روش های تولید نانو ترانزیستورها(Nano transistor) با (سایش لیزری)

 در علوم نانو به ویژه (نانو الکترونیک) برای تولید نانو ترانزیستور و نانو چیپ ها از  نانو لوله کربنی به دلیل ویژگی های منحصر به فرد مانند خاصیت کشسانی، رسانایی، استحکام بالا مورد توجه زیادی قرار دارد. روش های تولید این نانو ساختارها به دو دسته کلی روش های مبتنی بر کربن جامد و کربن گازی تقسیم بندی می شود.دو نکته مشترک در روش های تولید نانولوله بر مبنای منبع کربن جامد مانند سایش لیزری، تخلیه قوس الکتریکی و استفاده از محیط دما بالا (بین 0111 تا 0111 کلوین ) و فرسایش گرافیت جامد به عنوان منبع کربن است. علیرغم این مشترکات، مرفولوژی ، ریخت شناسی نانو ساختار کربنی و بازدهی تولید نانو لوله های کربنی با توجه به شرایط تجربی به طور محسوسی متفاوت است. قبل از ظهور نانو لوله های کربنی، فولرین با استفاده از این روش ها تولید شد. تولید نانو لوله های کربنی علاوه بر شرایط لازم برای تولید فولرین دمای بالا و غیاب اکسیژن ، مستلزم حضور کاتالیست نیز است.ترانزیستورها و فناوری ساخت مدارات مجتمع  به متداولترین بر پایه آنها یعنی CMOSفناوری در صنعت میکرو و نانو الکترونیک تبدیل گشته اند. این صنعت و فناوری ساخت مدارات مجتمع، این مزیت نانو الکترونیک در کاهش اندازه ترانزیستورها و تعداد ترانزیستورهایی که در هر تراشه به کار میرود، دو برابر میشود. کوچک شدن ابعاد ترانزیستورها، افزایش سرعت و کاهش تلفات توان را در پی دارد.ترانزیستور های اثر میدانی مبتنی بر نانو لوله  و ترانزیستور های اثر میدانی مبتنی بر کربنی ،نامزد های بسیار جدی برای جایگزینی گرافن و ترانزیستورهای متداول سیلیکونی هستند.

ساختمان داخلی و ترانزیستورهای اثر میدانی بر پایه نانو لوله کربنی

ساختار ساده ابتدایی که دردو اتصال فلزی نقش سورس و درین و نانولوله کربنی نقش کانال ترانزیستور را ایفا کرده که توسط یک الیه اکسید از بستر سیلیکونی با تراکم ناخالص بالا جدا میشود. در این قطعە الکترونیکی، بستر سیلیکونی نقش گیت را دارد .که در این ساختار به آن گیت پشتی گفته میشود. سپس ترانزیستور با گیت بالایی نیز که برای کاربرد در مدارات مجتمع مناسب بودند، با اضافه شدن یک گیت فوقانی که توسط لایه نازک اکسید از کانال نانو لوله جدا میشود، ترانزیستور ها همانند ترانزیستور های مبتنی بر نانو لوله کربنی هستند .با این تفاوت که در کانال آن به جای نانو لوله کربنی از گرافن استفاده شده است. خواص بینظیر گرافن مانند موبیلیتی الکترونی و هدایت حرارتی باال، مقاومت در برابر شکست،  مناسب باعث جذب نور پایین و شکاف باند میشود که امکان ساخت قطعات الکترونیک با سرعت بالا در مدارات الکترونیک انعطاف پذیر و شفاف با استفاده از این نانو ماده میسر شود. ترانزیستور های گرافنی نیز ازنظر ساختار، میتوانند انواع گیت پشتی و ترکیبی )بالایی و پایینی( را داشته باشند . گیت های ترکیبی (Not ؛ or ؛ And ؛ Nand) در ساخت نانو چیپ ها به وسیله نانو ترانزیستورها  میباشد.

مکانیسم های مختلفی مانند فرآیند جدایش مولکول های کربنی و بازترکیب شدن اتم ها و غیره در این روش-های دما بالا درگیر هستند. سازوکار اصلی این روش ها انتقال انرژی از منبع تابش خارجی یک پرتو لیزر یا تابش منبع خورشیدی به ماده هدف می باشد. این امر منجر به فرسایش ماده هدف و متعاقبا تشکیل پالسما می شود. درجه یونیزاسیون پالسما اهمیت انتقال انرژی بین پالسما و ماده هدف را برجسته می کند. مشخصه پالسما و مخصوصا محدوده دمایی و غلظت گونه های مختلف موجود در پالسما نه تنها به ماهیت و ترکیب ماده هدف بلکه به میزان انرژی انتقال یافته نیز بستگی دارد.برای تولید نانو ترانزیستور و نانو چیپ ها یکی از مزایای این روش ها، سهولت تغییر پارامترهای فرآیند و دستیابی به شرایط بهینه تولید نانولوله های کربنی می باشد. یک چالش عمده این روش ها، ناخالصی های موجود در محصولات است. نانولوله های کربنی همراه با سایر فازهای کربنی و باقیمانده کاتالیست تولید می شود. اکثر روش های خالص سازی موجود بر پایه اکسیداسیون مانند روش های بر پایه اسید است که بر ساختار نانولوله تک دیواره تاثیرگذار خواهد بود. یک رویکرد مطلوب برای خالص سازی، مصالح حرارتی در 0011 درجه تحت اتمسفر خنثی است.صفحه گرافیتی حاوی کاتالیست در وسط لوله کوارتز حاوی گاز خنثی )مانند هلیوم و آرگون( قرار داده می-شود. سپس این سامانه در آون با دمای 0011 درجه قرار می گیرد. پرتو لیزر بر صفحه گرافیتی متمرکز شده و منجر به تبخیر سطحی یکنواخت صفحه می گردد. بخار کربنی با جریان گاز خنثی جاروب شده و مانند دوده روی سطوح مختلف شامل جمع کننده مسی سرد شده با آب، دیواره لوله کوارتز و انتهای صفحه گرافیتی رسوب میکند. این فرآیند به پارامترهای زیادی مانند مشخصه پرتو لیزری، دانسیته توان اعمالی، ماهیت هدف و محیط اطراف بستگی دارد. به عنوان مثال هدف جامد می تواند بسته به توان اعمالی صرفا گرم شده، ذوب و یا تبخیر شود. تاکنون رویکرد های متعددی برای بهبود بازدهی تولید نانو لوله های کربنی و نانو ترانزیستور ها  با سایش لیزری انجام شده است.

برای تکثیر و تکامل نانو ترانزیستور ها وجود رسانایی حرارتی بالا برای تک نانو لوله های حرارتی به شکل تئوری نشان داده شده است. نتایج حاصل از تجربیات آزمایشگاهی نیز بیانگر وجود این ویژگی در نمونه های توده ای از نانولوله های کربنی تک دیواره و همچنین برای تک نانولوله های چند دیواره میباشد.رسانایی حرارتی تک نانو لوله های کربنی را با روش های محاسباتی اندازه گیری کرده اند. یک دسته، نانولوله های کربنی تک دیوارهای بودند که به صورت توده ای در کنار هم قرار گرفته بودند و مقدار رسانایی حرارتی مجموعه ی آنها به دست آمد. یک دسته نیز نانو لوله های کربنی چند دیواره بودند که به صورت جدا از هم قرار گرفته بودند. رسانایی حرارتی این دسته از نانو لوله ها به صورت جداگانه بررسی شد. مقدار رسانایی حرارتی بیش از 011 mK/W را برای توده های نانو لوله های کربنی تک دیواره به دست آوردند. همچنین طبق ، مقدار رسانایی حرارتی نانو لوله های کربنی چند دیواره به صورت جداگانه بیشتر از 300 mK/W موجود میباشد.از آنجایی که ساختار نانو لوله های کربنی برای تولید و تکثیر نانو ترانزیستورها در دماهای مختلف، مقادیر مختلفی دارد، آن را به صورت تابعی از دما و به شکل (T(λ نشان داده میشود. با شروع از دما های کم و افزایش تدریجی دما، مشاهده میشود که مقدار (T(λ در نزدیکی دمای 011K به یک مقدار بیشینه برابر با 111,3 mK/W میرسد )این بیشینه به شکل یک قله در نمودار دیده میشود( و سپس با افزایش دما، کاهش مییابد. بیشترین مقدار )T(λ که تاکنون در بررسی ها مشاهده شده است، مربوط به یک نمونه ی نانو لوله ی حرارتی خاص میباشد که در دمای010 K اندازه گیری شده است. این مقدار برابر با 00111 mk/W است. بنابراین مقدار )T(λ نانو لوله ی کربنی در بیشینه اش با بیشترین مقدار )T(λ که تاکنون اندازه گیری شده است، قابل مقایسه است. با توجه به نمودار ارائه شده، حتی در دمای اتاق نیز رسانایی حرارتی نانولوله ی کربنی بسیار بالا و برابر با 0011 mK/W میباشد، در روش های تکثیر نانو ترانزیستورها و نانو لوله ها با سنتز نانو لوله های کربنی بر مبنای رسوب شیمیایی کاتالیستی بخار (CCVD ) شامل تجزیه منبع کربنی روی ذرات یا خوشه های کوچک فلزی به عنوان کاتالیست است این روش تکثیر نانو ترانزیستورها شامل فرآیند هتروژن و هموژن می باشد. فلزات مورد استفاده برای این واکنش ها فلزات واسطه هستند، مانند آهن، کبالت، نیکل. در مقایسه با تخلیه قوس الکتریکی و سایش لیزری، نانولوله های کربنی عموما در دمای پایین تری حدود 011 تا 0111 درجه تشکیل می شوند. عموما انتخاب پذیری این روش برای تولید نانولوله های کربنی چند دیواره بیشتر است. هر دو فرآیند هموژن و هتروژن به ماهیت و ساختار کاتالیست مورد استفاده عالوه بر شرایط عملیاتی بسیار حساس هستند. نانولوله های کربنی تولید شده با این روش در مقایسه با روش قوس الکتریکی طول (چند ده تا چند صد میکرومتر) و نقص بیشتری دارند. نقص بیشتر نانولوله ها به دلیل استفاده از دمای کمتر در مقایسه با روش قوس الکتریکی است که اجازه هیچ بازآرایی ساختاری را نمی دهد.

در دیاگرام مداری یک نانو ترانزیستور اثر میدان گرافنی Si چند لایه، دو الکترود سورس و درین به صورت مستقیم به نیمه هادی متصل هستند در حالیکه الکترود گیت به صورت خازنی و با استفاده از دی الکتریک گیت به نیمه هادی متصل است.میدان الکتریکی ایجاد شده توسط الکترود گیت جریان ایجاد شده توسط دو الکترود سورس و درین را کنترل میکند. انتقال جریان درین با تغییر چگالی حامل های بار در کانال انتقال دو بعدی مدوله شده است. در نانو ترانزیستور اثر میدان گرافنی Si چند لایه یک کانال انتقال 3 بعدی جریان درین با ضخامت کانال انتقال سه بعدی مدوله شده است.

روش های متعدد شیمیایی و فیزیکی برای تولید انواع مختلف نانو گرافن چند لایه مطرح شده است. اساس کار روش های فیزیکی به این صورت است که در این روش ها سعی می کنند، نیرو های بین صفحات گرافنی در گرافیت را از بین ببرند و با جدا کردن آنها به تک لایه های گرافنی یا گرافن اکسید برسند که این همان روش بالا به پایین است. در روش های شیمیایی هم نانو گرافن چند لایه، از کنار هم قرار گرفتن تک تک اتم های کربن ساخته می شود که به این روش ها نیز، روش پایین به بالا گفته می شود.گرافن که تنها از یک اتم کربن تشکیل شده می تواند برای ایجاد نانو ترانزیستور های اثر میدانی گرافنی چند لایه که انرژی کمتری مصرف کرده و فضای کمی اشغال می کنند به کار رود.گرافن یک ماده نیمه رسانا با گپ صفر و غیر مناسب برای مدارهای منطقی میباشد اما با استفاده از فناوری نانو اشکال مختلف از این ماده را ایجاد میکنند که دارای گپ متفاوت میباشند . نانو نوارهای گرافنی، گرافن های چند لایه و گرافن رشد داده شده بر روی Si از قبیل این اشکال میباشند. عبارت نانو ترانزیستور از ترکیب  واژه مقیاس نانو در  انتقال و مقاومت به وجود میآید. در یک نانو ترانزیستور اثر میدانی گرافنی Si مقاومت بین دو الکترود میتواند توسط یک الکترود سوم منتقل و یا کنترل شود.در یک نانو ترانزیستور اثر میدانی گرافنی چند لایه Si ، جریان بین دو الکترود توسط میدان الکتریکی از الکترود سوم کنترل میشود. بر عکس ترانزیستور دو قطبی،در الکترود سوم به لحاظ خازنی متصل میشود و در تماس با نیمه هادی نیست. سه الکترود در ساختار نانو ترانزیستور اثر میدانی گرافنی چند لایه Si به سورس ، درین و گیت متصل میشوند.