کاربرد نانوساختارهای کربنی در ساخت ادوات گسیل الکترونی

در این مقاله گذری به پیشرفت های حاصل شده در آزمایشگاه لایه نازک دانشگاه تهران, که منجر به تولید نانولوله های کربنی و نانوساختارهای کربنی گردیده است شده است با استفاده از قابلیت های زیادی که در این نانوساختارها موجود می باشد, 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 کریستال های فوتونی و نمایشگرهای با دقت بالا بررسی خواهند شد

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.

---