При внедрении в различные электронные структуры и гибкие устройства нанопровода могут испытывать механические напряжения и деформироваться. Для определения их упругих характеристик коллектив российских и немецких учёных предложил неожиданно простое решение – по-новому использовать возможности атомно-силового микроскопа. Именно с помощью этого инструмента, который сегодня имеется практически в каждой физической лаборатории, оказалось возможным установить структурные дефекты нанопроводов.

С каждым годом наши компьютеры становятся всё мощнее, электронные приборы вбирают в себя всё больше функциональных возможностей и происходит активная миниатюризация устройств. Для того чтобы обеспечивать этот прогресс, исследователи постоянно находятся в поиске новых перспективных материалов и структур, к которым, несомненно, относятся и нанопровода.

Нанопровод по сути представляет собой очень тонкую проволоку, ширина которой лежит в нанометровом диапазоне, а длина на порядки больше ширины.

Огромный интерес представляет собой изучение нанопроводов, состоящих из полупроводников, например из GaAs, который входит в тройку наиболее используемых материалов в микроэлектронике. По сравнению с широко распространённой кремниевой электроникой, микросхемы, изготовленные из GaAs, обладают более высоким быстродействием и низким уровнем вредных шумов. Кроме этого, в научных журналах уже появлялись сообщения о создании подобных полупроводниковых структур на гибкой подложке. Возможно, уже не за горами создание гибкой электроники на их основе.

Но прежде чем нанопровода GaAs будут широко использоваться в устройствах, учёным придётся решить ряд вопросов. В частности, понадобится провести детальное изучение упругих и прочностных свойств нанопроводов, поскольку при размещении на подложке и внедрении в различные гибкие структуры они могут испытывать значительные механические напряжения.

Для исследования упругих свойств нанопроводов учёные Физико-технического института им. Иоффе РАН, Санкт-Петербургского национального исследовательского университета информационных технологий, механики и оптики, а также Института Петера Грюнберга в Германии определяли модуль Юнга. Эта величина характеризует способность тела сопротивляться упругой деформации при воздействии внешних сил. Чем она больше, тем прочнее материал.

Для эксперимента учёные вырастили нанопровода на подложке GaAs с использованием каталитических капель Ga. В процессе синтеза эти капли адсорбировали Ga и As из паров, в результате чего происходил рост проводов в месте соприкосновения капель катализатора и подложки. Диаметр полученных нанопроводов лежал в диапазоне 115–180 нм, а длина – 1,5–2 мкм.

Измерение модуля Юнга проводилось с помощью атомно-силового микроскопа. В лабораториях он чаще всего используется для отображения рельефа достаточно плоских объектов.

Принцип его работы заключается в регистрации взаимодействия кантилевера с исследуемой поверхностью. Это взаимодействие регистрируется с помощью лазера, лучи которого, отражаясь от балки кантилевера, попадают на фотодиод и обрабатываются компьютером.

Однако учёные показали, что этот же микроскоп можно эффективно использовать для измерения упругих свойств нанопроводов. Для этого они подводили кантилевер вплотную к нанопроводу, наклонно лежащему на подложке, и, опуская и поднимая его, детектировали с помощью лазера изгиб балки кантилевера (рис. 1).

Обработав полученные данные, исследователи посчитали модуль Юнга нанопроводов – его среднее значение составило 42±5 ГПа. Это значение гораздо меньше величины модуля Юнга обычного, не нанометрового GaAs. Подобные явления не редкость: определённые свойства материала могут существенно изменяться при переходе размеров в нанометровый диапазон – именно такие эффекты интересны для изучения. Как поясняют сами учёные, низкая величина модуля Юнга может быть связана с наличием у нанопроводов различных структурных дефектов. Однако это предположение требует дальнейших исследований.

Рис. 1. Схема эксперимента по определению модуля Юнга нанопроводов GaAs.

Одна из главных находок этой работы состоит в том, что обнаружение нанопроводов на подложке и измерение их упругих свойств можно проводить на одном устройстве – атомно-силовом микроскопе. Это обстоятельство делает метод оперативным и достаточно простым для исследования подобных нанообъектов.

Работа поддержана грантом РФФИ (№ 10–02–00784-а), грантом Президента для научных школ, а также Программой фундаментальных исследований Президиума РАН «Основы фундаментальных исследований нанотехнологий и наноматериалов».

Источник информации:

П. А. Алексеев, М. С. Дунаевский, А. В. Стовпяга, M. Lepsa, А. Н. Титков Определение модуля Юнга нанопроводов GaAs, наклонно растущих на подложке. – Физика и техника полупроводников. – 2012. – том 46. – вып. 5.