Формирование полупроводниковых и металлических нановолокон и спиралей

Нановолокна из твердых тел представляют интерес, прежде всего, рядом важных для практики свойств: высокой электропроводностью (сверхпроводимостью), механическими и магнитными свойствами, термостойкостью, прочностью. Для практического применения в наномеханике, магнитои вакуумной электронике и материаловедении необходимы нановолокна не только из полимеров, но и из полупроводников и металлов.

Получить нановолокна можно двумя принципиально разными способами. Первый способ предполагает наноструктурирование выращенной тонкой пленки с помощью электронной или механической литографии и ее последующее отсоединение в селективном травителе (рис. 4.11). Нановолокна получены путем электронно-литографического формирования из бипленки Si/SiGe с соответствующей толщиной 15 и 5 нм. Полученные волокна обладают высокой гибкостью и прочностью.

Рис. 4.11. Нановолокна, полученные с помощью нанолитографии:

а — литографическое изображение; 6 — электронно-микроскопическое изображение волокон Si/SiGe.

Второй способ предполагает выращивание нановолокон с помощью селективной эпитаксии массива тонкопленочных нанополосок и их последующее отсоединение от подложки.

Для получения нановолокон можно использовать многослойные пленки, содержащие до 300 бислоев с компенсированными напряжениями (чередующиеся сжатые и растянутые слои), что позволяет создать плотный массив нановолокон (рис. 4.12).

Процесс формирования массива нановолокон включает в себя литографическое структурирование многослойной подложки и отсоединение нанополосок под действием упругих сил.

Для ряда практических применений в наномеханике, магнитоэлектронике, вакуумной электронике необходимы нановолокна из металлов. Металлы привлекательны, прежде всего, высокой электропроводностью, механическими и магнитными свойствами. Для создания металличе- Рис. 4.12. Формирование ских нанотрубок и нановолокон по вышеопимассива нановолокон санному методу необходимо изготовить металлическую бипленку, содержащую сжатые и растянутые слои, а также предусмотреть возможность отсоединения ее от подложки, используя жертвенный слой.

Для создания нановолокон можно ориентироваться на дешевый стандартный способ — напыление металлических пленок на подложки большой площади. Известно, что тонкие металлические пленки могут быть созданы сжатыми либо растянутыми, причем величину и знак внутренних напряжений можно задавать во время напыления. Большинство тугоплавких металлов, таких как золото, никель, хром, медь, вольфрам, железо, при напылении в чистых условиях на холодную подложку образуют напряженные растянутые пленки. Присутствие примесей при напылении приводит к формированию сжатых пленок. Например, никелевые и титановые пленки, напыленные в вакуумной системе в присутствии кислорода или водорода, являются напряженно-сжатыми.

Многообразие металлов с различными химическими свойствами позволяет обеспечить и процесс отсоединения бипленки от подложки, оптимально выбирая материал для жертвенного слоя (травитель жертвенного слоя не должен взаимодействовать с материалом бипленки).

Следует заметить, что особых требований к материалу подложки не предъявляется. Полученные твердотельные нановолокна обладают супергибкостыо, прочностью и упругостью. Разрушить эти волокна, изгибая их, невозможно. Деформация А///, возникающая в тонкой пленке при ее изгибе, равна d/R, где d — толщина, a R — радиус изгиба. Для того чтобы в результате изгиба пленки возникла деформация 10%, при которой может начаться разрушение, необходимо изогнуть пленку толщиной 1 нм до радиуса порядка 10 нм. Однако столь резкий изгиб в обычных условиях получить затруднительно.