Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур

 
 
УДК 621.38(07) 
ББК 32.85я73 
 
Ф48 
 
Рецензенты: 
 
С. Г. Овчинников, д-р физ.-мат. наук, проф. зам. директора ИФ СО РАН РФ; 
 
Г. Г. Назаров, канд. техн. наук, проф. кафедры ЭТТ Сиб ГАУ 
 
 
 
Ф48  
Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур [Электронный ресурс] : учеб. пособие / авт. : А. А. Барыбин, В. А. Бахтина, В. И. Томилин, Н. П. Томилина ; разраб. : Центр обучающих систем ИнТК СФУ. – Версия 1.0. – Электрон. 
дан. (9 Мб). – Красноярск : СФУ, 2011. – 1 электрон. опт. диск (CD). – Систем. требования : Intel Pentium (или аналогичный процессор других производителей) 1 ГГц ; 
512 Мб оперативной памяти ; 50 Мб свободного дискового пространства ; привод 
CD ; операционная система Microsoft Windows XP / Vista / 7. – Adobe Reader 7.0 (или 
аналогичный продукт для чтения файлов формата pdf). – № гос. регистрации 
0321103315 
 
ISBN 978-5-7638-2396-7 
 
 
Основной задачей учебного пособия является ознакомление студентов с основными классами наночастиц и 

наноматериалов, их физико-химическими свойствами, а также со сложившимися и перспективными областями 
применения наноматериалов.  

Предназначено для студентов укрупненной группы направления подготовки бакалавров и магистров 

210000 «Электронная техника, радиотехника и связь» (направления 211000.62, 211000.68). Может быть полезно 
студентам других специальностей, аспирантам и научным работникам, интересы которых связаны с получением, 
исследованием и практическим применением новых материалов. 

 
_______________________________ 
 
Учебное издание 
 
Барыбин Анатолий Андреевич, Бахтина Валентина Анатольевна,  
Томилин Виктор Иванович, Томилина Надежда Павловна  
 
 

 
 
© Барыбин А. А., Бахтина В. А.,  
Томилин В. И., Томилина Н. П., 2011 
© Разработка и оформление электронного образовательного ресурса: Центр обучающих 
систем ИнТК СФУ, 2011 
ISBN 978-5-7638-2396-7 
© Сибирский федеральный университет, 2011 
 
 
Содержимое ресурса охраняется законом об авторском праве. Несанкционированное копирование и использование данного 
продукта запрещается. Встречающиеся названия программного обеспечения, изделий, устройств или систем могут являться зарегистрированными товарными знаками тех или иных фирм. 
 
Подписано к использованию 15.08.2011 
Объем 9 Мб. Заказ № 4858 
Сибирский федеральный университет, 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 79 


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
3

 
Оглавление 

ПРЕДИСЛОВИЕ .................................................... 6
Глава 1.  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ 
СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И 
ПРИБОРОВ МАКРО-, МИКРО- И 
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ.................................................. 8

1.1.  ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ .................................................................................. 8
1.2.  МАКРОЭЛЕКТРОНИКА  (технологические особенности  
изготовления приборов) ........................................................................................... 12

1.3.  МИКРОЭЛЕКТРОНИКА   (кремниевая технология   процессоров на 
пути от «микро» к «нано») ......................................................................................... 14

1.4.  НАНОЭЛЕКТРОНИКА (новые материалы и технологии) ................... 19

1.4.1. Краткое описание современных нанотехнологий ....................... 19

Глава 2.  НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ 
МАТЕРИАЛЫ ............................................................. 28

2.1. Общая характеристика ............................................................................. 28
2.2. Классификация наноматериалов ........................................................... 29
2.3. Углеродные  нанокластеры .................................................................... 34
2.4. Квантовые особенности нанообъектов пониженной размерности . 43
2.5. Структурно-геометрические особенности нанокластеров ................ 49

Глава 3.  ПОВЕРХНОСТЬ И ПОВЕРХНОСТНЫЕ 
СТРУКТУРЫ ............................................................... 55

3.1. Обозначение и индексация поверхностных структур ........................ 55
3.2. Релаксация  поверхности ........................................................................ 59
3.3. Реконструкция  поверхности .................................................................. 60
3.4. Структурные дефекты реальных поверхностей ................................ 68

Глава 4.  ТЕРМОДИНАМИКА  
ПОВЕРХНОСТНЫХ  СЛОЕВ   И   МЕЖФАЗНЫХ   
ГРАНИЦ ..................................................................... 76

4.1. Способы описания нанообъектов ......................................................... 76
4.2. Общая характеристика поверхности ..................................................... 77
4.3. Элементы термодинамики плоской поверхности .............................. 78
4.4. Термодинамика искривленных поверхностей .................................... 85

4.4.1. Капиллярное давление (формула Лапласа) ................................. 86
4.4.2. Давление насыщенного пара частиц малых размеров (формула 
Гиббса – Томсона) .................................................................................................. 91

4.4.3. Температура плавления частиц малых размеров ....................... 96

ОГЛАВЛЕНИЕ


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
4

Глава 5.  АДСОРБЦИОННЫЕ   ЯВЛЕНИЯ  НА   
ПОВЕРХНОСТИ  ТВЕРДЫХ  ТЕЛ ........................... 104

5.1. Общая характеристика адсорбционных процессов ......................... 104
5.2. Физическая и химическая адсорбция ................................................. 106
5.3. Кинетика мономолекулярной адсорбции 
и двухмерная конденсация ..................................................................................... 114

5.3.1. Модель адсорбции Ленгмюра ....................................................... 115
5.3.2. Уравнения  изотермы Генри и изотермы Ленгмюра ................. 119
5.3.3. Уравнение кинетики недиссоциативной адсорбции ................. 120
5.3.4. Латеральное взаимодействие и двухмерная конденсация ..... 124
5.3.5. Латеральное взаимодействие при локализованной  
монослойной адсорбции .................................................................................... 131

5.4. Полимолекулярная адсорбция ............................................................ 132

5.4.1. Модель адсорбции  Брунауэра – Эммета – Теллера 
(модель БЭТ) ......................................................................................................... 132

5.4.2. Модель полимолекулярной адсорбции Поляни ........................ 138

5.5. Капиллярная конденсация в мезопористых адсорбентах .............. 140

Глава 6.  ТЕРМОДИНАМИКА И  КИНЕТИКА  
ПРОЦЕССОВ  ФОРМИРОВАНИЯ   НОВОЙ ФАЗЫ . 147

6.1. Движущие силы процесса кристаллизации 
и зародышеобразования ........................................................................................ 147

6.1.1. Объемное пересыщение в первичной фазе ............................... 147
6.1.2.  Понятие о критическом зародыше .............................................. 151

6.2. Термодинамика и кинетика процесса зародышеобразования ....... 155

6.2.1. Термодинамика гомогенного зародышеобразования .............. 155
6.2.2. Термодинамика гетерогенного зародышеобразования ........... 157
6.2.3. Кинетика процесса зародышеобразования ................................ 166

6.3.  Основные  стадии и механизмы  формирования  слоев  новой 
фазы ........................................................................................................................... 169

6.3.1. Зародышевый механизм роста Фольмера – Вебера ................ 171
6.3.2. Механизм Франка – Ван-дер-Мерве .............................................. 179
6.3.3. Послойный беззародышевый механизм .................................... 180
6.3.4. Механизм Странского – Крастанова ............................................. 182
6.3.5. Спиральный механизм роста ........................................................ 189
6.3.6. Особенности роста наноструктур на  фасетированных 
поверхностях ........................................................................................................ 190
Глава 7.  ПОВЕРХНОСТНО-АКТИВНЫЕ 
ВЕЩЕСТВА  (термодинамические свойства и 
технологии) ............................................................ 195

7.1. Общая характеристика поверхностно-активных  и  инактивных 
веществ ...................................................................................................................... 195

ОГЛАВЛЕНИЕ


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
5

7.2. Технология получения наноразмерных органических пленок  
методом Ленгмюра – Блоджетт ............................................................................. 199

7.3. Основы золь-гель технологии 
наноструктурированных материалов ................................................................... 205

7.3.1. Терминология и основные понятия органической химии ....... 206
7.3.2. Терминология и основные понятия коллоидной химии .......... 212
7.3.3. Сущность и реализация золь-гель технологии .......................... 216

ЗАКЛЮЧЕНИЕ .................................................. 222
СПИСОК  ЛИТЕРАТУРЫ ................................... 223
ТЕРМИНЫ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ .......................... 224
ПРЕДМЕТНЫЙ УКАЗАТЕЛЬ ............................ 229
Приложение ..................................................... 233


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
6

ПРЕДИСЛОВИЕ 

 
Высокотехнологичная электронная индустрия, сегодня во многом 
определяет место развитого государства в постиндустриальном информационном обществе. Примером современных достижений можно назвать кремниевые процессоры, имеющие на одном квадратном сантиметре до 300 млн 
транзисторов при минимальном размере элементов 45 нм. Но этот результат, 
хотя и является впечатляющим, не исчерпывает всех достижений ученых и 
инженеров, работающих над поиском и созданием новых наноэлементов. 

Характерная особенность современного этапа развития технологии 

элементной базы электроники – это быстрое техническое освоение последних достижений в различных областях науки, таких как физика вакуума, физика плазмы, физика твердого тела и тонких пленок, физика поверхности,  
химическая термодинамика и кинетика, электрохимия, кристаллохимия, материаловедение и др. 
Еще около двадцати лет назад ключевое направление развития электроники связывали с планарно-интегральной технологией, на основе которой 
изготавливали кремниевые интегральные микросхемы, приборы оптоэлектроники, акустоэлектроники, криоэлектроники и спинволновой электроники. 
Но на рубеже веков произошла «нанотехнологическая революция», 
охватившая все жизненно важные сферы деятельности человека. По мнению 
большинства экспертов в области научно-технической политики, последствия развития нанотехнологий будут обширнее и глубже, чем «компьютерной революции» последней трети XX в. В настоящее время среди элементов 
наноэлектроники уже имеются лазеры на квантовых ямах и одноэлектронные 
транзисторы, изготовленные методами нанотехнологии. 

Элементная база электроники включает приборы, перекрывающие 

огромный частотный диапазон от сверхнизких и низких звуковых частот до 
высоких и сверхвысоких радиочастот, кончая оптическим и рентгеновским 
излучением. Они выполняют самые разнообразные функции в системах передачи, приема, хранения и обработки информации.  

Одно только перечисление функциональных назначений приборов сви
детельствует об их огромном многообразии. Более того, это многообразие 
расширяется за счет различия в принципе действия, частотно-геометрических 
факторах и конструктивно-типовых признаках приборов. Отмеченные различия естественно порождают и многообразие технологических процессов, методов, операций и приемов изготовления электронных приборов и устройств. 
В основе любого технологического процесса лежит определенное физическое, химическое, электрохимическое или иное воздействие на материал с 
целью управляемого изменения его состояния, структуры или состава. Такой 
взгляд на технологические процессы позволяет выделить их базовые физикотехнологические черты и увидеть общие физические закономерности, управляющие данными процессами.  

ПРЕДИСЛОВИЕ


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
7

В этих условиях при построении учебного курса единственно возмож
ным и методически оправданным остается дедуктивный подход к отбору 
учебного материала (от общего к частному). Такой подход должен базироваться на изложении фундаментальных физических и физико-химических закономерностей, присущих различным технологическим процессам, используемым при изготовлении приборов современной электроники. Именно подобный методологический подход положен в основу построения настоящего 
учебного пособия. Авторский отбор материала  определялся исключительно 
его применимостью к физико-технологическим проблемам электроники в ее 
нанореализациях. Бесспорно, это ограничивает круг рассматриваемых физических явлений, но позволяет в достаточно компактной форме охватить 
наиболее значимые технологические процессы. 
Учебное пособие включает семь глав. 
В первой главе дано краткое описание  основных этапов развития и современное состояние технологии материалов и устройств электроники, в 
частности, кремниевой технологии на пути от «микро-» к «нано-».  
Во второй главе дана общая характеристика наноструктурированных 
материалов, рассмотрена  их классификации, квантовые и структурногеометрические особенности нанообъектов пониженной размерности.  
В третьей главе изложены современные основные представления о поверхности и поверхностных структурах. Рассмотрены процессы реконструкции и релаксации поверхностных атомных слоев, структурные дефекты реальных поверхностей и межфазных границ. 
Четвертая глава посвящена особенностям термодинамического описания наночастиц и взаимосвязи  физических свойств с геометрическими характеристиками частиц малых размеров. 
Пятая глава является классической  для материаловедения и освещает 
адсорбционные процессы на поверхности твердых тел. Рассмотрены вопросы 
латерального взаимодействия при локализованной монослойной адсорбции, а 
также двумерная конденсация и конденсация в мезапористых адсорбентах.  
В шестой главе изложены современные представления о процессах зародышеобразования и формирования новой фазы. С термодинамических и 
кинетических позиций  рассмотрены существующие модели механизмов роста и самоорганизации поверхностных структур, особенности формирования 
нановискеров и роста на фасетированных поверхностях. 
Предмет содержания седьмой главы – поверхностно-активные и инактивные вещества и их применение в нанотехнологии. Достаточно подробно 
рассмотрена технология получения наноразмерных органических пленок методом Ленгмюра – Блоджетт и основы золь-гель технологии. 
Для облегчения работы с учебным пособием имеется предметный указатель, список литературы, используемых терминов,  определений и обозначений. 


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
8

ГЛАВА 1.  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ 
СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ И 
ПРИБОРОВ МАКРО-, МИКРО- И 
НАНОЭЛЕКТРОНИКИ 

1.1.  ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ 

 
Зарождение электроники как научно-технического направления связывают с именами Джона Флеминга (изобретение диода, 1904 г.) и Ли де Фореста (изобретение триода, 1906 г.). С тех пор за прошедшие  сто с небольшим 
лет электроника (в широком ее понимании) прошла огромный путь, определивший на сегодняшний день по сути дела весь научно-технический прогресс 
человечества. За эти годы можно четко проследить три стимулирующие тенденции, которые формировали различные направления в развитии электроники: 
• повышение рабочей мощности устройств, 
• освоение все более высоких рабочих частот, 
• стремление к микроминиатюризации аппаратуры. 
Позднее, с разработкой и внедрением в практику интегральных микросхем и микропроцессоров, наметилась четвертая тенденция – переход от аналоговой обработки сигналов к цифровой обработке с целью повышения 
быстродействия устройств.  
Перечисленные выше тенденции развития электроники привели к появлению огромного многообразия конкретных электронных приборов и 
устройств, предназначенных для решения различных естественно-научных, 
инженерно-технических, эколого-космических, медико-биологических и повседневных бытовых проблем жизнеобеспечения людей. 
В историческом плане можно выделить следующие основные этапы, 
которые прошла электроника до современного состояния. 
1. Эра вакуумной электроники начинается с появления первых вакуумных приборов (диода и триода) в начале прошлого столетия и успешно 
продолжается вплоть до наших дней в классе мощных генераторных и модуляторных ламп, приборов СВЧ-диапазона (клистроны, магнетроны, лампы 
бегущей и обратной волны и др.), рентгеновских и электронно-лучевых приборов (осциллографические, радиолокационные, передающие и приемные 
телевизионные трубки, мониторы компьютеров и др.) и разнообразных газоразрядных приборов силовой и бытовой электроники. 
2. Эра полупроводниковой электроники начинается с изобретения 
транзистора в 1947 г. Д. Бардиным, У. Браттейном и У. Шокли (получившими впоследствии Нобелевскую премию). 
Изначально полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы) исполнялись в виде дискретных (корпусных) элементов на основе германия или 

ГЛАВА 1.  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

1.1.  ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
9

 

кремния, которые заменяли вакуумные приборы в электрических цепях, составленных из резисторов, конденсаторов и индуктивностей. Это продолжалось около десятка лет, пока накопленный технологический опыт не позволил создавать то или иное функциональное устройство в виде единой интегральной схемы – гибридной (ГИС с навесными полупроводниковыми элементами в бескорпусном исполнении) или монолитной (МИС с пассивными 
и активными элементами схемы, изготовленными на одной подложке в едином технологическом цикле). Так зародилась новая эра интегральной электроники. 
3. Эра квантовой электроники ведет отсчет с изобретения принципа 
действия мазера/лазера  в 1954 г. Н. Г. Басовым, А. М. Прохоровым и независимо от них Ч. Таунсом. В 1960 г. был создан оптический квантовый генератор (лазер) на кристалле рубина, а через два года появились первые инжекционные лазеры на основе p–n-перехода в полупроводнике GaAs. Однако работали они при пониженных температурах и потому представляли малый 
практический интерес, несмотря на высокий коэффициент полезного действия (до 70 %). Основной задачей было получение непрерывной генерации 
при малых пороговых токах и комнатной температуре с сохранением высокого к.п.д. Решение этой задачи оказалось возможным путем замены гомоперехода в GaAs двойной гетероструктурой (ДГС) – узкозонный GaAs между 
двумя широкозонными полупроводниками на основе твердого раствора 
AlxGa1−xAs. Первыми это удалось реализовать в 1970 г. сотрудникам Физикотехнического института имени А. Ф. Иоффе (Ленинград) под руководством 
Ж. И. Алферова (получившего впоследствии Нобелевскую премию). 
 Дальнейшая работа этого коллектива и конкурирующих с ним зарубежных фирм над созданием гетеролазеров со сверхрешетками и размерным 
квантованием заложила физико-технологические основы современной оптоэлектроники. Именно появление ДГС-лазеров открыло широкую дорогу для 
применения интегрально-оптических систем и систем волоконно-оптической 
связи во всемирной сети Интернет. 
4. Эра интегральной электроники начинается с промышленного 
внедрения кремниевой планарной технологии, разработанной к началу 1960-х 
г. на базе освоенных к тому времени технологических процессов. Сюда в 
первую очередь следует отнести эпитаксиальное выращивание монокристаллических пленок, диффузионное легирование, термическое окисление кремния, вакуумное напыление алюминия, фотолитографию. Именно эти процессы сформировали надежный фундамент для перехода к планарноэпитаксиальной технологии интегральных схем (ИС). У истоков этой технологии стояли два человека – Дж. Килби из Texas Instruments и Р. Нойс из 
Fairchild Semiconductor.  Их плодотворные идеи, сформулированные независимо друг от друга, внесли весомый инженерно-практический вклад, определив  направление развития интегральных схем (названных «чипами») как 
элементной базы цифровой микроэлектроники. 

ГЛАВА 1.  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

1.1.  ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
10

 

Наряду с этим в те же годы возникли новые принципы аналоговой обработки сигналов, положенные в основу так называемой функциональной 
электроники. Здесь привычные схемотехнические решения заменены нетрадиционным использованием особого рода динамических неоднородностей в 
твердом теле (например, в форме движущихся доменов или линейных и нелинейных волн различной природы) для выполнения тех или иных функций. 
Именно это породило такие направления функциональной электроники, как 
акустоэлектроника, спинволновая электроника, плазменно-волновая электроника и криоэлектроника. Несмотря на ряд технически привлекательных и 
многообещающих эффектов, открытых при разработке этих направлений 
электроники, наибольшие перспективы в настоящее время связывают всетаки с наноэлектроникой. 
5. Эра наноэлектроники в ее сегодняшнем широко популяризованном 
виде, как и другие нанотехнологии, имеет, тем не менее, серьезные физические истоки и технологические предпосылки. Для подтверждения этого приведем в хронологическом порядке наиболее значимые научно-технические 
достижения, на которых сегодня базируется наноэлектронная физика и технология. 
1933 г. – создание электронного микроскопа просвечивающего типа с 
разрешением 50 нм (Ernest Ruska, Нобелевская премия по физике, 1986 г.). 
1939 г. –  коммерческий выпуск электронного микроскопа с разрешением 10 нм (компания Siemens). 
1966 г. – изобретение пьезодвигателя, примененного позже в сканирующем туннельном микроскопе для позиционирования с точностью до  10−3 
нм (Russel Yang). 
1968 г. –  разработка метода газофазной эпитаксии из металлоорганических соединений (Harold Manasevit). 
1971 г. – изобретение и разработка принципов молекулярно-лучевой 
эпитаксии (МЛЭ, Alfred Cho). 
1973 г. –  реализация методом МЛЭ полупроводниковой сверхрешетки 
GaAs–Al0,5Ga0,5As  с периодом 7–10 нм (Leo Esaki, Нобелевская премия по 
физике, 1973 г.). 
1974 г. – появление термина «нанотехнология» (nanos от греч. «карлик»), означающего процесс модифицирования материала путем воздействия 
одиночным атомом или молекулой (Norio Taniguchi). 
1982 г. –  создание сканирующего туннельного микроскопа с межатомным разрешением (Gerd Binnig, Heinrich Rohrer, Нобелевская премия по физике, 1986 г.). 
1985 г. – открытие фуллеренов (Richard Smalley, Robert Curl, Harold 
Croto, Нобелевская премия по физике, 1996 г.). 
1986 г. – создание атомно-силового микроскопа с межатомным разрешением (Gerd Binnig, Christophe Gerber). 

ГЛАВА 1.  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

1.1.  ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
11

 

1988 г. –  создание ДГС-лазера на квантовой яме, ограниченной короткопериодными сверхрешетками, с рекордно низким пороговым током (лаборатория Ж. И. Алферова, ФТИ имени А.Ф. Иоффе, Ленинград). 
1991 г. – открытие углеродных нанотрубок (Sumio Iijima). 
1999 г. – разработка общих принципов манипулирования молекулами 
(Mark Reed, James Tour). 
2000 г. – создание гетеролазера на квантовых точках с выходной мощностью 3,5–4 Вт в непрерывном режиме, квантовой эффективностью 95 % и 
к.п.д. 50 % (лаборатория Ж.И. Алферова, ФТИ имени А. Ф. Иоффе, СанктПетербург). 
2004 г. – получение графена, двумерной однослойной аллотропной модификации углерода (Andre Geim, Нобелевская премия по физике, 2010 г.). 
Таким образом, в течение нескольких предшествующих десятилетий был 
достигнут серьезный технологический задел в создании и контроле элементов 
нанометровых размеров. Это открывает обнадеживающую перспективу для 
дальнейшего развития электроники нанометрового диапазона в направлении 
воспроизводимости и надежности технологических результатов. 
 

Рис. 1.1. Шкала размеров, характерных для объектов макромира (макроэлектроники), микромира (микроэлектроники) и наномира (наноэлектроники) 

На рис.1.1 приведены диапазоны размеров физических объектов как для 

окружающего нас мира (макро-микро-наномир), так и для электроники (макроэлектроника–микроэлектроника–наноэлектроника). Здесь также даны характерные размеры естественных (биологических) и искусственно созданных объектов. Из их сравнения видно, что технология сегодняшнего уровня уже позво

ГЛАВА 1.  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

1.1.  ОБЩИЕ  СВЕДЕНИЯ


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
12

ляет создавать предельно малые объекты с размерами нанометрового и субнанометрового диапазона, такие как углеродные нанотрубки (УНТ), фуллерены и им 
подобные. 
Объектам макроэлектроники условно выделен диапазон размеров более 
1 мм, объектам микроэлектроники – от 1 мкм до 100 мкм, а объектам наноэлектроники – от 1 нм до 100 нм. Между ними располагаются промежуточные области (выделенные серым цветом на рис. 1.1) субмиллиметрового диапазона (от 1 мм до 0,1 мм) и субмикрометрового (как часто говорят, субмикронного) диапазона (от 1 мкм до 0,1 мкм). В этих областях проявляются одновременно физико-технологические особенности объектов, принадлежащих 
соседним примыкающим диапазонам. 
«Кирпичиками» нанометрового диапазона являются так называемые 
кластеры (от англ. cluster) – скопления взаимодействующих друг с другом 
атомных частиц, не превышающие 10 нм. Наночастицами называют частицы 
с размером в несколько десятков нанометров, но, как правило, не более      
100 нм. Они содержат  до 106 атомов, а их свойства, как и свойства кластеров, 
существенно отличаются от свойств объемного вещества, состоящего из таких же атомов. 
Объектами субнанометровой области (затемненной на рис.1.1) с размерами от 1 нм до 0,1 нм являются атомы, обычные (малоатомные) молекулы, более сложные (многоатомные) молекулы (типа молекул ДНК, фуллерена С60 и др.) и супрамолекулярные структуры (субнанокластеры), образованные межмолекулярными связями (типа дендритов, мицелл и т. п.). Примерно 
на пять порядков ниже лежит область внутриядерных частиц (не показанная 
на рисунке). 
Задача последующего изложения – краткое описание основных этапов 
изготовления дискретных приборов макроэлектроники, технологических 
особенностей современной микроэлектроники и направлений развития наноэлектроники. 
 
 
1.2.  МАКРОЭЛЕКТРОНИКА  (технологические особенности  
изготовления приборов) 

 
К приборам макроэлектроники будем относить те приборы, которые по 
своим массогабаритным параметрам выходят за общепринятые рамки изделий микроэлектроники. Как правило, подобного рода приборы изготавливают как дискретные элементы устройств (тем более, мощные приборы) и размещают индивидуально внутри аппаратуры. 
Ниже  кратко опишем особенности технологии вакуумных приборов и 
дискретных полупроводниковых приборов (ДПП). 
Вакуумные приборы имеют два общих признака, характерных для 
прибора любого типа и функционального назначения: 

ГЛАВА 1.  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ

1.2.  МАКРОЭЛЕКТРОНИКА  (технологические особенности  изготовления приборов)


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
13

 

• дискретный характер конструкции прибора, состоящего из отдельных деталей и узлов – вакуумного корпуса, катода, подогревателя, анода, сеток и других элементов, собранных в единую конструкцию; 
• дискретно-индивидуальный характер технологии, порожденный дискретностью конструкции и проявляющийся в форме строгой последовательности технологических операций, которая сохраняется для всех без исключения приборов, но применяется, как правило, индивидуально к каждому экземпляру прибора. 
Дискретные полупроводниковые приборы имеют также  два общих 
признака, характерных для прибора любого типа и любого функционального 
назначения: 
• монолитный характер конструкции прибора, делающий невозможным разделение его на отдельные элементы; например, эмиттер, база и коллектор транзистора являются неразделимыми областями одного и того же 
полупроводникового кристалла; 
• интегрально-групповой характер технологии, порожденный монолитностью конструкции прибора, позволяет осуществлять определенные 
группы технологических воздействий интегрально (по всей поверхности пластины) для совместного изготовления совокупности однотипных приборов, 
например создание области эмиттера, сразу для всех приборов на пластине. 
Дело в том, что активные элементы ДПП изготавливают не индивидуально для каждого прибора по отдельности, а одновременно для всей партии 
приборов в виде совокупности однотипных элементов, размещенных на одной пластине (подложке). В этом смысле процесс их изготовления по сути не 
отличается от изготовления интегральных микросхем (ИМС), о которых речь 
пойдет позже. 
Различие между производством дискретных приборов и интегральных 
схем заключается лишь в том, что идентично повторенным элементом на 
пластине в первом случае является активный элемент дискретного прибора, а 
во втором  – полностью интегральная микросхема, называемая «чипом» (от 
англ. chip).  
Технологическую основу производства составляет так называемый 
планарный процесс, под которым понимается совокупность технологических 
воздействий на материал (чаще всего кремний), осуществляемых с одной 
стороны исходной полупроводниковой пластины (называемой подложкой). 
Планарный процесс дает возможность одновременного изготовления в едином технологическом цикле большого числа идентичных ДПП или ИМС (до 
нескольких сотен и даже тысяч на одной пластине). Групповая обработка 
пластин (до 100–200 штук в одной партии) обеспечивает хорошую воспроизводимость параметров и высокую производительность при существенном 
снижении себестоимости изделий.  
 
 
 

ГЛАВА 1.  ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ И СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ


Физико-химия наночастиц, наноматериалов и наноструктур. Учеб пособие
14

1.3.  МИКРОЭЛЕКТРОНИКА   (кремниевая технология   процессоров на 
пути от «микро» к «нано») 

 
Технологическое продвижение микроэлектроники наиболее наглядно 
демонстрирует процессорная техника, достижения которой определяют прогресс компьютерной индустрии в целом. 
Днем рождения микропроцессора принято считать 15 ноября 1971 г., 
когда фирма Intel представила  первый в мире процессор Intel 4004, названный Гордоном Муром одним из самых революционных продуктов в истории 
человечества. В основу технологического прогресса  было положено решение 
трех задач: 
• увеличение степени интеграции (числа транзисторов на чипе); 
• повышение быстродействия (тактовой частоты) процессоров; 
• снижение стоимости производства. 
Главным конструкторско-технологическим направлением для одновременного решении всех трех задач явилось уменьшение размеров активных 
элементов интегральных микросхем. Действительно, с уменьшением размеров возрастает скорость переключения  (тактовая частота) электронного 
ключа, а также возрастает плотность размещения элементов, что увеличивает 
их общее количество на пластине и снижает стоимость производства в расчете на один элемент микросхемы. 
В основу уменьшения размеров положен принцип масштабирования: с 
уменьшением линейных размеров в α раз во столько же раз уменьшаются 
напряжение и ток, но увеличивается концентрация легирующей примеси при 
сохранении неизменным распределения электрического поля в приборе. Как 
следствие этого, быстродействие повышается в α раз (в результате снижения 
емкости межсоединений и приборных структур при неизменной крутизне 
прибора), а мощность, рассеиваемая одной ячейкой, уменьшается в α2 раз (изза одновременного уменьшения напряжения и тока в α раз) при возрастании 
плотности размещения ячеек пропорционально  α2 (в результате уменьшения 
размеров межсоединений и топологических размеров приборных структур). 
Два последних фактора обеспечивают неизменное энергопотребление одного 
чипа при росте числа транзисторов на кристалле постоянной площади. 
Однако с уменьшением длины токового канала (между истоком и стоком) и толщины подзатворного диэлектрика (между электродом затвора и 
каналом) возрастают токи утечки. Именно это явилось принципиальным 
ограничением масштабированного уменьшения размеров транзисторов, с чем 
и столкнулись в 90-х годах прошлого века. Базовой характеристикой технологического процесса является проектная норма, под которой понимается 
минимальный топологический размер микросхемы, формируемый с помощью ультрафиолетового (УФ) освещения фоторезиста через фотошаблон при 
проекционной литографии.  За последние  десять лет проектная норма 
уменьшилась более чем в 5 раз (с 250 нм до 45 нм). В конце 2009 г. выпущены 32-нанометровые процессоры с переходом на технологию 22-нм в 2011 г.