойных вертикально ориентированных углеродных нанотрубок с туннельными контактами между вершинами ВОУНТ и верхними электродами [65]. Однако, принцип работы ячейки данного устройства, основанный на перемещении и механическом взаимодействии внутреннего слоя двухслойной ВОУНТ с верхним электродом, технологически сложно реализуем из-за высоких требований к геометрическим параметрам ВОУНТ (количества слоев, диаметра и длины) и прецизионности формирования системы управляющих электродов.
В основу принципа работы альтернативного энергонезависимого запоминающего устройства на основе ВОУНТ, позволяющего сохранить высокие значения времени переключения и плотности записи информации, а также упростить технологический процесс его формирования (путем замены трехэлектродной системы контактов на двухэлектродную и снижения требований к геометрическим параметрам нанотрубок), может быть положен мемристорный эффект, связанный с процессом переключения сопротивления вертикально ориентированной углеродной нанотрубки в результате ее деформации, поляризации и накопления пьезоэлектрического заряда под действием внешнего электрического поля [50, 51, 96-98, 105, 106].
На рисунке 2.1 представлено схематическое изображение мемристорной структуры на основе ВОУНТ, которая может быть использована в качестве ячейки памяти энергонезависимого запоминающего устройства. Данная структура состоит из верхнего электрода, туннельного зазора d, вертикально ориентированной углеродной нанотрубки диаметром D и длиной L и нижнего электрода.
Принцип работы предложенной ячейки энергонезависимой памяти на основе мемристорной структуры с ВОУНТ заключается в следующем: в исходном состоянии вершину нанотрубки и верхний электрод разделяет туннельный зазор d и, мемристорная структура находится в высокоомном состоянии (RHR), что соответствует состоянию логического «0» ячейки памяти; при приложении импульса напряжения, под действием поверхностной силы притяжения Fat ВОУНТ удлиняется на величину AL d, в результате чего в нанотрубке возникает пьезоэлектрический заряд Qcnt, и структура переключается в низкоомное состояние (RLR), соответствующее логической «1» ячейки памяти. При AL d низкоомное состояние мемристорной структуры сохраняется после снятия внешнего электрического поля, т.к. вершина ВОУНТ удерживается силами Ван-дер-Ваальса Fwd в контакте с верхним электродом и ее деформация сохраняется. Обратное переключение ячейки памяти из состояния «1» в «0» осуществляется при приложении на верхний электрод мемристорной структуры потенциала той же полярности, что и заряд Qcnt. Это приводит к возникновению между вершиной ВОУНТ и верхним электродом дополнительных электростатических сил отталкивания Fq, способных совместно с упругими силами Fei преодолеть силы Ван-дер-Ваальса FW(j и восстановить исходное состояние мемристорной структуры.
Необходимо отметить, что наличие туннельного зазора d в мемристорной структуре на основе ВОУНТ обеспечивает энергонезависимость работы предложенной ячейки памяти, т.к. препятствует релаксации деформации AL и связанного с ней пьезоэлектрического заряда Qcnt нанотрубки после снятия внешнего электрического поля. Переключение сопротивления структуры на основе ВОУНТ определяется процессами деформации, поляризации и накопления пьезоэлектрического заряда в нанотрубке и наблюдается вне зависимости от наличия в структуре туннельного зазора.
При этом необходимыми условиями, при которых структура на основе ВОУНТ будет проявлять мемристорный эффект, т.е. изменять свое сопротивление под действием внешнего электрического поля и сохранять значение сопротивления после его снятия, являются: 1) величина туннельного зазора d должна быть такой, что при приложении внешнего электрического поля ВОУНТ удлинялась на величину AL d и касалась верхнего электрода; 2) упругие силы Fei, возникающие в нанотрубке в результате ее деформации AL, не должны превышать по модулю силу притяжения Ван-дер-Ваальса Fwcj, возникающую между вершиной ВОУНТ и верхним электродом при их контакте (Fe/ Fwej); 3) адгезионная прочность контакта ВОУНТ с нижним электродом f0 должна превышать механическое напряжение а, возникающее в нанотрубке при ее максимальной деформации под действием внешнего электрического поля; 4) пьезоэлектрический заряд Qcnt, возникающий в нанотрубке в результате ее поляризации и деформации под действием внешнего электрического поля, должен быть достаточным для отрыва ВОУНТ от верхнего электрода под действием электростатических Fq и упругих сил Fei (Fq+ Fei Fwej).
При невыполнении условий (1, 2) структура на основе ВОУНТ может быть использована только в качестве ячейки памяти энергозависимого запоминающего устройства.
Для определения оптимального значения туннельного зазора в мемристорной структуре на основе ВОУНТ, при котором будет наблюдаться стабильное, воспроизводимое механическое взаимодействие вершины нанотрубки с верхним электродом, проводилось моделирование процесса деформации вертикально ориентированной углеродной нанотрубки под действием локального внешнего электрического поля. Схематическое изображение деформации ВОУНТ и возникающих в структуре сил под действием локального внешнего электрического поля представлено на рисунке 2.2.
При приложении к системе импульса напряжения U(t) углеродная нанотрубка поляризуется [96-98], при этом между ВОУНТ и верхним электродом возникает электростатическая сила притяжения Fat(x,t), направленная в область максимальной напряженности поля E(x,t) [96, 105]: F (x,t) = 0,5єє E(x,t)2S, П. 1) где 0 x L; So - диэлектрическая постоянная; s - диэлектрическая проницаемость среды между вершиной ВОУНТ и верхним электродом; S - площадь поперечного сечения ВОУНТ. Как известно, в структурах на основе ВОУНТ при расстоянии между вершиной нанотрубки и верхним электродом намного большем, чем диаметр и длина ВОУНТ (d » D, d L), наблюдается значительное усиление электрического поля ( 1000 раз) за счет высокого аспектного соотношения сторон нанотрубки [34]. При d D коэффициент усиления поля определяется с учетом геометрических параметров рассматриваемой системы: /30 = L/D-(l+D/d) [34]. Однако, при d « D и d « L пространство между электродом и нанотрубкой можно рассматривать как плоский конденсатор, и напряженность электрического поля на вершине ВОУНТ определяется как E(L,t) = U(t)/d, а среднее значение напряженности поля в области между подложкой и верхним электродом равно E0(0,t) = U(t)/(d+L) [34].
Исследование геометрических параметров вертикально ориентированных углеродных нанотрубок
В качестве экспериментальных образцов использовались массивы вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, выращенные методом ПХОГФ в специализированом модуле многофункционального нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 (ЗАО «Нанотехнология-МДТ», г. Зеленоград). В качестве подложки использовалась пластина кремния, на поверхности которой формировалась двухслойная структура, состоящая из адгезионного слоя пленки титана толщиной 20 нм, и каталитического слоя пленки никеля толщиной 10 нм. В качестве реакционного газа использовался ацетилен. Более подробно режимы выращивания ВОУНТ описаны в работах [116-119]. Оценка геометрических параметров экспериментальных образцов производилась с использованием растрового электронного микроскопа Nova NanoLab 600 (FEI, Нидерланды). На рисунке 3.1 представлены полученные РЭМ-изображения.
Выбор экспериментальных образцов с данными геометрическими параметрами обусловлен тем, что образцы типа 1 удовлетворяют условиям, необходимым для исследования процессов формирования пучков ВОУНТ и переключения их сопротивления под действием локального внешнего электрического поля (подраздел 2.3); геометрические параметры образцов типа 2 удовлетворяют условию H 20-30 и являются подходящими для исследований процесса резистивного переключения индивидуальных ВОУНТ (пункт 2.1.1 главы 2).
3.1.1 Исследование геометрических параметров вертикально ориентированных углеродных нанотрубок
Исследования длины и диаметра ВОУНТ экспериментальных образцов проводилось с использованием зондовой нанолаборатории (ЗНЛ) Ntegra (ЗАО «Нанотехнология-МДТ», г. Зеленоград) в контактном, полуконтактном и бесконтактном режимах атомно-силовой микроскопии с использованием кремниевых кантилеверов марки NSG 20, а также в режиме постоянного тока сканирующей туннельной микроскопии с использованием вольфрамовых зондов, заточенных методом электрохимического травления. Для обработки экспериментальных данных использовался пакет прикладных программ ImageAnalysis 3.5.
Полученные АСМ-изображения экспериментального образца типа 1 представлены на рисунке 3.2. Анализ АСМ-изображения, полученного в контактном режиме (рисунок 3.2 (а)), показал, что в процессе сканирования поверхности массива ВОУНТ зонд в большинстве случаев отрывает нанотрубки от поверхности подложки, но иногда наблюдается разрыв вблизи основания нанотрубки, что вызвано присутствием дефектов структуры в этой области. Таким образом, контактный режим АСМ не может быть использован для исследований и определения геометрических параметров ВОУНТ [114].
При сканировании поверхности массива ВОУНТ в полуконтактном режиме АСМ (рисунок 3.2 (б)) наблюдается объединение ВОУНТ в пучки под действием сил Ван-дер-Ваальса в результате отклонения нанотрубок от своей оси при механическом взаимодействии с зондом. Статистическая обработка данного АСМ-изображения позволила определить среднюю высоту пучка ВОУНТ экспериментального образца типа 1, которая составила 1,03 ± 0,31 мкм, максимальную высоту, равную 2,29 мкм, а также плотность отдельных пучков Однако полуконтактный режим АСМ не позволяет определить диаметр индивидуальных нанотрубок из-за низкой разрешающей способности и наличия множества артефактов сканирования, связанных с высокой подвижностью ВОУНТ при взаимодействии с зондом АСМ [114].
Бесконтактный режим АСМ позволяет получить АСМ-изображения поверхности массива ВОУНТ с более высоким пространственным разрешением и без явных артефактов (рисунок 3.2 (в)). При этом отдельные нанотрубки также объединяются в пучки диаметром около 300 нм. Причиной отклонения ВОУНТ от своей оси, в условиях отсутствия механического взаимодействия зонда с ВОУНТ, могут являться силы притяжения Ван-дер-Ваальса между зондом и вершиной ВОУНТ. Статистическая обработка данного АСМ-изображения показала, что максимальная высота пучка составила 2,52 мкм, средняя высота равна 1,27 ± 0,35 мкм, а плотность отдельных пучков ВОУНТ в массиве составила около 1,68 мкм . С использованием бесконтактного режима АСМ проводилось сканирование отдельных пучков ВОУНТ (рисунок 3.3) и определен средний диаметр ВОУНТ и количество индивидуальных нанотрубок в пучке экспериментального образца типа 1, которые составили 88 ± 14 нм и 18 шт., соответственно. Плотность ВОУНТ в массиве составила 31 мкм . Значения диаметра и плотности ВОУНТ, определенные методом АСМ в бесконтактном режиме, хорошо коррелируют со значениями, определенными методом РЭМ (Таблица 3.1).
С учетом полученных результатов, для определения длины ВОУНТ была разработана и аттестована методика, основанная на последовательном сканировании области массива ВОУНТ площадью 1010 мкм в контактном режиме АСМ, а затем площади 3030 мкм в полуконтактном режиме (рисунок 3.4 (а)) (Приложение А). Статистическая обработка профилограммы границы областей сканирования (рисунок 3.4 (а)) позволила определить максимальную и среднюю длину ВОУНТ в массиве, которые составили 1,98 мкм и 1,12 ± 0,45 мкм, соответственно. Профилограмма проводилась перпендикулярно направлению сканирования в контактном режиме АСМ, чтобы исключить влияние ВОУНТ, оторванных от подложки и сосредоточенных на границах отсканированной области, на значения максимальной и средней длины ВОУНТ.
Исследования поверхности экспериментального образца типа 1 методом СТМ в режиме постоянного тока ( 0,1 нА) при напряжении 0,1 В показали (рисунок 3.5), что индивидуальные нанотрубки под действием локального внешнего электрического поля также объединяются в пучки, что согласуется с результатами теоретических расчетов и предложенным механизмом формирования пучков ВОУНТ (подраздел 2.3).
Исследование режимов осаждения вертикально ориентированной углеродной нанотрубки на зонд атомно-силового микроскопа
Экспериментальные исследования разрешающей способности УНТ-зонда проводились путем сканирования поверхности рельефной меры TGZ2 (ЗАО «НТ– МДТ») с использованием ЗНЛ Ntegra. Сканирование меры выполнялось методом АСМ в полуконтактном режиме с использованием кремниевого зонда марки NSG 10 с радиусом острия 10 нм и изготовленного УНТ-зонда с радиусом острия 7 нм. На рисунке 4.5 представлены АСМ-изображения поверхности рельефной меры TGZ2, полученные данными зондами.
Анализ АСМ-изображений рельефной меры TGZ2, полученных кантилевером NSG 10, (рисунок 4.5 (а)) показал наличие артефактов сканирования, возникновение которых связано с вкладом угла конусности острия зонда. При сканировании рельефной меры TGZ2 УНТ-зондом артефакты отсутствовали (рисунок 4.5 (б)).
Так, использование УНТ-зонда позволило, по сравнению с коммерческим зондом, повысить точность определения угла отклонения вертикальной стенки от нормали в 3,7 раз. Сравнение параметров меры, определенных методом АСМ с использованием коммерческого зонда и УНТ-зонда, с паспортными данными приведено в Таблице 4.2.
Кроме того, использование УНТ-зонда дает возможность исследования вертикальных стенок структур методом атомно-силовой микроскопии критических размеров (CD-AFM) [126]. На рисунке 4.6 представлено трехмерное АСМ-изображение меры TGZ2 и профилограмма ее вертикальной стенки.
Анализ вертикальной стенки структуры рельефной меры TGZ2 (рисунок 4.6 (б)) проводился с использованием программных пакетов Image Analysis 3.5 и MathCad 14 и показал, что шероховатость боковой поверхности (среднее из максимальных высот неровностей на поверхности по ГОСТ 7016-82) составила 9,1 нм. Таким образом, УНТ-зонд, изготовленный на основе разработанной методики модификации коммерчески доступных зондов, может быть использован для прецизионного определения параметров высокоаспектных наноструктур, в том числе методом CD-AFM.
На основе разработанной в пункте 4.2.1 методики был также изготовлен зонд с ВОУНТ (D = 92 нм, L =2,12 мкм), представленный на рисунке 4.7 (а). Для формирования надежного контакта между ВОУНТ и поверхностью зонда методом фокусированных ионных пучков (ФИП) с использованием Nova NanoLab 600 в течение 20 с проводилось осаждение углерода (рисунок 4.7 (б)).
Полученные ВАХ обладали гистерезисом (рисунок 4.8), что подтверждает переключение сопротивления макета под действием внешнего электрического поля. Отношение RHR/RLR макета увеличивалось от 1 до 7 при увеличении амплитуды импульса напряжения от U0 = 4 В до U0 = 8 В (рисунок 4.8 (б)). Так как ВАХ макета имеют симметричный вид, можно предположить, что ВОУНТ при контакте с пирографитом испытывает деформацию изгиба, которая приводит к образованию суммарного положительного пьезоэлектрического заряда, локализованного на боковой поверхности нанотрубки [128, 129].
Гистерезис ВАХ макета коррелирует с результатами подраздела 2.2 и подтверждает адекватность разработанной модели переключения сопротивления ВОУНТ под действием внешнего электрического поля. Так, при dE/dt 0 образуется дополнительное растягивающее напряжение, увеличивающее значение внутреннего пьезоэлектрического поля нанотрубки, что приводит к формированию высокоомного состояния ВОУНТ (гл. 2, выражение (2.29)); при dE/dt 0 образуется дополнительное сжимающее напряжение, частично компенсирующее внутреннее пьезоэлектрическое поле нанотрубки, и формируется низкоомное состояние ВОУНТ (гл. 2, выражение (2.30)). Причем сопротивление ВОУНТ в низкоомном состоянии практически не изменяется с увеличением амплитуды прикладываемого напряжения, т.к. ограничено собственным сопротивлением нанотрубки, а сопротивление ВОУНТ в высокоомном состоянии увеличивается с ростом значения dE/dt (рисунок 4.6 (б)). Отсутствие гистерезиса ВАХ зонда с ВОУНТ при приложении импульса напряжения амплитудой 4 В говорит о том, что перераспределение пьезоэлектрического заряда под действием данной напряженности внешнего поля является несущественным по сравнению со значением заряда, сформировавшегося при контакте с поверхностью пирографита.
Принципиальным отличием данной конструкции (рисунок 4.9) от конструкции, представленной на рисунке 4.1, является наличие туннельного зазора 7, благодаря которому обеспечивается энергонезависимость запоминающего устройства. Кроме того, предложенная конструкция с верхним туннельным контактом позволяет снизить время процессов записи и стирания информации до единиц пс, решить проблему формирования качественного омического контакта к ВОУНТ и, как следствие, снизить величину переходного сопротивления и уменьшить значения напряжений переключения ячейки памяти между низкоомным и высокоомным состояниями.
Блок-схема технологического маршрута изготовления элемента энергонезависимого запоминающего устройства на основе мемристорных структур на вертикально ориентированных углеродных нанотрубках представлена на рисунке 4.10.
Таким образом, технологический маршрут изготовления элемента энергонезависимого запоминающего устройства на основе мемристорных структур на ВОУНТ аналогичен маршруту, представленному в Таблице 4.1, с учетом, что высота диэлектрических упоров увеличивается на величину туннельного зазора.
Макет ячейки энергонезависимого запоминающего устройства изготавливался на основе пучков ВОУНТ, сформированных методом силовой нанолитографии АСМ массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок (D = 108±39 нм, L = 2,23±0,37 мкм, Y = 1,05±0,21 ТПа). В качестве верхнего электрода выступал вольфрамовый зонд. Туннельный зазор между ВОУНТ и верхним электродом осуществлялся с помощью системы обратной связи сканирующего туннельного микроскопа.