کاربرد نانوساختارهای کربنی در ساخت ادوات گسیل الکترونی

مقدمه
نانوساختارهای کربنی از رشد قابل ملاحظه‌ای در سال‌های اخیر برخوردار بوده‌اند. همگام با سایر کشورها در ایران نیز تحقیقات در زمینه نانوساختارهای کربنی از رشد فزاینده‌ای برخوردار می‌باشد. در آزمایشگاه تحقیقاتی لایه نازک دانشگاه تهران در زمینه ساخت نانولوله‌های کربنی و کاربرد آنها در ساخت ادوات گسیل الکترونی، پژوهش مستمری در چند سال گذشته انجام شده است که قسمتی از آن به صورت مقاله زیر ارائه می‌شود. آزمایش‌ برروی نانولوله‌های کربنی با استفاده از رشد آنها بر روی بسترهای سیلیکونی و با تکنیک بخار شیمیایی انجام می‌گیرد. در این روش که به صورت شماتیک در شکل (۱) به نمایش گذارده شده است گازهای حاوی کربن (خصوصا استیلن) مورد استفاده قرار می‌گیرند که در رآکتوری از جنس کوارتز و در حضور پلاسمای سرد، به صورت رادیکال‌های مناسب در آمده و برروی هسته‌بندی مناسبی از عنصر کاتالیستی مانند نیکل و یا کبالت لایه‌نشانی می‌گرند. در صورتی که شرایط محیطی مانند دما و فشار گاز و نیز میزان کاتالیست و دانه‌بندی اولیه آن مناسب باشند، رشد نانوساختارها به صورت عمودی و با خلوص و پراکندگی مناسب انجام می‌گیرد. علاوه بر گاز استیلن که عامل لایه‌نشانی کربن می‌باشد گاز هیدروژن نیز از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد و در تعیین هسته‌بندی اولیه لایه کاتالیزور و نیز اصلاح رشد نانولوله‌ها نقش تعیین‌کننده‌ای را بازی می‌کند.
شکل (۲) نشان‌دهنده رشد بدون نظم مشخص می‌باشد که بدون حضور پلاسما و صرفاً در شرایط گرمایشی حاصل شده است. لازم به ذکر است که دمای رشد نانوساختارهای کربنی با استفاده از پلاسمای سرد بین ۵۵۰ و ۶۵۰ درجه سانتیگراد می‌باشد که معمولا بدون حضور پلاسما منجر به رشد کاملاً نامنظم می‌گردد.
در شکل (۳) رشد نانولوله‌های کربنی به صورت تقریباً عمودی و حجیم دیده می‌شود که در حضور پلاسما و با چگال توانی در حدود mW/cm۲ ۱۰ حاصل شده است. در بسیاری از موارد نیاز به چنین رشد متراکمی داریم که از موارد مهم آن نمایشگرهای گسیل الکترونی از نوک‌های تیز نانولوله‌های کربنی می‌باشد. این‌گونه ساختارها با توجه به شکل بسیار تیز خود امکان خروج الکترون با اعمال ولتاژهای پایین را مهیا می‌سازند. گسیل الکترونی از نوک لوله‌ها در اثر اعمال ولتاژ به آنها کاربردهای متعدد دیگری از جمله در ساخت اشعه‌های الکترونی متمرکز[ ۱و۲ ]و فرآیند لیتوگرافی دارد.
نانوساختارهای گسیل الکترون
پس از رشددادن نانولوله‌ها، با استفاده از روش انباشت بخار شیمیایی (CVD)، اکسید تیتانیوم را به صورت بخار شیمیایی و در فشار اتمسفری بر روی آنها لایه‌نشانی می‌کنیم. این مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد. این مرحله در همپوشانی نانوساختارها از اهمیت بالایی برخوردار می‌باشد. چرا كه به نانوساختارهای نیمه‌توخالی و به صورت لوله‌ای امكان تحقق می‌دهد. سپس با استفاده از روش لایه‌نشانی با تبخیر به کمک باریکة الکترونی، لایه‌ای به ضخامت ۱ میکرومتر از فلز کروم روی آن می‌نشانیم. این لایه نشانی برای ایجاد گیت‌های کنترل‌کننده برای ترانزیستورها و نیز بعنوان لنزهای الکتروستاتیکی در حالت لیتوگرافی مورد استفاده قرار می‌گیرد.
برای آشکار شدن نوک نانولوله‌ها، از روش زدایش مکانیکی_شیمیایی استفاده می‌کنیم. در مرحلة بعدی با استفاده از تکنیک plasma-ashing نوک نانولوله‌ها را باز می‌کنیم. استفاده از گاز حاوی اکسیژن در این مرحله نقش اساسی دارد، چرا که بدون صدمه‌زدن به ساختارهای محافظت‌کننده، فقط نانوساختارهای کربنی را بسوزاند تا به‌تدریج از ارتفاع نانولوله‌ها کاسته شده، به شکل مناسب دست یابیم.شکل ۴ نحوة عملکرد و شمای این ساختار را نشان می‌دهد. بدین ترتیب نانولوله‌ها برای گسیل الکترونی آماده می‌شوند. با اعمال ولتاژ مناسب بین نانوساختارهای کربنی از یک طرف و صفحه مقابل که نقش‌ آند را بازی می‌کند از طرف دیگر، جریان الکترون‌ها آشکار شده و میزان این جریان به وسیله ولتاژ بر روی گیت کاهش می‌یابد. قسمت دیگر شکل ۴، تصویر میکروسکوپ الکترونی از ساختار کامل شده نانولوله‌ها را نشان می‌دهد. با توجه به انجام مرحله پولیش مکانیکی – پلاسمایی، برخی از نانولوله‌ها که از شرایط مناسبی از نظر ارتفاع و قطر برخوردار نیستند عملا در ارسال جریان الکتریکی نقشی ندارند. صفحه آند که معمولاً از جنس ویفر سیلیکونی می‌باشد در فاصله مناسب از بستر تولیدکننده الکترون قرار می‌گیرد. در شکل‌های زیر رفتار الکتریکی مجموعه‌ای از نانوساختارهای کربنی به نمایش گذارده شده است که حاکی از عملکرد مناسب این مجموعه می‌باشد.
ساختارهای نانومتری که در این مقطع محقق شده‌اند قابلیت انجام لیتوگرافی در ابعاد نانومتری را نیز دارند. در شکل‌های زیر برخی از نتایج این تحقیق آورده شده است که حاکی از موفقیت این تکنیک در شکل‌دهی با ابعاد بسیار کوچک می‌باشد. برای این منظور بستر حاوی نانولوله‌ها را در فاصله‌ ۱۰۰ میکرومتری از لایه حساسی که روی بستر سیلیکون نشانده شده است، قرار می‌دهیم. سپس بعد از اعمال ولتاژی حدود ۱۰۰-۸۰ ولت بین صفحه بالایی و پشت بستر نانولوله‌ها، آنها را نسبت به هم به حرکت در می‌آوریم. اتصال دیگری بر روی فلز
نانولوله‌ها برقرار می‌کنیم و با اعمال ولتاژ منفی بر آن(نسبت به بستر نانولوله‌ها) پرتوی الکترونی را باریک‌تر می‌کنیم. الکترونها در اثر انرژی‌ای که پیدا می‌کنند به سمت صفحه آغشته شده به لایه‌ حساس شتاب می‌گیرند و روی این ماده تاثیرات شیمیایی از خود به جا می‌گذارند تا در مرحلة حکاکی طرح، الگو روی نمونه حکاکی شود.
بعد از اینکه اشعه الکترونی متمرکزی به قطر ۱۰۰ نانومتر ساختیم، نمونه را در زمان‌های مناسبی در معرض برخورد اشعه الکترونی قرار دادیم. بعد از این مرحله لایه نازکی از طلا را جهت ظاهرشدن الگو توسط دستگاه تبخیر خلا، لایه‌نشانی کردیم. اثر گسیل الکترونی بر روی ماده حساس پلیمری را توسط میکروسکوپ الکترونی آنالیز کردیم. شکل۶، تصاویر SEM حاصل از گسیل الکترون از نوک نانولوله‌ها را نشان می‌دهد. قسمت الف این شکل، اثر گسیل الکترونی یک نانولوله را در مدت ۱ دقیقه نشان می‌دهد. همچنین در قسمت دیگر، اثر گسیل خوشة (cluster) متشکل از چند نانولوله در همان مدت زمان دیده می‌شود.
نتیجه گیری
در این مقاله گذری به پیشرفت‌های حاصل‌شده در آزمایشگاه لایه نازک دانشگاه تهران، که منجر به تولید نانولوله‌های کربنی و نانوساختارهای کربنی گردیده است شده است. با استفاده از قابلیت‌های زیادی که در این نانوساختارها موجود می‌باشد، امکان استفاده از آنها در لیتوگرافی در مقیاس نانومتری و در جهت ساخت ترانزیستورهای MOSFET زیر ۱۰۰ نانومتر مورد بررسی قرار گرفته است. در ادامه این روند تحقیقاتی امکان بهبود این نانوساختارها در تحقق کریستال‌های فوتونی و نمایشگرهای با دقت بالا بررسی خواهند شد.

مراجع
[۱] 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. ۲۱, May ۲۰۰۳, ۹۵۷-۹۵۹.
[۲] Wang, Q.H., Yan, M, and Chang, R P H, Flat panel display prototype using gated carbon field emitters. Applied-Physics-Letters (USA), ۷۸, ۱۲۹۴, ۲۰۰۱.
[۳] 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 ۲۰۰۴.
[۴] 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, ۲۰۰۴.

نویسنده : شمس‌الدین مهاجرزاده

منبع : ستاد ویژه توسعه فناوری نانو