CC BY
6энергия межмолекулярного взаимодействия, которая определялась как разность энергий взаимодействующих и не взаимодействующих молекул, отнесенная к их количеству. Дипольный момент рассчитывался с помощью квантово-химического пакета Firefly [5] методом HF в базисе 6-311G(3df,p). Для расчета энергии взаимодействия молекул смол с УНТ использовался квантово-химический пакет MOPAC c использованием полуэмпирической модели PM6-DH2, которая лучше учитывает водородные связи и в то же время дает хорошие результаты для sp -гибридизации [6]. Органические соединения наносились на одностенные УНТ (ОУНТ) [7] и многостенные УНТ (МУНТ) [8], предварительно осажденные на микроэлектроды с помощью электрофореза [9]. Структуры микроконтактов содержали затворный электрод, который располагался снизу под слоем диэлектрика (SiO2) толщиной 150 нм. Электрические характеристики полученных образцов измерялись с использованием измерителя параметров полупроводниковых приборов ИППП-1/5 (ОАО «МНИПИ», Беларусь). Для исследования влияния сильных электрических полей на вязкость и электрофизические параметры выбранных материалов использовались планарные структуры на термически выращенном SiO2 толщиной 800 нм с зазором 2,7 мкм между микроэлектродами, на которые подавалось напряжение с высоковольтного источника постоянного напряжения ТВ-2 (Болгария). Изменение свойств материалов определялось посредством измерения тока и наблюдения в оптическом микроскопе с 500-кратным увеличением (Mitutoyo, Япония).
Молекулярная перестройка смол в сильных электрических полях. Для понимания процессов, происходящих при взаимодействии УНТ с органическими соединениями, требуются исследования влияния процессов межмолекулярного взаимодействия и структуры самих молекул на параметры таких устройств. Посредством оптического
наблюдения синтетических смол проведено исследование изменения их вязкости при 8 „ полях 10 В/м. Выявлено заметное изменение формы краев твердой смолы СФ-0112а
(температура плавления около 100 °С) вблизи электродов, что указывает на размягчение, а также на уменьшение вязкости жидких эпоксидно-диановых смол ЭД-20 и D.E.R. 330. Все это говорит об изменении характера межмолекулярного взаимодействия в электрических полях выше 10 В/м и находится в согласии с другими работами, например [10], где в условиях данных полей отмечалось существенное изменение давления в жидкости и возможность образования пустот. Следует отметить, что напряженности электрического поля в устройствах, в которых размеры элементов и расстояния между ними составляют порядка 100 нм и менее, будут возникать уже при рабочих напряжениях около единиц вольт. Наблюдаемое поведение является существенным для понимания процессов молекулярной перестройки и может найти применение при формировании приборов, поскольку данные поля легко могут быть созданы со стороны затворного электрода в используемых структурах с каналом на основе УНТ, покрытых полимером.
Формирование проводящих структур на основе УНТ, покрытых различными органическими соединениями. В экспериментах использовались структуры микроэлектродов, между которыми нанесены методом диэлектрофореза сетки ОУНТ (рис.1,а) и методом электрофореза МУНТ (рис.1,б). Перед нанесением полимеров изучалась возможность и эффективность управления проводимостью канала электрическим полем затвора путем измерения ВАХ. Выполнены сравнительные исследования десяти образцов рассматриваемых структур.
Вначале все образцы структур классифицировались в зависимости от характера исходной проводимости и возможности управления внешним полем: пучки ОУНТ, обладающие металлическим типом проводимости, не управляемой полем затвора (структу-
ра 1); пучки ОСНТ, проявляющие полупроводниковую проводимость и по характеру ее изменения от поля затвора указывающие на нанотрубки ^-типа проводимости (структура 2); МУНТ, проявляющие металлические свойства и не демонстрирующие возможность управления проводимостью полем затвора (структура 3).
В процессе исследований на перечисленные структуры наносились различные материалы: в виде капель в случае жидких смол D.E.R. 330, ЭД-20, ЭД-16; в смеси
—2 — 2
с ацетоном с мольными долями смолы 3,23 10 и 2,610 соответственно в случае твердых смол ЭД-8 и СФ-0112а. Для нанесения ПАНИ использовался раствор в 1-метил-2-пироллидоне (НМП) с концентрацией 4,910-4 масс. %. После проведения всех измерений осуществлялось удаление капель/пленок в ацетоне для смол и в НМП -для ПАНИ, после чего указанные структуры, содержащие УНТ, использовались повторно для нанесения других материалов. Перед каждым новым нанесением структура проверялась на наличие проводимости и возможность управления ею электрическим полем затвора.
Механизм управления проводимостью канала при взаимодействии органических молекул с УНТ в электрическом поле. Покрытие углеродных нанотрубок различными молекулами даже в очень малых количествах может приводить к изменению энергетического спектра УНТ, что сказывается на их проводимости [11]. Однако причины возникновения изменений проводимости при изменении потенциала затвора в структурах УНТ, покрытых полимером, остаются недостаточно изученными в том числе и потому, что для перестройки молекул смол и полимеров в электрических полях требуется существенное время, а моделирование подобных процессов на временных масштабах в несколько сотен микросекунд и более представляет серьезную проблему [12].
Сетки ОУНТ структуры 1 изначально не демонстрировали эффекта управления проводимостью полем затвора. Это связано с наличием в них ОУНТ с металлическим характером проводимости, вклад которых в суммарное сопротивление структур при параллельном соединении с полупроводниковыми ОУНТ является превалирующим. После нанесения смолы ЭД-20 на структуру 1 появлялась зависимость тока канала от потенциала на затворе (рис.2,а). При уменьшении абсолютной величины отрицательного напряжения на затворе до нуля и последующего роста положительного смещения до ~ 4 В наблюдалось значительное уменьшение проводимости, которое затем, при дальнейшем увеличении положительного смещения, сменялось ростом. Такое поведение структуры можно объяснить наличием некоторого устойчивого положения, прохо-
.8-6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 -12 -8 -4 0 4 8 12
Напряжение затвор-исток, В Напряжение затвор-исток, В
а б
Рис.2. ВАХ наноструктур при фиксированных значениях напряжения исток-сток иСИ: а - пучки ОУНТ, покрытые ЭД-20 (•) при иСИ = 0,2 В и Б.Б.К 330 (♦) при иСИ = 0,5 В (структура 1); б - пучки ОУНТ до (◊) и после (♦) покрытия ЭД-16 (структура 2). Пунктирная линия - ток канала при
иСИ = 0,2 В до нанесения ЭД-20 на 1 структуру)
дя через которое, молекула, перестраиваясь в электрическом поле, влияет на УНТ своими различными группами, изменяя характер взаимодействия и распределение заряда вблизи УНТ, что сказывается на проводимости структуры более существенным образом, чем просто внешнее поле. В литературе известны аналогичные эффекты управления проводимостью УНТ полем затвора для случая их покрытия молекулами кислорода при низких давлениях [13], указывается также и на возможность проявлений их амбиполярного поведения, когда управление обусловлено изменением параметров контакта Шоттки, при сорбции молекул кислорода [14]. В рассматриваемых структурах затвор расположен под диэлектриком и поле не может оказывать существенного влияния на перестройку молекул пленки, лежащих на металле истока и стока, из-за экранировки. Изменение энергетической структуры уровней в самом канале также может приводить к изменению условий контакта, что позволяет объяснить рост проводимости как вследствие уменьшения высоты барьера при отрицательном потенциале на затворе, так и в силу уменьшения его ширины при положительном потенциале на затворе [15]. Однако исходные структуры с УНТ не демонстрировали управления затвором. Следовательно, подобное поведение после их покрытия смолами может быть объяснено существенным изменением структуры энергетических уровней в самой УНТ и, таким образом, изменением условий на контактах и проводимости структуры в целом.
Результаты моделирования диаграммы плотности состояний [16] показывают существенное изменение уровней в УНТ при сорбции полярных молекул, особенно при взаимодействии делокализованных электронов УНТ и молекулы, когда наблюдается существенное перераспределение заряда между ними. Предположительно, таким же образом может быть описана и чувствительность проводимости УНТ к сорбции молекул КИ3, объясняемая эффектом их легирования за счет переноса заряда [17]. Данный эффект наблюдается даже в том случае, когда контакты пассивированы диэлектриком, а длина канала сопоставима с длиной, на которой происходит изменение энергетической структуры уровней при легировании [18], что объясняется влиянием близкорасположенного распределенного заряда или полярных молекул на транспорт в самой УНТ.
Помимо эффекта управления проводимостью канала для случая ЭД-20 выявлен эффект «запоминания» предыдущего состояния, что проявилось в наличии гистерезиса ВАХ. Времена, на которых сказывалось предыдущее состояние, составляли более 100 с, что проверялось интервалом времени между измерениями. Это обстоятельство также доказывает
преимущественный вклад в управление проводимостью всей длины УНТ, покрытой смолой, а не только областей ее контактов с металлом, имеющих малый объем.
Изменения в распределении зарядов в слое материала, окружающего УНТ, может существенно изменять проводимость. В качестве влияющих зарядов выступают полярные группы молекул полимеров, атомы которых имеют эффективный заряд («+» или «-»), а изменение их концентрации вблизи поверхности УНТ при варьировании потенциала затвора может приводить к модуляции проводимости. Удельный заряд, приходящийся на единицу длины УНТ, можно оценить как концентрацию полярных групп на единицу длины молекулы с коэффициентом, равным эффективному заряду атома кислорода/водорода в этих группах (около ±0,4 заряда электрона [19]). Для смолы ЭД-20, учитывая лишь гидро-ксильные группы, содержащиеся только в димерах (их доля составляет 22%) и обладающие наибольшим дипольным моментом, получено значение заряда ~ 50 (в зарядах электрона), приходящегося на всю длину УНТ и изменяющегося в результате перестройки. Такова оценка снизу, которая сопоставима с результатами других исследований, где наблюдался как гистерезис ВАХ, так и полевой эффект, что обусловлено, однако, управлением проводимостью УНТ за счет изменения зарядовых состояний в диэлектрике [20].
Нанесение на эту же структуру смолы БЕК 330 с меньшим содержанием диме-ров, имеющих в отличие от мономеров гидроксильные группы (с большим дипольным моментом, чем у эпокси-групп), не приводит к заметному изменению тока при варьировании напряжения затвор-исток. Это косвенно указывает на существенную роль гид-роксильных групп в эффекте управления проводимостью, что не противоречит результатам других работ [21].
Для структуры 2 (рис.2,б) изначально присутствовало управление проводимостью посредством изменения потенциала затвора. Нанесение смолы ЭД-16, содержащей около 50 % димеров, привело к существенному улучшению полевого управления проводимостью и увеличению диапазона изменения тока канала почти до полного его выключения, в отличие от исходного состояния. Эффект «памяти» на ВАХ также сказывался, но на временах ~ 200 с.
Описанные эффекты проверены на структуре 3, где проводящий канал образован МУНТ. Вначале наносилась смола ЭД-16. В результате наблюдалось некоторое улучшение проводимости структуры (рис.3,а), а также возникновение эффектов управления
Рис.3. ВАХ структуры 3 с МУНТ: а - покрытая ЭД-16 (•) при иСИ = 0,5 В и покрытая ЭД-16/ацетон при Цси = 0,7 В в зависимости от количества циклов нанесения (□ - 1 раз, ■ - 4 раза); б - покрытая ПАНИ/НМП до отжига (•) и после удаления НМП и проведения отжига (•). Пунктирная линия - ток канала исходной структуры МУНТ до нанесения при иСИ = 0,6 В (а) и иСИ = 0,2 В (б)
проводимостью канала и проявления «памяти», т.е. гистерезис ВАХ (рис.4). Однако структура 3, в отличие от структур 1 и 2, не демонстрирует улучшение проводимости при положительном потенциале затвора. Наблюдаемое поведение проводимости связано, по-видимому, с существенным изменением энергетической структуры уровней в канале при перестройке слоя полимера, что сказывается и на МУНТ. Для этих структур не характерно наличие контактов нанотрубок между собой, а проводящий канал - это одиночная МУНТ, обладающая металлическими свойствами, в отличие от сеток ОУНТ, где присутствуют и полупроводниковые УНТ, которые могли давать свой вклад в управление полем затвора (их чувствительность к сорбции молекул выше).
Для исследования влияния толщины слоя материала покрытия на ВАХ приготовлен раствор ЭД-16 в ацетоне с концентрацией около 710-5 масс. %, который наносился на очищенную структуру. В результате нескольких итераций нанесения осажден несплошной (из-за плохой смачиваемости смолой поверхности БЮг) слой смолы ЭД-16 высотой около 3-5 нм. Преимущественное осаждение молекул смолы при этом, очевидно, происходило сначала в области вблизи контактов, поскольку угол смачивания металлической поверхности смолой ЭД-16 меньше, чем БЮг. Этим, по-видимому, объясняется отсутствие заметного эффекта полевого управления ВАХ. После четырех итераций нанесения раствора на ВАХ полученной структуры обнаружено полевое управление проводимостью канала (см. рис.3,а). Таким образом, на проводимость влияет достаточно тонкий слой (около нескольких нанометров) полимера, покрывающего УНТ.
После отмывки в ацетоне и последующего отжига при температуре 180 °С на наноструктуру наносился раствор ПАНИ в НМП. Высыхание капли происходило при нормальных условиях (комнатная температура и атмосферное давление). ВАХ полученной структуры показывает зависимость тока от потенциала затвора, а проводимость структуры при различных напряжениях на затворе изменялась как в большую, так и в меньшую сторону относительно исходного уровня при указанном напряжении (рис.3,б). Для полного удаления растворителя из пленки проведен отжиг структуры при 180 °С в течение 30 с, что гарантировано не могло привести к разрушению или изменению полимера [22]. Однако последующее измерение ВАХ показало полное отсутствие влияния потенциала затвора на ток канала, а структура перешла в состояние с высокой прово-димостью(см. рис.3,б).
Длинные молекулы ПАНИ или их отдельные звенья в отсутствие растворителя не могут перестраиваться и, таким образом, не способствуют управлению проводимостью полем затвора. Следовательно, в процессах, протекающих при взаимодействии молекул в поле с УНТ, имеет место движение молекулы как целого или же существенное изменение положения их частей, что практически невозможно при большой длине молекулы.
50
40
С к
30
§ 20 и
ю
■/ г-
100
200 Время, с
300
400
Рис.4. Временные характеристики переключения структур из «0» в «1»: ОУНТ+ЭД-8/ацетон (□); МУНТ+ПАНИ/НМП (♦); 0УНТ+СФ-0112а/ ацетон (•); МУНТ+ЭД-16 (о). Вертикальные линии - выход тока на максимальное значение -уровень «1»
Для проверки необходимости наличия в составе молекулы достаточно подвижных полярных групп, например гидроксильных или аминогрупп, в составе молекулы для реализации в наноструктурах полевого управления, кроме сравнения В.Б.К 330 c ЭД-20, УНТ покрывались раствором генэйкозана в толуоле, мольная доля этого неполярного полимера в котором составила 0,17. Выбор данного раствора связан с тем, что длина молекул генэйкозана сопоставима с молекулами эпоксидно-диановых смол, однако не содержит полярных групп и отличается линейным строением, что способствует существенной энергии межмолекулярного взаимодействия, а температура плавления раствора составляет 41 °С. Переход в жидкое состояние и обратно сопровождается существенным расширением и сжатием материала соответственно, что негативно сказывается на проводимости структур УНТ, так как, по-видимому, происходит смещение УНТ, вызванное релаксацией механических напряжений при затвердевании, и вызывает необратимое исчезновение проводимости. В то же время медленное испарение неполярного растворителя (толуола) обеспечивает равномерное покрытие молекулами генэйкозана поверхности структуры при высыхании раствора. Измерение ВАХ полученной структуры не показало наличия эффекта полевого управления проводимостью канала. Это подтверждает предположения, что решающий вклад в управление вносят ориентирующиеся в поле полярные группы молекул.
Следует отметить, что наблюдаемые особенности ВАХ рассматриваемых структур можно объяснить и туннельной инжекцией заряда с латеральной поверхности УНТ в приповерхностный (пограничный) слой покрытия в условиях сильных полей. Однако наблюдаемые в экспериментах характерные времена релаксации заряда (~100 с) при снятии напряжения с затвора (иЗИ = 15 В) при емкости ~ 10 фФ исключают возможность шунтирования проводимости УНТ по локализованным состояниям органического покрытия. Кроме того, отсутствие управления проводимостью в случае неполярного генэйкозана свидетельствует о малом вкладе зарядовых состояний и в то же время подчеркивает существенный вклад ориентации полярных групп. Тем не менее, механизм изменения зарядового состояния приповерхностных слоев полимера наряду с ориентацией дипольных моментов, возможно, включает в себя инжекцию и релаксацию заряда, которые в совокупности дают изменения энергетической структуры в УНТ и обуславливают наблюдаемый характер ВАХ. Кроме того, существенную роль могут играть различные примеси в смолах, перераспределение которых в условиях сильных электрических полей также может вносить вклад в наблюдаемое поведение структур.
Эффект «памяти» проводимости функционализированных УНТ. Кроме ВАХ исследовались также временные характеристики переключения структур. В этих экспериментах помимо рассматриваемых материалов использовались структуры, покрытые смесью ЭД-8/ацетон, а также СФ-0112а/ацетон. Этот материал превосходит по вязкости ЭД-16. Во всех случаях переключение структуры в высокоомное состояние осуществлялось положительным напряжением затвор-исток около 15 В за время импульса 250 мс (определялось возможностями прибора). Все структуры обладают ^-типом управления, кроме первой, на которую нанесена смола ЭД-20, и при положительном потенциале на затворе переходят в высокоомное состояние. Однако следует отметить, что для смолы ЭД-20 имеет место сохранение как низкоомного, так и высокоомного состояния в отсутствие потенциала на затворе. На рис. 4 приведены временные характеристики выхода структур из высокоомного состояния (назовем его «0») в низкоомное состояние (назовем его «1») в отсутствие напряжения затвор-исток (иЗИ = 0) после подачи импульса иЗИ = 15 В длительностью 250 мс непосредственно перед снятием характеристик. При достижении структурой уровня проводимости, соответствующего ис-
ходному состоянию (до подачи импульса иЗИ), дальнейших изменений характеристик проводимости не наблюдалось вплоть до подачи следующего импульса положительного напряжения на затвор.
Ключевым процессом в данных переключениях, по-видимому, также является перестройка молекул и переход приповерхностного слоя в состояние равновесия с минимальной энергией, которое нарушено предшествующей подачей электрического поля положительным напряжением иЗИ. Динамика процесса переключений и характерные времена релаксации проводимости к исходному состоянию, по видимому, определяются энергией взаимодействия молекул между собой и величинами их дипольных моментов, определяющих силу воздействия электрического поля на молекулы. Эти параметры сопоставлены с временем переключения и приведены в таблице.
Рассчитанные параметры смол, использованных в эксперименте, и экспериментальные результаты по времени перехода из «0» в «1»
Структура Средняя Межмолекуляр- Дипольный Дипольный Время
и материал длина мо- ная энергия по- момент на момент моле- выхода
покрытия лекул по- лимера на еди- единицу дли- кулы раство- из «0»
лимера, А ницу длины, мэВ/А ны, Д/А рителя, Д в «1»,с
ОУНТ 46 52 0,277 2,91 125
и ЭД-8/ацетон
МУНТ ~50000 53,6 0,515 4,1 215
и ПАНИ/НМП
ОУНТ 36,2 63,7 0,357 2,91 280
и СФ-0112а/
ацетон
МУНТ 26,3 51,7 0,299 - 363
и ЭД-16
МУНТ ~50000 53,6 0,515 - да
и ПАНИ
Из таблицы видно, что чем больше дипольный момент растворителя и полимера (а значит, сильнее взаимодействие между ними), тем больше время восстановления состояния структуры. Кроме того, поскольку содержание молекул растворителя мало в используемых смесях СФ-0112а/ацетон и ЭД-8/ацетон, а также в слое ПАНИ/НМП, когда исходная капля раствора уже высохла на поверхности, существенную роль играет взаимодействие между молекулами полимера, без перестройки которых не произойдет переход из «0» в «1». Этот переход, хотя и облегчается наличием молекул растворителя, которые способствуют такой перестройке, существенно зависит от межмолекулярной энергии в смоле или же в полимере на единицу длины, а восстановление из «0» в «1» происходит тем быстрее, чем меньше эта энергия. С увеличением длины молекулы время перестройки возрастает, что видно на примере значительного времени восстановления чистой смолы ЭД-16 и тем более ПАНИ, тонкая пленка которого, содержащая растворитель НМП, подвергалась длительному отжигу при высокой температуре, так что полностью освободилась от молекул НМП.
Кроме указанных факторов, имеет место также энергия взаимодействия молекул поверхностного слоя с самой УНТ. По результатам моделирования суммарная энергия взаимодействия молекул между собой и поверхностью УНТ в пересчете на одну молекулу превышает межмолекулярную энергию взаимодействия в объеме полимера. Так,
для эпоксидно-диановых смол увеличение энергии составляет около 40 %. В результате такое взаимодействие может приводить к существенному повышению требуемых для перестройки молекул электрических полей, что нежелательно с точки зрения приложений. При уменьшении взаимодействия цепи сопряжения молекул с поверхностью УНТ возможно уменьшение энергии, что косвенно подтверждается результатами сорбции различных молекул на УНТ [23]. Таким образом, изменяя структуру молекул материала покрытия, можно существенно улучшить характеристики изученных структур, в том числе, предположительно, и увеличить время сохранения определенного состояния.
В результате анализа поведения смол в сильных электрических полях сделаны предположения о ключевой роли межмолекулярного взаимодействия молекулярных диполей, что является предпосылкой для изменения свойств приповерхностного слоя полимера. Исследования ВАХ наноструктур смолы/УНТ выявило возможность перестройки электрическим полем затвора приповерхностных слоев полярных полимеров, окружающих УНТ, приводящей к изменению проводимости канала.
Из сравнения полученных характеристик для эпоксидно-диановых смол с различным содержанием гидроксильных групп был выявлен существенный вклад этих групп и их концентрации в приповерхностном слое в изменение энергетической структуры и проводимости УНТ. Определена взаимосвязь ВАХ и временных характеристик наноструктур смолы/УНТ со свойствами полимерного покрытия, что должно учитываться в разработках приборных применений, в том числе и элементах памяти.
Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Микросистемная техника и электронная компонентная база Национального исследовательского университета «МИЭТ» при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации.
Литература
1. Yuehe Lin, Fang Lu, Yi Tu, Zhifeng Ren. Glucose biosensors based on carbon nanotube nanoelectrode ensembles // Nano Lett. - 2004. -Vol. 4. - N 2, - P. 191-195.
2. Novel pyrenehexafluoroisopropanol derivative-decorated single-walled carbon nanotubes for detection of nerve agents by strong hydrogen-bonding interaction / Lingtao Kong, Jin Wang, Tao Luo, Fanli Meng et al. // Analyst. - 2010. - Vol. 135. - Is.2. - P. 368-374.
3. Enzyme-free sugar sensing in microfluidic channels with an affinity-based single-wall carbon nanotube sensor / Alexis Vlandas, Tetiana Kurkina, Ashraf Ahmad et al. //Analytical Chemistry. - 2010. - Vol. 82. -N 14. - P. 6090-6097.
4. Molecular memory based on nanowire-molecular wire heterostructures / Chao Li, Bo Lei, Wendy Fan et al. //J. Nanosci. Nanotechnol. - 2007. - Vol. 7. - N 1. - P. 138-150.
5. Alex A. Granovsky. Firefly version 7.1.G. - URL: http://www.classic.chem.msu.su/gran/firefly/ index.html (дата обращения: 15.02.2013 г.)
6. Stewart J. J. P. Optimization of Parameters for Semiempirical Methods V: Modification of NDDO Approximations and Application to 70 Elements // J. Mol. Modeling. - 2007. - Vol. 13. - Is. 12. - P. 1173-1213.
7. Perspectives of single-wall carbon nanotube production in the arc discharge process / A.V. Krestinin, N.A. Kiselev, A. V. Raevskii et al. // Eurasian ChemTech Journal. - 2003. - Vol. 5. - N. 1. - P. 7-18.
8. Раков Э.Г. Методы получения углеродных нанотрубок // Успехи химии. - 2000. - Т. 69. -Вып. 1. - С. 41-59.
9. Бобринецкий И. И. Электрофорез в задачах очистки, сепарирования и интеграции углеродных нанотрубок // Российские нанотехнологии. - 2009. - Т. 4. - № 1-2. - С. 110-114.
10. Vasily Y. Ushakov. Impulse Breakdown of Liquids // Power Systems. - 2007. - P. 1-51.
11. Niraj Sinha, Jiazhi Ma, John T. W. Yeow, Carbon Nanotube-Based Sensors // J. Nanosci. Nanotechnol. - 2006. - Vol. 6. - N 3. - P.573-590.
12. Thomas J. Lane, Diwakar Shukla, Kyle A. Beauchamp, Vijay S. Pande, To milliseconds and beyond: challenges in the simulation of protein folding // Current Opinion in Structural Biology. -2013. - Vol. 23. -Is. 1. - P. 58-65.
13. Carbon Nanotubes as Schottky Barrier Transistors / S. Heinze, J. Tersoff, R. Martel, V. Derycke et al. // Phys. Rev. Lett. - 2002. - Vol. 89. - N 10. -106801. - P. 1-4.
14. Metal Work-Function Changes Induced by Organic Adsorbates: A Combined Experimental and Theoretical Study / V. De Renzi, R. Rousseau, D. Marchetto et al. // Phys. Rev. Lett. - 2005. - Vol 95. - Is. 4. -046804. - P. 1-4.
15. Carbon nanotube field-effect transistors with integrated ohmic contacts and high-k gate dielectrics / Ali Javey, Jing Guo, Damon B. Farmer, Qian Wang et al. // Nano Lett. - 2004. - Vol. 4. - N 3. - P. 447-450.
16. Tournus F., Latil S., Heggie M. I., Charlier J.-C. п-stacking interaction between carbon nanotubes and organic molecules // PHYSICAL REVIEW B. - 2005. - Vol. 72. - Is. 7. - 075431. - P. 1-5.
17. Chongwu Zhou, Jing Kong, Erhan Yenilmez, Hongjie Dai, Modulated Chemical Doping of Individual Carbon Nanotubes // Science. - 2000. - Vol. 290. - N 5496. - P. 1552-1555.
18. Keith Bradley, Jean-Christophe P. Gabriel, Alexander Star, and George Gruner, Short-channel effects in contact-passivated nanotube chemical sensors // Appl. Phys. Lett. - 2003. - Vol. 83. - N 18. -P. 3821-3823.
19. Kevin C. Gross, Paul G. Seybold, Christopher M. Hadad. Comparison of different atomic charge schemes for predicting pka variations in substituted anilines and phenols // Intern. J. of Quantum Chemistry. -2002. - Vol. 90. - Is. 1. - P. 445-458.
20. M. S. Fuhrer, B. M. Kim, T. Du1rkop, T. Brintlinger. High-mobility nanotube transistor memory // Nano Lett. - 2002. - Vol. 2. - N 7. - P. 755-759.
21. Observation of ambipolar field-effect behavior in donor-acceptor conjugated copolymers / Shinuk Cho, Jung Hwa Seo, Gi-Hwan Kim et al. // J. Mater. Chem. - 2012. - Vol. 22. - Is. 39. -P. 21238-21241.
22. Chandrakanthi N., Careem M. A. Thermal stability of polyaniline // Polymer Bulletin. - 2000. -Vol. 44. - N 1. - P. 101-108.
23. Wei Chen, Lin Duan, Dongqiang Zhu. Adsorption of polar and nonpolar organic chemicals to carbon nanotubes // Environ. Sci. Technol. - 2007. - Vol. 41. - Is. 24. - P. 8295-8300.
Статья поступила 16 апреля 2013 г.
Бобринецкий Иван Иванович - доктор технических наук, профессор, ведущий научный сотрудник Научно-образовательного центра «Зондовая микроскопия и нано-технология» (НОЦ ЗМНТ) МИЭТ. Область научных интересов: наноэлектроника и зондовая микроскопия. E-mail: vkn@miee.ru
Емельянов Алексей Владимирович - студент МИЭТ.
Неволин Владимир Кириллович - доктор физико-математических наук, профессор кафедры квантовой физики и наноэлектроники, руководитель НОЦ ЗМНТ МИЭТ. Область научных интересов: зондовая микроскопия, нанотехнология и наноэлек-троника.
Ромашкин Алексей Валентинович - апирант кафедры квантовой физики и наноэлектроники МИЭТ, научный сотрудник НОЦ ЗМНТ МИЭТ. Область научных интересов: органическая электроника, ионно-лучевое травление, нанотехнология и наноэлектроника.
МИКРО- И НАНОСИСТЕМНАЯ ТЕХНИКА
Обзор
УДК.537.533.2:539-022.532: 620.3:620.22-022.532
МЭМС-переключатели в радиочастотной электронике II. Состояние разработок и перспективы
Представлен обзор существующих разработок радиочастотных микроэлектромеханических переключателей (РЧ МЭМС). Особо выделен класс РЧ МЭМС-переключателей, подвижные элементы которых выполнены с использованием нанокристаллических алмазных и углеродных ал-мазоподобных пленок. Показано, что низкие температуры осаждения углеродных алмазоподобных пленок позволяют интегрировать РЧ МЭМС-переключатели с КМОП-схемами (либо MESFET), что значительно уменьшит мощность управления и время, требуемое на переключения.
Ключевые слова: электростатическое управление, тепловое управление, режимы работы «hot» и «cold», эффекты «залипания», ультрананокристаллические алмазные (UNCD) пленки, биморфный элемент, плазмотрон, нанокристалличе-ские металл-углеродные пленки (НМУП), нанокристаллические углеродные алма-зоподобные пленки (НУАПП), полуизолирующий арсенид галлия.
Рассмотренные в [1] потенциальные возможности радиочастотных микроэлектромеханических переключателей (РЧ МЭМС) позволяют рассчитывать на радикальное улучшение характеристик радарных систем и систем связи. При коммутациях СВЧ-цепей традиционно используются две схемы включения РЧ МЭМС: последовательная и параллельная. В связи с этим варьируются и конструкции РЧ МЭМС-ключей. Разнообразие конструкций определяется также типом коммутирующего мощность контакта (гальваническая связь либо емкостная связь) и способом управления ключом (электростатическим либо тепловым). В СВЧ-устройствах предпочтительны ключи с электростатическим управлением и емкостным типом связи.
Инициаторами развития РЧ МЭМС-переключателей выступили военные ведомства США (DOD и DARPA). Финансируемые ими программы, например RF MEMS Improvement Program 2002-2006 гг., Harsh Environment Robust Micromechanical Tehnology -2003-2012 гг., посвящены повышению надежности РЧ МЭМС-переключателей. Для выполнения этих программ были привлечены исследовательские группы и фирмы. Так, фирма Radant MEMS специализируется на РЧ МЭМС-ключах с гальванической связью и надежным переключением мощности ~ 1 Вт в режиме «cold», при котором переключение ключа происходит при отсутствии на его входной шине СВЧ-сигнала. Предельное число переключений РЧ МЭМС-ключей в режиме «cold» на сегодняшний день со© В.А. Беспалов, Э.А. Ильичев, А.Е. Кулешов, Р.М. Набиев, Г.Н. Петрухин, Г.С. Рычков, 2013
12 1 В.А. Беспалов , Э.А. Ильичев , А.Е. Кулешов , 2 2 2 Р.М. Набиев , Г.Н. Петрухин , Г.С. Рычков
.2
2
1 Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
о
НИИ физических проблем им. Ф.В. Лукина (г. Москва)
