Admin
21st January 2010, 09:01 AM
کاربرد نانوساختارهاي کربني در ساخت ادوات گسيل الکتروني
مقدمه
نانوساختارهای کربنی از رشد قابل ملاحظه‌ای در سال‌های اخير برخوردار بوده‌اند. همگام با ساير کشورها در ايران نيز تحقيقات در زمينه نانوساختارهای کربنی از رشد فزاينده‌ای برخوردار میباشد. در آزمايشگاه تحقيقاتی لايه نازک دانشگاه تهران در زمينه ساخت نانولوله‌های کربنی و کاربرد آنها در ساخت ادوات گسيل الکترونی، پژوهش مستمری در چند سال گذشته انجام شده است که قسمتی از آن به صورت مقاله زير ارائه می‌شود.
آزمايش برروی نانولوله‌های کربنی با استفاده از رشد آنها بر روی بسترهای سيليکونی و با تکنيک بخار شيميايي انجام می‌گيرد. در اين روش که به صورت شماتيک در شکل (1) به نمايش گذارده شده است گازهای حاوی کربن (خصوصا استيلن) مورد استفاده قرار مي‌گيرند که در رآکتوری از جنس کوارتز و در حضور پلاسمای سرد، به صورت راديکال‌های مناسب در آمده و برروی هسته‌بندی مناسبی از عنصر کاتاليستی مانند نيکل و يا کبالت لايه‌نشانی می‌گرند. در صورتی که شرايط محيطی مانند دما و فشار گاز و نيز ميزان کاتاليست و دانه‌بندی اوليه آن مناسب باشند، رشد نانوساختارها به صورت عمودی و با خلوص و پراکندگی مناسب انجام می‌گيرد.
علاوه بر گاز استيلن که عامل لايه‌نشانی کربن میباشد گاز هيدروژن نيز از اهميت بالايی برخوردار میباشد و در تعيين هسته‌بندی اوليه لايه کاتاليزور و نيز اصلاح رشد نانولوله‌ها نقش تعيين‌کننده‌ای را بازی می‌کند.
در شکل‌های (2) و (3) تصاويری با ميکروسکوپ الکترونی مربوط به برخی نمونه‌ها ارائه شده است که نمايش‌دهنده اثر شرايط رشد برروی کيفيت نانوساختارها میباشد.
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-1.jpg
شکل (2) نمايشی از رشد بدون حضور پلاسمای سرد (شکل راست) و رشد متراکم نانولوله‌های کربنی در حضور پلاسمای سرد (سمت چپ). بدون پلاسما يک رشد کاملاً نامنظم حاصل می‌شود.
شکل (2) نشان‌دهنده رشد بدون نظم مشخص میباشد که بدون حضور پلاسما و صرفاً در شرايط گرمايشی حاصل شده است. لازم به ذکر است که دمای رشد نانوساختارهای کربنی با استفاده از پلاسمای سرد بين 550 و 650 درجه سانتيگراد میباشد که معمولا بدون حضور پلاسما منجر به رشد کاملاً نامنظم می‌گردد.
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-2.jpg
شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی از هسته‌های نيکلی به صورت عمودی. در شکل سمت راست رشد متراکمی از نانوساختارهای کربنی به صورت عمودی مشاهده می‌گردد. دانه‌بندی اوليه عنصر کاتاليزور (نيکل) اهميت بالايی در اين رشد همگون دارد.
در شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی به صورت تقريباً عمودی و حجيم ديده می‌شود که در حضور پلاسما و با چگال توانی در حدود mW/cm2 10 حاصل شده است. در بسياری از موارد نياز به چنين رشد متراکمی داريم که از موارد مهم آن نمايشگرهای گسيل الکترونی از نوک‌های تيز نانولوله‌های کربنی میباشد. اين‌گونه ساختارها با توجه به شکل بسيار تيز خود امکان خروج الکترون با اعمال ولتاژهای پايين را مهيا می‌سازند. گسيل الکترونی از نوک لوله‌ها در اثر اعمال ولتاژ به آنها کاربردهای متعدد ديگری از جمله در ساخت اشعه‌های الکترونی متمرکز[ 1و2 ]و فرآيند ليتوگرافي دارد.
نانوساختارهای گسيل الکترون
پس از رشددادن نانولوله‌ها، با استفاده از روش انباشت بخار شيميايي (CVD)، اکسيد تيتانيوم را به صورت بخار شيميايی و در فشار اتمسفری بر روي آنها لايه‌نشاني مي‌کنيم. اين مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهميت بالايی برخوردار میباشد. اين مرحله در همپوشاني نانوساختارها از اهميت بالايي برخوردار مي‌باشد. چرا كه به نانوساختارهاي نيمه‌توخالی و به صورت لوله‌ای امكان تحقق مي‌دهد. سپس با استفاده از روش لايه‌نشاني با تبخير به کمک باريکة الکتروني، لايه‌اي به ضخامت 1 ميکرومتر از فلز کروم روي آن مي‌نشانيم. اين لايه نشانی برای ايجاد گيت‌های کنترل‌کننده برای ترانزيستورها و نيز بعنوان لنزهای الکتروستاتيکی در حالت ليتوگرافی مورد استفاده قرار می‌گيرد.
براي آشکار شدن نوک نانولوله‌ها، از روش زدايش مکانيکي_شيميايی استفاده مي‌کنيم. در مرحلة بعدي با استفاده از تکنيک plasma-ashing نوک نانولوله‌ها را باز مي‌کنيم. استفاده از گاز حاوی اکسيژن در اين مرحله نقش اساسی دارد، چرا که بدون صدمه‌زدن به ساختارهای محافظت‌کننده، فقط نانوساختارهای کربنی را بسوزاند تا به‌تدريج از ارتفاع نانولوله‌ها کاسته شده، به شکل مناسب دست يابيم.
شکل 4 نحوة عملکرد و شمای اين ساختار را نشان مي‌دهد. بدين ترتيب نانولوله‌ها براي گسيل الکتروني آماده مي‌شوند. با اعمال ولتاژ مناسب بين نانوساختارهای کربنی از يک طرف و صفحه مقابل که نقش آند را بازی می‌کند از طرف ديگر، جريان الکترونها آشکار شده و ميزان اين جريان به وسيله ولتاژ بر روی گيت کاهش می‌يابد. قسمت ديگر شکل 4، تصوير ميکروسکوپ الکتروني از ساختار کامل شده نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. با توجه به انجام مرحله پوليش مکانيکی – پلاسمايی، برخی از نانولوله‌ها که از شرايط مناسبی از نظر ارتفاع و قطر برخوردار نيستند عملا در ارسال جريان الکتريکی نقشی ندارند.
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-3.gif
شکل (4) نماي شماتيک يک نانوساختار کربنی و استفاده آن در ساخت ساتع کننده الکترونی. توضيح بيشتر در متن آورده شده است. در تصوير مقابل نمايشی از تصوير ميکروسکوپ الکترونی مربوط به مجموعه‌ای از اين ساتع کننده‌های الکترونی مشاهده می گردد.
صفحه آند که معمولاً از جنس ويفر سيليکوني میباشد در فاصله مناسب از بستر توليدکننده الکترون قرار می‌گيرد. در شکل‌های زير رفتار الکتريکی مجموعه‌ای از نانوساختارهای کربنی به نمايش گذارده شده است که حاکی از عملکرد مناسب اين مجموعه میباشد.
ساختارهای نانومتری که در اين مقطع محقق شده‌اند قابليت انجام ليتوگرافی در ابعاد نانومتری را نيز دارند. در شکل‌های زير برخی از نتايج اين تحقيق آورده شده است که حاکی از موفقيت اين تکنيک در شکل‌دهی با ابعاد بسيار کوچک میباشد. برای اين منظور بستر حاوی نانولوله‌ها را در فاصله 100 ميکرومتري از لايه حساسي که روي بستر سيليکون نشانده شده است، قرار مي‌دهيم. سپس بعد از اعمال ولتاژي حدود 100-80 ولت بين صفحه بالايي و پشت بستر نانولوله‌ها، آنها را نسبت به هم به حرکت در مي‌آوريم. اتصال ديگري بر روي فلز
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-5.gif
شکل (5) نمايش رفتار الکترونيکی نانوساختارهای کربنی با پوشش دولايه از جنس اکسيد تيتانيوم و فلز. شکل چپ نشان‌دهنده جريان آشکار شده در طرف آند با توجه به ولتاژهای آند-کاتد. شکل راست نشان‌دهنده جريان آشکار شده در آند و کنترل آن توسط گيت ترانزيستور میباشد.
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-6.jpg
شکل (6) :تاثير پرتو الکتروني گسيل شده روي ماده‌ي حساس پليمري به همراه حرکت خطي که توسط سيستم مکانيکي ايجاد شده است.
نانولوله‌ها برقرار مي‌کنيم و با اعمال ولتاژ منفي بر آن(نسبت به بستر نانولوله‌ها) پرتوي الکتروني را باريک‌تر مي‌کنيم. الکترونها در اثر انرژی‌اي که پيدا می‌کنند به سمت صفحه آغشته شده به لايه حساس شتاب مي‌گيرند و روی اين ماده تاثيرات شيميايی از خود به جا مي‌گذارند تا در مرحلة حکاکی طرح، الگو روی نمونه حکاکی شود.
بعد از اينکه اشعه الکترونی متمرکزي به قطر 100 نانومتر ساختيم، نمونه را در زمان‌های مناسبی در معرض برخورد اشعه الکترونی قرار داديم. بعد از اين مرحله لايه نازکی از طلا را جهت ظاهرشدن الگو توسط دستگاه تبخير خلا، لايه‌نشانی کرديم. اثر گسيل الکتروني بر روي ماده حساس پليمري را توسط ميکروسکوپ الکتروني آناليز کرديم. شکل6، تصاوير SEM حاصل از گسيل الکترون از نوک نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. قسمت الف اين شکل، اثر گسيل الکتروني يک نانولوله را در مدت 1 دقيقه نشان مي‌دهد. همچنين در قسمت ديگر، اثر گسيل خوشة (cluster) متشکل از چند نانولوله در همان مدت زمان ديده مي‌شود.
نتيجه گيری
در اين مقاله گذری به پيشرفت‌های حاصل‌شده در آزمايشگاه لايه نازک دانشگاه تهران، که منجر به توليد نانولوله‌های کربنی و نانوساختارهای کربنی گرديده است شده است. با استفاده از قابليت‌های زيادی که در اين نانوساختارها موجود میباشد، امکان استفاده از آنها در ليتوگرافی در مقياس نانومتری و در جهت ساخت ترانزيستورهای MOSFET زير 100 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه اين روند تحقيقاتی امکان بهبود اين نانوساختارها در تحقق کريستال‌های فوتونی و نمايشگرهای با دقت بالا بررسی خواهند شد.
مراجع
[1] Guillorn, M. A., M. D. Hale, V. I. Merkulov, M. L. Simpson, G. Y. Eres, H. Cui, A. A. Puretzky, and D. B. Geohagen "Integrally gated carbon nanotube field emission cathodes produced by standard micro-fabrication techniques," J. Vac. Sci. Tech. B. Vol. 21, May 2003, 957-959.
[2] Wang, Q.H., Yan, M, and Chang, R P H, Flat panel display prototype using gated carbon field emitters. Applied-Physics-Letters (USA), 78, 1294, 2001.
[3] J. Koohsorkhi ; H. Hosseinzadegan ; S. Mohajerzadeh; M. D. Robertson; “Novel self-defined field emission transistors with PECVD-grown Carbon Nano-tube on silicon substrates” presented at Device Research Conference 2004.
[4] J. Koohsorkhi ; H. Hosseinzadegan ; S. Mohajerzadeh; E. Asl Soleimani and E. Arzi; “PECVD-grown carbon nano-tube on silicon substrate suitable for realization of field emission devices” Journal of Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, accepted for published, 2004.
منبع:http://www.nano.ir
مقدمه
نانوساختارهای کربنی از رشد قابل ملاحظه‌ای در سال‌های اخير برخوردار بوده‌اند. همگام با ساير کشورها در ايران نيز تحقيقات در زمينه نانوساختارهای کربنی از رشد فزاينده‌ای برخوردار میباشد. در آزمايشگاه تحقيقاتی لايه نازک دانشگاه تهران در زمينه ساخت نانولوله‌های کربنی و کاربرد آنها در ساخت ادوات گسيل الکترونی، پژوهش مستمری در چند سال گذشته انجام شده است که قسمتی از آن به صورت مقاله زير ارائه می‌شود.
آزمايش برروی نانولوله‌های کربنی با استفاده از رشد آنها بر روی بسترهای سيليکونی و با تکنيک بخار شيميايي انجام می‌گيرد. در اين روش که به صورت شماتيک در شکل (1) به نمايش گذارده شده است گازهای حاوی کربن (خصوصا استيلن) مورد استفاده قرار مي‌گيرند که در رآکتوری از جنس کوارتز و در حضور پلاسمای سرد، به صورت راديکال‌های مناسب در آمده و برروی هسته‌بندی مناسبی از عنصر کاتاليستی مانند نيکل و يا کبالت لايه‌نشانی می‌گرند. در صورتی که شرايط محيطی مانند دما و فشار گاز و نيز ميزان کاتاليست و دانه‌بندی اوليه آن مناسب باشند، رشد نانوساختارها به صورت عمودی و با خلوص و پراکندگی مناسب انجام می‌گيرد.
علاوه بر گاز استيلن که عامل لايه‌نشانی کربن میباشد گاز هيدروژن نيز از اهميت بالايی برخوردار میباشد و در تعيين هسته‌بندی اوليه لايه کاتاليزور و نيز اصلاح رشد نانولوله‌ها نقش تعيين‌کننده‌ای را بازی می‌کند.
در شکل‌های (2) و (3) تصاويری با ميکروسکوپ الکترونی مربوط به برخی نمونه‌ها ارائه شده است که نمايش‌دهنده اثر شرايط رشد برروی کيفيت نانوساختارها میباشد.
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-1.jpg
شکل (2) نمايشی از رشد بدون حضور پلاسمای سرد (شکل راست) و رشد متراکم نانولوله‌های کربنی در حضور پلاسمای سرد (سمت چپ). بدون پلاسما يک رشد کاملاً نامنظم حاصل می‌شود.
شکل (2) نشان‌دهنده رشد بدون نظم مشخص میباشد که بدون حضور پلاسما و صرفاً در شرايط گرمايشی حاصل شده است. لازم به ذکر است که دمای رشد نانوساختارهای کربنی با استفاده از پلاسمای سرد بين 550 و 650 درجه سانتيگراد میباشد که معمولا بدون حضور پلاسما منجر به رشد کاملاً نامنظم می‌گردد.
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-2.jpg
شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی از هسته‌های نيکلی به صورت عمودی. در شکل سمت راست رشد متراکمی از نانوساختارهای کربنی به صورت عمودی مشاهده می‌گردد. دانه‌بندی اوليه عنصر کاتاليزور (نيکل) اهميت بالايی در اين رشد همگون دارد.
در شکل (3) رشد نانولوله‌های کربنی به صورت تقريباً عمودی و حجيم ديده می‌شود که در حضور پلاسما و با چگال توانی در حدود mW/cm2 10 حاصل شده است. در بسياری از موارد نياز به چنين رشد متراکمی داريم که از موارد مهم آن نمايشگرهای گسيل الکترونی از نوک‌های تيز نانولوله‌های کربنی میباشد. اين‌گونه ساختارها با توجه به شکل بسيار تيز خود امکان خروج الکترون با اعمال ولتاژهای پايين را مهيا می‌سازند. گسيل الکترونی از نوک لوله‌ها در اثر اعمال ولتاژ به آنها کاربردهای متعدد ديگری از جمله در ساخت اشعه‌های الکترونی متمرکز[ 1و2 ]و فرآيند ليتوگرافي دارد.
نانوساختارهای گسيل الکترون
پس از رشددادن نانولوله‌ها، با استفاده از روش انباشت بخار شيميايي (CVD)، اکسيد تيتانيوم را به صورت بخار شيميايی و در فشار اتمسفری بر روي آنها لايه‌نشاني مي‌کنيم. اين مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهميت بالايی برخوردار میباشد. اين مرحله در همپوشاني نانوساختارها از اهميت بالايي برخوردار مي‌باشد. چرا كه به نانوساختارهاي نيمه‌توخالی و به صورت لوله‌ای امكان تحقق مي‌دهد. سپس با استفاده از روش لايه‌نشاني با تبخير به کمک باريکة الکتروني، لايه‌اي به ضخامت 1 ميکرومتر از فلز کروم روي آن مي‌نشانيم. اين لايه نشانی برای ايجاد گيت‌های کنترل‌کننده برای ترانزيستورها و نيز بعنوان لنزهای الکتروستاتيکی در حالت ليتوگرافی مورد استفاده قرار می‌گيرد.
براي آشکار شدن نوک نانولوله‌ها، از روش زدايش مکانيکي_شيميايی استفاده مي‌کنيم. در مرحلة بعدي با استفاده از تکنيک plasma-ashing نوک نانولوله‌ها را باز مي‌کنيم. استفاده از گاز حاوی اکسيژن در اين مرحله نقش اساسی دارد، چرا که بدون صدمه‌زدن به ساختارهای محافظت‌کننده، فقط نانوساختارهای کربنی را بسوزاند تا به‌تدريج از ارتفاع نانولوله‌ها کاسته شده، به شکل مناسب دست يابيم.
شکل 4 نحوة عملکرد و شمای اين ساختار را نشان مي‌دهد. بدين ترتيب نانولوله‌ها براي گسيل الکتروني آماده مي‌شوند. با اعمال ولتاژ مناسب بين نانوساختارهای کربنی از يک طرف و صفحه مقابل که نقش آند را بازی می‌کند از طرف ديگر، جريان الکترونها آشکار شده و ميزان اين جريان به وسيله ولتاژ بر روی گيت کاهش می‌يابد. قسمت ديگر شکل 4، تصوير ميکروسکوپ الکتروني از ساختار کامل شده نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. با توجه به انجام مرحله پوليش مکانيکی – پلاسمايی، برخی از نانولوله‌ها که از شرايط مناسبی از نظر ارتفاع و قطر برخوردار نيستند عملا در ارسال جريان الکتريکی نقشی ندارند.
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-3.gif
شکل (4) نماي شماتيک يک نانوساختار کربنی و استفاده آن در ساخت ساتع کننده الکترونی. توضيح بيشتر در متن آورده شده است. در تصوير مقابل نمايشی از تصوير ميکروسکوپ الکترونی مربوط به مجموعه‌ای از اين ساتع کننده‌های الکترونی مشاهده می گردد.
صفحه آند که معمولاً از جنس ويفر سيليکوني میباشد در فاصله مناسب از بستر توليدکننده الکترون قرار می‌گيرد. در شکل‌های زير رفتار الکتريکی مجموعه‌ای از نانوساختارهای کربنی به نمايش گذارده شده است که حاکی از عملکرد مناسب اين مجموعه میباشد.
ساختارهای نانومتری که در اين مقطع محقق شده‌اند قابليت انجام ليتوگرافی در ابعاد نانومتری را نيز دارند. در شکل‌های زير برخی از نتايج اين تحقيق آورده شده است که حاکی از موفقيت اين تکنيک در شکل‌دهی با ابعاد بسيار کوچک میباشد. برای اين منظور بستر حاوی نانولوله‌ها را در فاصله 100 ميکرومتري از لايه حساسي که روي بستر سيليکون نشانده شده است، قرار مي‌دهيم. سپس بعد از اعمال ولتاژي حدود 100-80 ولت بين صفحه بالايي و پشت بستر نانولوله‌ها، آنها را نسبت به هم به حرکت در مي‌آوريم. اتصال ديگري بر روي فلز
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-5.gif
شکل (5) نمايش رفتار الکترونيکی نانوساختارهای کربنی با پوشش دولايه از جنس اکسيد تيتانيوم و فلز. شکل چپ نشان‌دهنده جريان آشکار شده در طرف آند با توجه به ولتاژهای آند-کاتد. شکل راست نشان‌دهنده جريان آشکار شده در آند و کنترل آن توسط گيت ترانزيستور میباشد.
http://www.nano.ir/images/newsletter/n75/paper-6.jpg
شکل (6) :تاثير پرتو الکتروني گسيل شده روي ماده‌ي حساس پليمري به همراه حرکت خطي که توسط سيستم مکانيکي ايجاد شده است.
نانولوله‌ها برقرار مي‌کنيم و با اعمال ولتاژ منفي بر آن(نسبت به بستر نانولوله‌ها) پرتوي الکتروني را باريک‌تر مي‌کنيم. الکترونها در اثر انرژی‌اي که پيدا می‌کنند به سمت صفحه آغشته شده به لايه حساس شتاب مي‌گيرند و روی اين ماده تاثيرات شيميايی از خود به جا مي‌گذارند تا در مرحلة حکاکی طرح، الگو روی نمونه حکاکی شود.
بعد از اينکه اشعه الکترونی متمرکزي به قطر 100 نانومتر ساختيم، نمونه را در زمان‌های مناسبی در معرض برخورد اشعه الکترونی قرار داديم. بعد از اين مرحله لايه نازکی از طلا را جهت ظاهرشدن الگو توسط دستگاه تبخير خلا، لايه‌نشانی کرديم. اثر گسيل الکتروني بر روي ماده حساس پليمري را توسط ميکروسکوپ الکتروني آناليز کرديم. شکل6، تصاوير SEM حاصل از گسيل الکترون از نوک نانولوله‌ها را نشان مي‌دهد. قسمت الف اين شکل، اثر گسيل الکتروني يک نانولوله را در مدت 1 دقيقه نشان مي‌دهد. همچنين در قسمت ديگر، اثر گسيل خوشة (cluster) متشکل از چند نانولوله در همان مدت زمان ديده مي‌شود.
نتيجه گيری
در اين مقاله گذری به پيشرفت‌های حاصل‌شده در آزمايشگاه لايه نازک دانشگاه تهران، که منجر به توليد نانولوله‌های کربنی و نانوساختارهای کربنی گرديده است شده است. با استفاده از قابليت‌های زيادی که در اين نانوساختارها موجود میباشد، امکان استفاده از آنها در ليتوگرافی در مقياس نانومتری و در جهت ساخت ترانزيستورهای MOSFET زير 100 نانومتر مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه اين روند تحقيقاتی امکان بهبود اين نانوساختارها در تحقق کريستال‌های فوتونی و نمايشگرهای با دقت بالا بررسی خواهند شد.
مراجع
[1] Guillorn, M. A., M. D. Hale, V. I. Merkulov, M. L. Simpson, G. Y. Eres, H. Cui, A. A. Puretzky, and D. B. Geohagen "Integrally gated carbon nanotube field emission cathodes produced by standard micro-fabrication techniques," J. Vac. Sci. Tech. B. Vol. 21, May 2003, 957-959.
[2] Wang, Q.H., Yan, M, and Chang, R P H, Flat panel display prototype using gated carbon field emitters. Applied-Physics-Letters (USA), 78, 1294, 2001.
[3] J. Koohsorkhi ; H. Hosseinzadegan ; S. Mohajerzadeh; M. D. Robertson; “Novel self-defined field emission transistors with PECVD-grown Carbon Nano-tube on silicon substrates” presented at Device Research Conference 2004.
[4] J. Koohsorkhi ; H. Hosseinzadegan ; S. Mohajerzadeh; E. Asl Soleimani and E. Arzi; “PECVD-grown carbon nano-tube on silicon substrate suitable for realization of field emission devices” Journal of Fullerenes, Nanotubes and Carbon Nanostructures, accepted for published, 2004.
منبع:http://www.nano.ir