способ формирования нанопроводов из коллоидного естественно-природного материала

Формула изобретения

Способ формирования нанопроводов из коллоидного естественно-природного материала, основанный на самоорганизованном формировании линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих структур со строго заданной ориентацией для соединения отдельных микро- и наноэлектронных элементов и/или формирования нанокомпонентов электронной элементной базы, отличающийся тем, что формирование структур и/или элементов происходит в одном процессе в течение не более 3 минут под действием только электрического постоянного поля с напряженностью не более 5×10³ В/м, конфигурация которого непосредственно задает как размеры и формы, так и ориентацию наноразмерных токопроводящих углеродных структур, которые стабильно сохраняются без нанесения каких-либо защитных слоев на подложке из любого материала, в том числе содержащей отдельные микро- и наноэлектронные элементы для их соединения и/или для формирования нанокомпонентов электронной элементной базы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электронике и методам подключения в микро- и наноинтегральных схемах.

Одним из аналогов предлагаемого изобретения выступает способ формирования проводящего элемента нанометровых размеров /1/, заключающийся в том, что проводящий элемент нанометровых размеров формируют сканированием анода, расположенного на расстоянии от 2 до 100 нм от поверхности катода, покрытого углеродной проводящей средой. В электрической цепи анод-катод используется отрицательная обратная связь, с помощью которой при сканировании анода обнаруживается первая случайная точка на поверхности катода, отличающаяся скачком проводимости (максимум U₀), по которому устанавливается и поддерживается напряжение (в диапазоне от 2 до 0 В), что и обеспечивает формирование элемента нанометровых размеров.

Недостатки данного способа заключаются в том, что длина создаваемой нанопроволоки ограничена диапазоном сканирования, ее местоположение и размер определяются случайным образом, а формирование происходит в течение достаточно большого времени и носит нелинейный, неоднозначный характер, вызванный динамической самоорганизацией, лежащей в основе процесса формообразования.

В соответствии с другим способом /2/ для формирования упорядоченных одномерных проводящих наноструктур без радиуса изгиба используется монокристаллическая подложка, имеющая ступени скола и/или другие линейные дефекты. Способ включает вакуумную конденсацию, осуществляемую в заданном диапазоне температур подложки, скоростей конденсации и в течение времени формирования, при которых на линейных дефектах подложки образуется как минимум одна нанопроволока, а на остальной части подложки коэффициент заполнения подложки должен иметь значение, исключающее коалесценцию островков.

Недостатки данного способа заключаются в том, что оптимальное расстояние между ступенями, исключающее образование островков на бездефектных участках подложки, необходимо устанавливать экспериментально. С помощью данного способа сложно создать нанопроволоку с заданной регулярной структурой, так как поверхность подложки специально не обрабатывается: сколы носят случайный характер, возможно присутствие различных линейных дефектов.

Наиболее близким по технической сущности и решаемым задачам является способ управления формой синтезируемых частиц и получения материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и наноструктуры /3/. В данном способе многостадийно с использованием как электрических, так и магнитных полей производится синтез наночастиц в реакционной смеси из металлосодержащих или лигандных соединений, формируются ленгмюровские монослои, которые затем управляемо и с заданной ориентацией переносятся на магнитомягкую подложку и покрываются защитным слоем.

Недостатками данного способа является многостадийность и сложность как процесса управления формой и расположением синтезируемых из реакционной смеси частиц в виде ленгмюровских полимеризованных монослоев из металлосодержащих или лигандных соединений, так и синтеза материалов и создания устройств, построенных переносом на магнитомягкую подложку ориентированных анизотропных частиц и наноструктур, для стабилизации обязательно покрываемых защитным слоем, с использованием на всех этапах и электрических, и магнитных полей.

Решение технической задачи устранения выявленных недостатков прототипа достигается путем помещения коллоидного естественно-природного углеродсодержащего материала, в виде ансамбля наночастиц с от 30 нм до 70 нм, обеспечивающего формирование в течение не более 3 минут линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих структур со строго заданной ориентацией под действием только электрического постоянного поля с напряженностью не более 5×10³ В/м, что позволяет осуществлять как подключение отдельных микро- и наноэлектронных элементов, так и формировать нанокомпонентную элементную базу для создания электронных устройств новых поколений.

В результате проведенных испытаний способа формирования нанопроводов из коллоидного естественно-природного материала в электрических постоянных полях с напряженностью не более 5×10³ В/м установлена совокупность существенных отличий от прототипа /3/, заключающихся в том, что линейно-упорядоченные наноразмерные токопроводящие структуры со строго заданной ориентацией, для соединения отдельных микро- и наноэлектронных элементов и/или формирования нанокомпонентов электронной элементной базы, отличающиеся тем, что формирование структур и/или элементов происходит в одном процессе в течение не более 3 минут под действием только электрического постоянного поля с напряженностью не более 5×10³ В/м, конфигурация которого непосредственно задает как размеры и формы, так и ориентацию наноразмерных токопроводящих углеродных структур, которые стабильно сохраняются без нанесения каких-либо защитных слоев на подложке из любого материала, в том числе содержащей отдельные микро- и наноэлектронные элементы для их соединения и/или для формирования нанокомпонентов электронной элементной базы.

Для формирования линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих структур из коллоидного естественно-природного углеродсодержащего материала применена конструкция, представленная на Фиг.1, с расстоянием между электродами: 0.1, 0.25, 0.5 и 1.0 мм. Происходящие процессы упорядочения иллюстрируются схемами, представленными на Фиг.2 - для иллюстрации первого этапа и на Фиг.3 - для иллюстрации второго этапа. На Фиг.1-3 и Фиг.6: 1 - коллоидный естественно-природный углеродсодержащий материал, 2 - электроды, 3 - подложка; на Фиг.3: 4 - дипольно-поляризованные частицы, 5 - заряженные цепочки из наночастиц. Создание отдельных электронных нанокомпонентов производится согласно схеме, представленной на Фиг.6: 9 - система остроконечных катодов, 10 - подложка-анод, 11 - сформированный нанокомпонент, изображение которого приведено на Фиг.7. Коллоидный естественно-природный углеродсодержащий материал наносится методом из капли на поверхность подложки, содержащей отдельные микро- и наноэлектронные элементы и/или без них с целью формирования нанокомпонентов электронной элементной базы. Далее, в соответствии с решаемой задачей по формированию нанокомпонентов и/или соединений между отдельными микро- и наноэлектронными элементами на схему, представленную на Фиг.2 и/или Фиг.6, подается электрическое постоянное поле с напряженностью не более 5×10³ Вт/м. Продолжительность процесса формирования составляет не более 3 минут.

В основе качественной физической модели способа формирования нанопроводов из коллоидного естественно-природного материала, структур и/или элементов, соединяющих отдельные микро- и наноэлектронные элементы, учтены выводы о том, что именно наносистемы с органическими включениями являются идеальным материалом /5/ для изучения процессов как самоорганизации - в диффузионно-ограниченных условиях, когда поток частиц, поступающих в систему, превышает величину их диффузии, так и самосборки - при выполнении условия: E_b>E _inter E_kin>E_d - энергия связи частиц с подложкой превышает энергию межмолекулярного взаимодействия и кинетическую, а также энергию их диффузии. При этом наносистемы с доминирующим органическим составом склонны к процессам самосборки, тогда как для неорганических наночастиц характерны процессы самоорганизации с формированием дендритных наноструктур. Линейно-упорядоченные наноразмерные токопроводящие структуры, ориентируемые преимущественно вдоль направления, заданного электрическим постоянным полем, формируются под действием электрофоретической силы, величина которой, согласно /6/, пропорциональна квадрату градиента амплитуды электрического поля - E² и кубу радиуса частицы - R³ (объем частицы):

где

Re|K( )|=[( ₂- ₁)/( ₂+2 ₁)]+{3( _{1 2}- _{2 1}/[ _MW( ₂+2 ₁)²(1+ ² _MW ²)]} - реальная часть функции Клаусиса-Массоти; ₁ и ₁, а также ₂ и ₂ - диэлектрическая проницаемость и проводимость среды и частиц соответственно, - частота переменного электрического поля. Важной является величина времени перезарядки в переменных электрических полях: _MW=( ₂+2 ₁)/( ₂+2 ₁) - время релаксации зарядов Максвелла-Вагнера. В соответствии с (1), на первом этапе /6/, действие FЭФС вызывает перераспределение коллоидных частиц в электрическом поле (Фиг.1), так как F_ЭФС~ Е². Как показывают проведенные исследования /4/ на коллоидном естественно-природном углеродсодержащем материале формирование линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих наноструктур начинается через примерно 15 с, что по аналогии с /6/ соответствует второму этапу (Фиг.3), когда наночастицы 4 в электрическом поле дипольно-поляризуются и под действием сил взаимодействия кулоновской природы:

выстраиваются в самоорганизованные токопроводящие структуры 5. Здесь С - числовой коэффициент, зависящий от расстояний между частицами 4 и длины цепочек из них 5. Из (2) следует, что дипольно-поляризованные частицы одного размера ориентируются вдоль линий напряженности электрического поля 6, которые видны на фотографии Фиг.4. Наряду с этим недостаточно поляризованные частицы 7, в частности имеющие большие размеры или другой фазовый состав, могут выстраиваться перпендикулярно к линиям напряженности электрического поля 6, как это демонстрирует Фиг.4, а, тогда как дипольно-поляризованные частицы одного малого размера ориентируются вдоль линий напряженности электрического поля, образуя дендритные структуры 7 (Фиг.4, б), что согласуется с выводами /6/.

Таким образом, формируются заряженные цепочки 5, схематично изображенные на Фиг.3, что опытно подтверждено их конфокальными микроскопическими изображениями 8, представленными на Фиг.5.

Пример 1.

Определение характеристик способа формирования нанопроводов из коллоидного естественно-природного материала линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих структур выполнено в 4 конструкциях, вид которых схематично изображен на Фиг.1 без предлагаемого материала и с ним Фиг.2 и 3. Расстояние между электродами («+/-» и «-/+») - l, обозначенных на Фиг.1-3 цифрой 2, составляет: 0.1, 0.25, 0.5 и 1.0 мм. Возникающие микро- и наноразмерные структуры из коллоидного естественно-природного углеродсодержащего материала представлены на фотографиях Фиг.4, а-б и Фиг.5.

Время начала формирования линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих структур от момента включения электрического поля и до начала формирования структур практически пропорционально расстоянию между электродами, как это подтверждается полученной зависимостью (l), представленной на Фиг.8. Так для расстояния 0.5 мм это время составляет 15 с.

На Фиг.9 приведена временная зависимость формирования дендритных структур S(t) под действием постоянного электрического поля с напряженностью более 4×10⁴ В/м, построенная на основе анализа фотографий дендритных структур из коллоидного естественно-природного углеродсодержащего материала, представленных на Фиг.4, а-б. Анализ показывает, что S(t) состоит из двух участков: на первом с незначительным изменением размеров дендритов с постоянной скоростью 10^-5 м/с, когда происходит их поляризация, а на втором отмечается быстрый рост дендритных структур с ускорением 6×10^-5 м/с². На этой основе установлена напряженность постоянного электрического поля 5×10³ В/м, при которой происходит формирование линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих структур из коллоидного естественно-природного углеродсодержащего материала.

Пример 2.

В способе формирования нанопроводов из коллоидного естественно-природного материала он наносится методом из капли на поверхность подложки, содержащей отдельные микро- и наноэлектронные элементы. На Фиг.1-3 показаны: 1 - коллоидный естественно-природный углеродсодержащий материал, 2 - электроды, 3 - подложка; на Фиг.3: 4 - дипольно-поляризованные частицы, 5 - заряженные цепочки из наночастиц. На Фиг.1 расстояние между электродами («+/-» и «-/+») - 2, обозначенное l, равняется 0.1, 0.25, 0.5 или 1.0 мм соответственно. Это позволяет после включения постоянного электрического поля с напряженностью не более 5×10³ В/м через 15 с структурировать коллоидный естественно-природный углеродсодержащий материал, как это показано на Фиг.2, что соответствует первому этапу. После этого начинается формирование линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих структур в виде заряженных цепочек разных размеров из наночастиц 5, микрофотографические конфокальные изображения которых приведены на Фиг.5, что соответствует второму этапу. Таким образом, происходит формообразование линейно-упорядоченных наноразмерных токопроводящих структур в виде заряженных цепочек разных размеров при постоянном электрическом поле с напряженностью не более 5×10³ B/м, которое продолжается порядка 3 минут.

Пример 3.

В способе формирования нанопроводов из коллоидного естественно-природного материала он наносится методом из капли на поверхность подложки с целью формирования нанокомпонентов электронной элементной базы. Создание отдельных электронных нанокомпонентов производится согласно схеме, представленной на Фиг.6. Для этого к системе из остроконечных катодов, один из которых для иллюстрации представлен на Фиг.6, прикладывается постоянное электрическое поле с напряженностью не более 5×10³ В/м. На ней 9 - система остроконечных катодов, 10 - подложка-анод, 11 - сформированный нанокомпонент. Его микрофотографическое конфокальное изображение представлено на Фиг.7. На Фиг.6-7 показаны: 1 - коллоидный естественно-природный углеродсодержащий материал, 2 - электроды, 3 - подложка; на Фиг.3: 4 - дипольно-поляризованные частицы, 5 - заряженные цепочки из наночастиц. Таким образом, происходит формообразование системы точечных микро- и нанокомпонентов под действием постоянного электрического поля с напряженностью не более 5×10³ В/м.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Мордвинцев В.М., Кудрявцев С.Е., Левин В.Л. / Способ формирования проводящего элемента нанометровых размеров // Патент РФ № 2194334, опубл. 10.12.2002.

2. Омороков Д.Б., Козленко Н.И., Шведов Е.В. / Способ формирования проводящего элемента нанометрового размера // Патент РФ № 2401246, опубл. 10.10.2010.

3. Губин С.П., Обыденов А.Ю., Солдатов Е.С., Трифонов А.С., Ханин В.В., Хомутов Г.Б. / Способ управления формой синтезируемых частиц и получения материалов и устройств, содержащих ориентированные анизотропные частицы и наноструктуры (варианты) // Патент РФ № 2160697, опубл. 20.12.2000.

4. Кузьменко А.П., Добрица В.П., Чан Ньйен Аунг, Абакумов П.В., Тимаков Д.И. / Процессы формирования фракталов в диффузионно-ограниченных условиях на примере торфов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 6(39). Ч.2. С.17-24.

5. Jrlin D. Velev and Ketan H. Bhatt / On-chip micromanipulation and assembly of colloidal particles by electric fields // Soft Matter. 2006. № 2. P.738-750.

6. Angelika Kiihnie / Self-assembly of organic molecules at metal surfaces // Current Opinion in Colloid and Interface Science 2009. № 14. P.157-168.