Золотые наноантенны помогут ученым понять, как сделать электронику сверхмалых размеров еще мощнее и производительнее
27.10.2017
Результаты исследования представлены в научной статье, опубликованной в журнале NanoLetters (IF 12,7; Q1).
«Сейчас в сфере электроники, цифровых технологий идет тенденция к миниатюризации устройств. Наиболее актуальна эта тенденция для транзисторов (ред. — полупроводниковых приборов, предназначенных для усиления тока), — рассказывает профессор кафедры лазерной и световой техники ТПУ Рауль Родригес. — Уже сегодня с помощью современных технологий создаются транзисторы с шириной канала 12 – 14 нанометров, что позволяет помещать большее их количество в процессор, увеличивая производительность смартфонов и других миниатюрных электронных устройств. Чтобы совершенствовать эти технологии и дальше, создавая транзисторы еще меньших размеров, нам нужно понимать, как ведет себя полупроводниковый материал при взаимодействии с металлом, как меняются его свойства в наномасштабе».
Ранее, по словам ученого, материалы-компоненты современной электроники изучались только на макро- и микроуровне, но получаемые в результате таких наблюдений сведения не всегда достаточны для понимания взаимодействия материалов друг с другом. В опубликованной статье ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Технологического университета Хемница и Университета Регенсбурга (Германия) впервые продемонстрировали, как ведут себя материалы-компоненты передовой миниатюрной электроники на наноуровне.
«Чтобы создать полную линейку разных устройств, которые необходимы для электроники, в том числе гибкой, нужны различные классы двумерных материалов, в число которых также входят и полупроводники. Дисульфид молибдена, который мы рассматриваем в нашей статье, — один из самых известных двумерных полупроводников. Нашей целью было изучить напряжение, возникающее в этом материале на наноуровне, а также процессы его растяжения или сжимания в разных структурах и областях», — сообщают авторы научной статьи.
Для этого ученые использовали золотые наночастицы — нанотреугольники. Сверху на них были помещены два монослоя дисульфида молибдена, который из-за выпуклой формы нанотреугольников деформировался, что и способствовало возникновению локального напряжения величиной 1,4%.
«Это большее напряжение, чем мы ожидали увидеть изначально. Вообще у нас не было цели создать как можно более высокое напряжение, но интересно, что просто положив тонкие слои дисульфида молибдена на металл, мы можем получать такие значительные деформации. И это очень важно — понимать, что происходит при создании контакта между полупроводником (дисульфидом молибдена) и проводником (золотом), если мы хотим создать наноустройство, — отмечает Рауль Родригес. — Мы показали в своей работе, что нельзя пренебрегать взаимодействием между тонкой пленкой и подложкой в электронных наноустройствах. Когда эти материалы изучаются, все их свойства (электронные, зонные, оптические) исследуются на плоской подложке. Но дело в том, что присутствие металла, который может использоваться для электродов, меняет свойства материала. Это неизбежно, но, возможно, это можно как-то использовать».
Рауль Родригес уточняет, что опубликованная научная статья стала первой, описывающей такие локальные измерения напряжений.
Провести такой эксперимент ученым удалось благодаря уникальной технологии Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS), объединяющей методы оптической спектроскопии и атомно-силовой микроскопии. Главный элемент технологии —золотая наноантенна, встроенная в атомно-силовой микроскоп. Ее размер у основания измеряется в микронах, а на конце — в нанометрах. На кончик такой антенны помещается наночастица, и ученые исследуют уже только сигналы, получаемые с этой конкретной частицы.
«Можно привести пример для лучшего понимания того, почему важно использование методов наноанализа. Представьте себе группу наночастиц, которую мы освещаем с помощью лазера. Если мы используем обычные оптические методы анализа, размер лазерного пятна составляет около двух микрон, а средний размер одной наночастицы — 40 нанометров. В результате при помощи лазера мы получаем информацию о том, какие наночастицы присутствуют в исследуемой нами области. Но, поскольку у нас размер лазерного пятна больше, чем размер частиц, мы получим некий усредненный сигнал и не сможем различить эти частицы между собой. Если же мы используем наноантенну, то мы можем выбрать конкретную частицу и практически получить сигнал только с нее, — объясняет Рауль Родригес. — Такие уникальные наноантенны производятся нашей компанией в Германии, и сейчас мы хотим перенести их производство в Томский политех».
Ученые подчеркивают, что с помощью метода TERS можно исследовать не только локальные напряжения, но и процессы взаимодействия частиц между собой, выявлять дефекты в тех или иных материалах на наноуровне.
Источник: Служба новостей ТПУ
«Сейчас в сфере электроники, цифровых технологий идет тенденция к миниатюризации устройств. Наиболее актуальна эта тенденция для транзисторов (ред. — полупроводниковых приборов, предназначенных для усиления тока), — рассказывает профессор кафедры лазерной и световой техники ТПУ Рауль Родригес. — Уже сегодня с помощью современных технологий создаются транзисторы с шириной канала 12 – 14 нанометров, что позволяет помещать большее их количество в процессор, увеличивая производительность смартфонов и других миниатюрных электронных устройств. Чтобы совершенствовать эти технологии и дальше, создавая транзисторы еще меньших размеров, нам нужно понимать, как ведет себя полупроводниковый материал при взаимодействии с металлом, как меняются его свойства в наномасштабе».
Ранее, по словам ученого, материалы-компоненты современной электроники изучались только на макро- и микроуровне, но получаемые в результате таких наблюдений сведения не всегда достаточны для понимания взаимодействия материалов друг с другом. В опубликованной статье ученые Томского политехнического университета вместе с коллегами из Технологического университета Хемница и Университета Регенсбурга (Германия) впервые продемонстрировали, как ведут себя материалы-компоненты передовой миниатюрной электроники на наноуровне.
«Чтобы создать полную линейку разных устройств, которые необходимы для электроники, в том числе гибкой, нужны различные классы двумерных материалов, в число которых также входят и полупроводники. Дисульфид молибдена, который мы рассматриваем в нашей статье, — один из самых известных двумерных полупроводников. Нашей целью было изучить напряжение, возникающее в этом материале на наноуровне, а также процессы его растяжения или сжимания в разных структурах и областях», — сообщают авторы научной статьи.
Для этого ученые использовали золотые наночастицы — нанотреугольники. Сверху на них были помещены два монослоя дисульфида молибдена, который из-за выпуклой формы нанотреугольников деформировался, что и способствовало возникновению локального напряжения величиной 1,4%.
«Это большее напряжение, чем мы ожидали увидеть изначально. Вообще у нас не было цели создать как можно более высокое напряжение, но интересно, что просто положив тонкие слои дисульфида молибдена на металл, мы можем получать такие значительные деформации. И это очень важно — понимать, что происходит при создании контакта между полупроводником (дисульфидом молибдена) и проводником (золотом), если мы хотим создать наноустройство, — отмечает Рауль Родригес. — Мы показали в своей работе, что нельзя пренебрегать взаимодействием между тонкой пленкой и подложкой в электронных наноустройствах. Когда эти материалы изучаются, все их свойства (электронные, зонные, оптические) исследуются на плоской подложке. Но дело в том, что присутствие металла, который может использоваться для электродов, меняет свойства материала. Это неизбежно, но, возможно, это можно как-то использовать».
Рауль Родригес уточняет, что опубликованная научная статья стала первой, описывающей такие локальные измерения напряжений.
Провести такой эксперимент ученым удалось благодаря уникальной технологии Tip-Enhanced Raman Spectroscopy (TERS), объединяющей методы оптической спектроскопии и атомно-силовой микроскопии. Главный элемент технологии —золотая наноантенна, встроенная в атомно-силовой микроскоп. Ее размер у основания измеряется в микронах, а на конце — в нанометрах. На кончик такой антенны помещается наночастица, и ученые исследуют уже только сигналы, получаемые с этой конкретной частицы.
«Можно привести пример для лучшего понимания того, почему важно использование методов наноанализа. Представьте себе группу наночастиц, которую мы освещаем с помощью лазера. Если мы используем обычные оптические методы анализа, размер лазерного пятна составляет около двух микрон, а средний размер одной наночастицы — 40 нанометров. В результате при помощи лазера мы получаем информацию о том, какие наночастицы присутствуют в исследуемой нами области. Но, поскольку у нас размер лазерного пятна больше, чем размер частиц, мы получим некий усредненный сигнал и не сможем различить эти частицы между собой. Если же мы используем наноантенну, то мы можем выбрать конкретную частицу и практически получить сигнал только с нее, — объясняет Рауль Родригес. — Такие уникальные наноантенны производятся нашей компанией в Германии, и сейчас мы хотим перенести их производство в Томский политех».
Ученые подчеркивают, что с помощью метода TERS можно исследовать не только локальные напряжения, но и процессы взаимодействия частиц между собой, выявлять дефекты в тех или иных материалах на наноуровне.
Источник: Служба новостей ТПУ