Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое Наноструктуры и нанотехнологии в электронике, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое Наноструктуры и нанотехнологии в электронике , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры.
На основе анализа мировой литературы представлены основные методы получения метаматериалов для оптического диапазона, в частности, 3D фотонных метаматериалов. Рассматриваются перспективы отдельных технологий и решение вопросов создания крупномасштабного производства и снижения его стоимости.
В последнее время большой внимание уделяется исследованиям и разработкам так называемых метаматериалов, на основе которых предполагается создание принципиально новых приборов для радиоэлектроники и фотоники: устройств с отрицательным преломлением для управления излучением в терагерцовом и видимом диапазонах волн, умножителей частоты и усилителей, суперлинзы для получения четкого изображения очень малых элементов без дифракционных искажений, небольших, но высоконаправленных антенн, покрытий для электромагнитной маскировки и многого другого .
Термин “метаматериал” обозначает превращение обычного однородного материала в более сложный “сверхматериал” путем его сборки из огромного количества миниатюрных модулей, которые называют “метаатомами”. Последние не являются атомными частицами в обычном смысле, но состоят из них и изготавливаются из металлов и диэлектриков. Количество метаатомов даже в небольшом кусочке метаматериала
достигает 106-109
.
Метаатомы представляют собой крошечные элементы из отрезков проволочек, полосок, пластинок, колец, спиралек, шариков; они могут быть в виде плоской решетки с отверстиями и т.д. С повышением рабочей частоты – от гигагерц до терагерц и сотен терагерц – т.е. до частот оптического диапазона, приходиться уменьшать размеры метаатомов и переходить от объемных микроэлементов к нанопленкам и нанопокрытиям. При этом конфигурация метаатомов обеспечивает
выполнение ими функций простейших электро(радио)компонентов – конденсаторов, индуктивностей, колебательных контуров или резонаторов. Метаматериалы можно также рассматривать как композиты, гетерогенная среда которых содержит включения, но в отличие от других типов композитных материалов данные включения представляют собой электро(радио)компоненты.
Благодаря такого рода включениям метаматериалы обладают уникальными электро(радио)физическими и оптическими свойствами, обусловленными резонансным взаимодействием с электромагнитным полем. В частности, метаматериалы могут обладать отрицательной диэлектрической и магнитной проницаемостью, а фазовая и групповая скорости электромагнитной волны могут иметь противоположные направления, приводя к отрицательной рефракции. Многократное локальное усиление поля в области резонирующего метаатома позволяет реализовать различные нелинейные эффекты . Таким образом, понятие “метаматериал” также означает обладание свойствами, недоступными для обычных материалов, из которых изготовлены метаатомы, или, по крайней мере, свойства метаматериала превосходят свойства материала метаатомов, например, по многофункциональности. В данном обзоре рассматриваются технологии получения метаматериалов, способных работать в оптическом диапазоне волн, в том числе некоторые перспективные методы реализации 3D фотонных метаматериалов.
У истинных метаматериалов размеры метаатомов должны быть намного меньше длины
электромагнитной волны, чтобы волна “не видела” отдельных метаатомов по аналогии с тем,
как световая волна “не видит” отдельных атомов обычного материала. В этом случае метаматериал можно рассматривать как сплошную
гомогенную среду, а не как интегральную схему,
где волна взаимодействует с каждым ее элементом независимо, последовательно. Приведем некоторые оценки соотношения длин волн
и размеров структурных элементов разных материалов.
В обычном кристалле атомы расположены
периодическим образом с периодом (постоянной) кристаллической решетки около половины
нанометра. Этот величина меньше на несколько
порядков длины волны видимого света и тем
более волн тера- и гигагерцового диапазонов.
Например, длина волны зеленого света приблизительно составляет 500 нм, а длина волны для
оптической связи на частоте 200 ТГц составляет 1,5 мкм, поэтому для данного направления
распространения световая волна “видит” практически гомогенную среду, т.е. оно “не видит”
основную периодичность, а только базовые
симметрии кристалла. Отсюда для видимого
света и ближнего ИК диапазона размеры метаатомов не должны превышать 50-100 нм, и
здесь нужна нанотехнология! Для сантиметровых волн размеры метаатомов могут быть
больше – до нескольких миллиметров, и здесь
используется технология печатных плат.
В результате, метаматериал можно характеризовать различными параметрами, применяемыми к сплошной среде, например, коэффициентами отражения, пропускания, поглощения излучения, диэлектрической и магнитной
проницаемостями, показателем преломления.
Первые фотонные метаматериалы были
созданы на основе сверхминиатюрных LC колебательных контуров, заимствованных из техники
СВЧ метаматериалов, в частности, резонаторов
типа разрезанного кольца, выполняемых из
фольги печатных плат . Об этом говорит сайт https://intellect.icu . Для частот порядка
сотни терагерц эти резонаторы имеют конфигурацию, показанную на рис. 1а. Здесь функцию
индуктивности (ее размер 380 нм×430 нм) выполняет незамкнутый плоский виток из металлической пленки шириной 80 нм; функцию конденсатора – зазор в месте разрыва витка. В качестве материала витка обычно применяют золото.
Для повышения рабочей частоты нужно
уменьшить величины индуктивности и емкости.
Для этого “виток” выполняют из двух золотых
нанополосок (отрезков наностержней или нанопроволочек, см. рис. 1б), которые играют роль
индуктивности. Торцевые части нанополосок
образуют два конденсатора, включенные последовательно. На рис. 1б стрелками показано,
как течет ток в нано-LC-контуре (нанорезонаторе). Справа на этом же рисунке схематично
изображен метаматериал в виде решетки из
спаренных металлических нанополосок. Ясно,
что для механического закрепления полосок
между ними следует размещать диэлектрический материал. На рис. 1в представлен вид
сверху на изготовленные образцы отдельного
нанорезонатора (слева) и решетки из них (справа); резонансная частота – около 200 ТГц и выше (λ ≤ 2 мкм) . Нанорезонатор изготовлен в
виде пленочной структуры Au(50нм) –
SiO2(50нм) – Au(50нм).
На рис. 1б показана ориентация векторов
(поляризация) электромагнитного поля падающего света; здесь k – волновой вектор. Понятно, что для эффективного взаимодействия света с решеткой метаматериала, необходимо, чтобы вектор магнитного поля H был направлен по нормали к плоскости витка.
Рис. 1. Структура однослойных фотонных метаматериалов
В этом случае будут
максимальными ток, индуцированный в витке, и
собственное магнитное поле витка, направленное против магнитного поля световой волны.
При такой поляризации свет должен падать по
нормали к плоскости решетки, это облегчает ее
изготовление для работы с широким световым
пучком.
В случае резонаторов типа разрезанного
кольца, размещенных на плоскости (рис. 1а),
ситуация иная: вектор H желательно направлять по нормали к плоскости решетки, а свет
пропускать вдоль нее. При работе с широким
световым пучком надо переходить к многослойным решеткам (3D метаматериалам), общая
толщина которых должна соответствовать ширине светового пучка – это приводит к серьезным технологическим проблемам.
Для уменьшения зависимости от азимутального направления поляризации света (направления вектора H) полоски нанорезонаторов заменяют на круглые нанодиски, шестигранные
или, по крайней мере, квадратные нанопластинки как, например, на рис. 2а , где нанорезонаторы имеют вид многослойных таблеток:
Au(20нм) – MgF2(60нм) – Au(20нм). Также метаматериал можно выполнять в виде многослойной структуры с отверстиями, как на рис. 2б
{Au(30нм) – Al2O3(75нм) – Au(30нм)}, которая
обеспечила отрицательную активную часть показателя преломления Re(n) ≈ –4 на длине волны 1,8 мкм .
Существенное снижение потерь, т.е. высокое качество метаматериала, было достигнуто в
листовой структуре типа “рыбацкая сеть” c прямоугольными отверстиями и серебряными проводниками (рис. 2в,г), где ax = ay = 600 нм,
wx = 316 нм, wy = 100 нм, t = 45 нм, s = 30 нм .
Для поляризации, показанной на рис. 2в, спаренные полоски ax служили индуктивным элементом, а полоски ay – емкостным. Для этой
структуры был получен отрицательный показатель преломления Re(n) ≈ –2 на длине волны
около 1,45 мкм.
Для получения 3D метаматериала его наращивают по третьей координате, как схематично показано на рис. 1б (вид справа). На
практике это можно осуществить, складируя
(штабелируя) листы или слои 2D материала с
использованием техники планаризации и совмещения рисунков, а также других подходов,
освоенных в современной микроэлектронной
технологии. На рис. 3 показан четырехслойный
метаматериал на основе резонаторов типа разрезанного кольца, каждый слой которого получен нанесением металла методом испарения в
вакууме, затем осаждением резиста, электронно-лучевым облучением (экспозицией) и проявлением резиста для формирования маски; после этого выполняется ионно-лучевое травление металла и планаризация полученной решетки (допустимая шероховатость планаризуемой поверхности не должна превышать 5 нм).
Затем наносится и обрабатывается следующий
слой с выполнением процедуры совмещения.
Рис. 2. Структура однослойных метаматериалов [3, 4]
Из-за проблем, связанных с накоплением
ошибок при многократном совмещении рисунков отдельных слоев, количество последних ограничено (пока не более 20).
На рис. 4 представлен фрагмент материала
с многослойными таблеточными метаатомами.
3D метаатом имеет вид многослойной пирамидки (призмы) или конуса (цилиндра) и представляет собой дальнейшее развитие трехслойной
таблетки, показанной на рис. 2а.
Рис. 3. Четырехслойный метаматериал на основе
резонаторов типа разрезанного кольца
Производство подобного метаматериала
возможно различными способами. На рис. 5
представлены две технологические схемы с использованием многослойного осаждения металл/диэлектрик и взрывной литографии (а) или глубокого анизотропного травления (б) для
формирования геометрии метаатомов.
Рис. 4. Многослойный таблеточный метаатом
Имеются сообщения в мировой литературе
об использовании других методов получения
3D метаматериалов: двухфотонной фотополимеризации за счет нелинейных фотонных процессов, химических реакций для прямого формирования рисунка с локальным воздействием
сфокусированным электронным, ионным или
лазерным лучом, интерференционной литографии и механической “наноштамповки” полимерных пленок, включая резистные, и металлических пленок (метод наноштамповки получил название “наноимпринтная литография”). Сделаны попытки организовать процессы самосборки
метаматериалов, как это уже реализовано в отношении фотонных кристаллов.
Двухфотонная фотополимеризация происходит в точке фокуса лазерного луча, где возможно одновременное поглощение двух фотонов. Сканируя пространство точкой фокуса
можно формировать в нем полимерную структуру сложной формы. Затем на полученную объемную структуру можно осадить химическим
или электрохимическим методом тонкую серебряную пленку.
Рис. 5. Схемы получения 3D материалов с метаатомами таблеточного типа : а – взрывная литография, б – анизотропное травление с большим аспектным отношением
Возможно применение низкотемпературного метода химического осаждения из
пара органических соединений металлов (метод
CVD). При этом можно получать полимерные
структуры со сплошной металлической пленкой
или структуры в виде изолированных полимерных объектов. Для последних применяется метод селективного осаждения металла за счет
подбора полимера и вида его обработки. На
рис. 6 представлен 3D метаматериал, состоящий из более, чем 700 микроструктур, полученных таким методом.
Рис. 6. 3D метаматериал, полученный методом двухфотонной полимеризации в сочетании с электролизом металла
На рис. 7 приведен фрагмент 3D метаматериала, полученного методом прямого лазерного
осаждения . Видно, что данный метаматериал состоит из вертикальных цепочек резонаторов типа разрезанное кольцо; резонаторы цепочек расположены в двух плоскостях, поэтому
данный метаматериал имеет отрицательный
показатель преломления для двух направлений
пропускания света.
Рис. 7. Фрагмент 3D метаматериала, полученного методом прямого лазерного осаждения
Из представленной выше информации следует, что технология фотонных метаматериалов должна базироваться на методах обработки
с разрешением нанометрового масштаба. Здесь
важную роль играют электронно-лучевая литография и распыление сфокусированным ионным лучом, но поскольку при этих методах элементы поверхности обрабатываются последовательно, они характеризуются низкой производительностью и высокой стоимостью и годятся
только для производства лабораторных образцов, а также шаблонов, масок и наноштампов.
Глубокое анизотропное травление с использованием маски и широкого направленного ионно-плазменного потока (рис. 5б) в какой-то мере
решает эту задачу, но остаются проблемы быстрого метода формирования рисунка масок и
их стойкости к распылению.
Методы прямого получения структур с использованием электронных, ионных и лазерных
лучей для инициирования локальных реакций
характеризуются последовательной обработкой
элементов, поэтому они также не обеспечивают
нужную производительность.
Относительно большую производительность
формирования рисунка обеспечивают интерференционная и наноимпринтная литографии, при
которых параллельно обрабатываются все элементы поверхности. Эти методы литографии
хорошо сочетаются с технологиями обработки
многослойных материалов, показанных на
рис. 5.
Перспективным является сочетание двухфотонной полимеризации с интерференционной литографией, при котором одновременно во
многих точках пространства (где световое поле
интерференционной картины имеет высокую
напряженность) создаются элементы 3D структуры. Но этот метод, как и остальные, требует
значительной доработки.
Большое значение имеют материал и качество проводящих слоев, так как ключевой момент в получении работоспособных фотонных
метаматериалов – обеспечение низких потерь;
в частности, требуется минимизировать сопротивление металлических пленок толщиной в
десятки нанометров. Для этого надо обеспечить
их сплошность, снизить шероховатость и повысить стойкость к воздействию окружающей среды. Сейчас проводящие пленки изготавливают
главным образом из серебра и золота; первое
имеет меньшее сопротивление, но оно чувствительно к воздействию внешней среды. Важно
обеспечивать низкую шероховатость и диэлектрических слоев (подложек), на которые осаж-
Наноструктуры и нанотехнологии в электронике 55
дается металл. В качестве неорганических диэлектрических материалов применяют SiO2,
MgF2, или Al2O3.
Из методов осаждения на плоские подложки
превалируют методы вакуумного электроннолучевого испарения. Авторами данного сообщения сейчас изучается вопрос о применении
метода импульсного магнетронного распыления
для осаждения как проводящих, так и диэлектрических слоев требуемого качества в едином
технологическом цикле. Этот метод обеспечивает повышенную энергетическую активацию
процесса конденсации и позволяет осаждать
материал с повышенной плотностью и низкой
шероховатостью . Методы химического осаждения металлов из растворов их химических
соединений и CVD также имеют определенный
потенциал, особенно в случае подложек сложной формы.
В заключение отметим, что прошло не очень
много времени с момента начала интенсивных
исследований фотонных метаматериалов, но
уже достигнуты существенные полезные результаты, а успех в области технологии дает
надежду на их практическое применение, но
впереди еще очень много работы.
Данная статья про Наноструктуры и нанотехнологии в электронике подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое Наноструктуры и нанотехнологии в электронике и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Конструирование и проектирование электронной аппаратуры
Комментарии
Оставить комментарий
Конструирование и проектирование электронной аппаратуры
Термины: Конструирование и проектирование электронной аппаратуры