Файл: Физические основы молекулярной электроники (Плотников), 2000, c.164.pdf

Глава /1/ Электроника молекулярных систем на поверхности полупроводников

Весьма чувствительной к ионной имплантации оказалась и величина коэффициента неоднородного уширения а, прямо ха­ рактеризующая гетерогенность поверхности (см. 3.4.2). Исходная

термически окисленная поверхность кремния характеризуется

достаточно низким значением (Х, = 0,05. Однако при имплантации

ионами аргона наблюдается резкая зависимость величины а от дозы имплантации (рис.3.18). При этом на контрольной (не имп­ лантированной) стороне той же пластины величина коэффициен­ та неоднородности остается неизменной с точностью до ± 0,01 при сканировании по всей ее поверхности. Наличие резкой дозо­ вой зависимости а позволяет оценивать степень однородности

121

Физические основы молекулярной электроники

имплантируюшего пучка, что представляет собой важную прак­

тическую задачу.

Одной из важных для микроэлектроники является пробле­

ма низкотемпературного синтеза сверхтонких качественных диэ­

лектрических покрытий на поверхности полупроводников. Весь­

ма псрспективно для этого использовать метод молекулярного на-

t

слаивапия, в котором оксидные слои синтезируются путем после-

ловательной химической сборки из монослоев соответствующих структурных единиц (см. 2.6). Покажем возможность использова­ ния метода ЛМЗ дЛЯ контроля за качеством слоев и оценки степе­ ни химической гетерогенности поверхности на примере поверх­

ности германия с молекулярно наслоенными сверхтонкими слоя­

ми оксида хрома.

Как видно из рис.3.19, по мере роста числа п монослоев

Сг.О, иа реальной поверхности германия значение а для адсор-

- -'

бированного эритрозина резко падает (кр.г). При малых значениях 11 ~ 2 величина а достигает весьма заметных значений 1-2,

:::2

f-

о

~""'

РИС.3.19. Изменение коэффициента неоднородного ушире­ ния а в структуре Ge--GеО.,- Сг.Ог-эритроэин в зависимости от числа монослоев 11 окисла Cr.,O~ до (1) и после (2) заря­ жения ЛД в слое Cr!O,. QI1 = 1,2·]u" эл. зар. см? [014]

122

Глава ///

ЭлектроникамолеКУ~1ЯР"ЫХсистем на поверхностиполупроводников

что примерно на порядок превышаетхарактерныезначения вели­

чины а для растворов эритрозина. При п == 7, а практически не изменяется, что свидетельствует об образовании на поверхности достаточно однородного сплошного покрытия слоями Сr2Оз, свой­ ства которых становятся близкими к свойствам и структуре объем­ ной фазы Сr2Оз. Фотозаряжение ловушек диэлектрика, которыми являются наиболее дефектные места границы раздела Се-Сг.О, приводит к значительному уменьшению величины а (рис.3.19), что может быть связано со сглаживанием флуктуаций электростати­

ческого потенциала на поверхности.

Таким образом, метод ЛМЗ дает ценную информацию о зарядовой и химической неоднородности поверхности и о ее из­ менениях при различных активных воздействиях. Сопоставление

результатов измерения пространственного распределения заряда

и пространственного распределения коэффициента неоднородно­

сти позволит расширить наши знания о статистике заряженных

дефектов.

Помимо рассмотренных выше приложений метода ЛМЗ

по исследованию поверхности полупроводников с его помощью

удается изучать и ряд достаточно тонких специфических эф­ фектов, например таких, как поверхностные фазовые перехо­ ды. В частности, этим методом изучались фазовые переходы типа

полупроводник-металл в поликристаллических тонких пленках

УО2' а также фазовые переходы диэлектрик-сверхпроводник на поверхности высокотемпературной сверхпроводящей керамики (ВТСП) состава Ва.Сц.О, -9 по изменению интенсивности флуо­ ресценции молекул зондов. Поскольку фазовый переход всегда начинается с поверхности, метод ЛМЗ позволяет детектировать его начало. Комбинируя метод ЛМЗ со сканированием возбужда­

ющего люминесцентного пучка, можно, в принципе, получать

информацию и о кинетике распространения границы фаз по по­ верхности при фазовом переходе.

Резюмируя материал, изложенный в этой главе, необходи­ мо отметить следующее. В ведущих центрах молекулярной элек­ троники поиск новых физических принципов запоминания и пе-

123

Физические основы молекулярной электроники

реработки информации в основном направлен на создание трех­

мерных интегральных схем на основе органических макромоле­

кулярных систем. Мы рассмотрели и другой, более реальный в настояшее время путь - использование уже развитой планарной

технологии изготовления полупроводниковых схем и создание сло­

истых структур полупроводник-диэлектрик из неорганических по­

лупроводников и адсорбированных на их поверхности органичес­

ких молекул или полимолекулярных слоев.

В том и другом случае элементы молекулярной электро­ ники имеют развитые межфазные границы. Поэтому физические основы молекулярной электроники включают исследование ме­ ханизмов передачи зарядов и элементарных возбуждений в слож­

ных гетерогенных системах из органических и неорганических

материалов. Для решения этой задачи необходимо рассмотрение взаимодействия фотовозбужденных адсорбированных молекул с различными группами поверхностных электронных состояний по­ лупроводников, установление закономерностей изменения пара­ метров поверхностных электронных состояний и оптических свойств адсорбированных молекул, а также ракрытие механизмов диссипации энергии возбужденных молекул в этих фазах. На дан­

ном этапе в рассмотренных структурах типа полупроводник-диэ­

лектрик-адсорбированпые молекулы (или упорядоченные поли­ молекулярные пленки) пока не достигнуто резкое увеличение сте­ пени интеграции активных элементов. Однако, используя специ­

альные молекулы, в частности, молекулы органических красите­

лей, удается существенно расширить функциональные возможно­ сти твердотельных структур. В качестве примеров здесь были рас­ смотрены быстродействующий оптический элемент памяти и се­ лективный газовый сенсор.

е другой стороны, адсорбированные люминесцирующие молекулы могут дать определенную информацию о степени заря­ довой и стехиометрической однородности поверхности. При этом

полученные оптические спектральные характеристики, рассмот­

ренные выше, безусловно являются интегральными, поскольку далее с помощью флуорссцентпого микроскопа сканирование по

124

Г1ава 111 Электроника молекулярных систем на поверхности полупроводников

поверхности осуществляется с шагом в несколько микрон. Одна­ ко, поскольку спектры флуоресценции определяются тем локаль­

ным полем, в котором находятся излучающие молекулы, а также

акцепторами энергии, находящимися на расстоянии до 5 11М от та­

ких молекул, неоднородное уширение спектров заметно проявля­

ется только при наличии заметных зарядовых неоднородностей в нанометрическом масштабе. В этом смысле рассмотренный здесь

метод молекулярных зондов является весьма перспекгивным при

тестировании устройств нано- и молекулярной электроники. Кон­ кретные принципы работы устройств для запоминания, хранения и переработки информации на молекулярном уровне мы рассмот­ рим в следующей главе.

125

Физические основы молекулярной электроники

ГЛАВА IV

ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ДЕЙСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ УСТРОЙСТВ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

4.1. Возможности применения упорядоченных органических пленок при создании устройств молекулярной электроники

Достаточно большая часть устройств использующих в сво­ ей работе молекулярные системы, построена на использовании ПЛБ. В основе использования ленгмюровских пленок лежит прин­ цип молекулярной архитектуры, позволяющий контролируемым образом создавать на твердотельной подложке слои молекул с оп­ ределенными свойствами и строго заданной толщиной. При этом слои с различными свойствами могут чередоваться, имея четкие

границы, в отличие от случая напыления пеорганических пленок,

когда граница между слоями бывает размытой.

Возможности применения ПЛБ обширны и разнообразны. Практически каждый из наблюдаемых в ПЛБ эффектов может быть использован в современной микроэлектронике, либо в молекуляр­ ной электронике в будущем. В настоящее время пленки ЛБ ис­

пользуются в основном как пассивирующие диэлектрические по­

крытия; однако такие пленки могут служить и активными элемен­

тами электронных устройств, когда упорядоченные слои состав­ лены из специфических молекул, выполняющих определенные фун­

кции.

Благодаря хорошим диэлектрическим свойствам, весьма

привлекательным представляется использование изолирующих

пленок из молекул органических соединений, полученных мето­ дОМ ЛБ, сопротивление которых достигает 1016 Ом/см, в качестве

126