ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ ...................................................................................................................... 6
Глава 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
НАНОПЬЕЗОТРОНИКИ .............................................................................................. 33
1.1 Нанопьезотроника как новое направление электроники ............................. 33
1.2 Устройства нанопьезотроники на основе наноразмерных структур .......... 38
1.2.1 Транзисторы ................................................................................................ 38
1.2.2 Элементы памяти........................................................................................ 41
1.2.3 Сенсоры деформации и давления ............................................................. 43
1.2.4 Наногенераторы .......................................................................................... 47
1.3 Углеродные наноструктуры как перспективный материал
нанопьезотроники ......................................................................................................... 52
1.3.1 Пьезоэлектрические свойства модифицированного графена ................ 54
1.3.2 Формирование структурных дефектов в углеродных наноструктурах
при легировании азотом ......................................................................................... 62
1.3.3 Изменение запрещенной зоны углеродных наноструктурах при
формировании структурных дефектов ................................................................. 67
1.4 Современное состояние в области создания элементов нанопьезотроники
на основе ориентированных углеродных нанотрубок .............................................. 70
1.5 Выводы по главе 1 и постановка задачи ........................................................ 77
ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО
ЭФФЕКТА В УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБКАХ ...................................................... 80
2.1 Механизм аномального пьезоэлектрического эффекта в легированных
азотом углеродных нанотрубках ................................................................................. 80
2.2 Моделирование деформации углеродной нанотрубки с бамбукообразными
дефектами под действием внешних механических воздействий ............................. 84
2.3 Моделирование величины поверхностного потенциала, генерируемого при
деформации легированных азотом углеродных нанотрубок .................................... 87
2.4 Зависимость генерируемого поверхностного потенциала от
геометрических параметров легированных азотом углеродных нанотрубок ......... 93
3
2.5 Модель процесса возникновения пьезоэлектрического отклика углеродных
нанотрубок под действием внешних воздействий ................................................... 101
2.6 Механизм многоуровневого резистивного переключения в
деформированной углеродной нанотрубке под действием внешнего
электрического поля ................................................................................................... 104
2.7 Методика формирования контролируемой упругой деформации в
вертикально ориентированной N-УНТ ..................................................................... 110
2.8 Выводы по главе 2: ......................................................................................... 116
ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ЛЕГИРОВАННЫХ АЗОТОМ
УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК................................................................................ 120
3.1 Экспериментальные образцы и методы исследования ............................... 120
3.2 Характеризация пьезоэлектрических свойств N-УНТ методом силовой
микроскопии пьезоотклика ........................................................................................ 125
3.3 Влияние температуры роста на пьезоэлектрические свойства N-УНТ .... 127
3.4 Влияние аспектного отношения N-УНТ на пьезоэлектрический модуль 134
3.5 Влияние мощности плазмы на пьезоэлектрические свойства N-УНТ ...... 138
3.6 Влияние толщины каталитического слоя никеля на пьезоэлектрические
свойства N-УНТ ........................................................................................................... 141
3.7 Влияние соотношения технологических газов на пьезоэлектрические
свойства N-УНТ ........................................................................................................... 143
3.8 Влияние материала проводящего подслоя на пьезоэлектрические свойства
N-УНТ 152
3.9 Влияние температуры роста на пьезоэлектрические свойства N-УНТ на
подслое молибдена ...................................................................................................... 162
3.10 Экспериментальные исследования влияния механических параметров N-
УНТ на их пьезоэлектрические свойства ................................................................. 166
3.11 Исследование влияния величины деформации N-УНТ на величину
генерируемого тока ..................................................................................................... 169
3.12 Исследование влияния частоты внешнего механического воздействия на
величину тока, генерируемого N-УНТ ..................................................................... 171
3.13 Исследование стабильности процесса генерации тока массивом
деформированных N-УНТ в условиях вакуума и окружающей среды ................. 174
4
3.14 Исследование поверхностного потенциала деформированных N-УНТ ... 176
3.15 Выводе по главе 3. .......................................................................................... 184
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ
ПЕРЕКЛЮЧЕНИЯ СОПРОТИВЛЕНИЯ В ЛЕГИРОВАННЫХ АЗОТОМ
УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБКАХ ............................................................................. 190
4.1 Экспериментальные образцы и методы исследования ............................... 190
4.2 Экспериментальные исследования влияния параметров легированных
азотом углеродных нанотрубок на процесс переключения сопротивления под
действием внешнего электрического поля ............................................................... 191
4.2.1 Влияние дефектности и пьезоэлектрических свойств .......................... 192
4.2.2 Влияние геометрических параметров .................................................... 197
4.2.3 Влияние величины деформации ............................................................. 200
4.3 Экспериментальные исследования влияния параметров внешнего
воздействия на процесс переключения сопротивления легированных азотом
углеродных нанотрубок .............................................................................................. 205
4.3.1 Влияние вакуума ...................................................................................... 205
4.3.2 Влияние температуры .............................................................................. 208
4.3.3 Влияние материала верхнего электрода ................................................ 210
4.3.4 Влияние амплитуды и длительности импульсов прикладываемого
напряжения ............................................................................................................ 212
4.4 Выводы по главе ............................................................................................. 219
ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА ФИЗИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ОСНОВ СОЗДАНИЯ
УСТРОЙСТВ НАНОПЬЕЗОТРОНИКИ НА ОСНОВЕ ЛЕГИРОВАННЫХ
АЗОТОМ УГЛЕРОДНЫХ НАНОТРУБОК .............................................................. 222
5.1 Анализ результатов исследований и оценка перспектив применения
пьезоэлектрических свойств легированных азотом углеродных нанотрубок для
разработки новых приборов и устройств нанопьезотроники ................................. 222
5.2 Разработка конструкций пьезоэлектрических наногенераторов на основе
массива вертикально ориентированных углеродных нанотрубок, легированных
азотом .......................................................................................................................... 224
5.3 Моделирование выходных параметров пьезоэлектрического
наногенератора на основе массива вертикально ориентированных углеродных
нанотрубок с профилированным электродом .......................................................... 230
5
5.4 Разработка технологических процессов формирования пьезоэлектрических
наногенераторов на основе массива легированных азотом углеродных нанотрубок
с профилированным и плоским перфорированным электродами ......................... 234
5.5 Изготовление макета наногенератора на основе массива легированных
азотом углеродных нанотрубок с профилированным электродом и исследование
его параметров ............................................................................................................. 237
5.6 Разработка конструкции и технологического процесса создания
запоминающего элемента энергонезависимой памяти на основе пучков
легированных азотом углеродных нанотрубок ........................................................ 241
5.7 Изготовление макета ячейки запоминающего элемента энергонезависимой
памяти на основе легированной азотом углеродной нанотрубки и исследование
его параметров ............................................................................................................. 246
5.8 Выводы по главе ............................................................................................. 251
Заключение .................................................................................................................. 254
СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ......................................................................................... 260
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ ........................................................................................... 261
ПРИЛОЖЕНИЕ А ....................................................................................................... 281
