Принц-технология: 10 лет спустя

Не так уж часто такие журналы с высоким импакт-фактором, как Science, дословно цитируют высказывания российских учёных. Ещё реже их называют основоположниками каких-либо новых направлений в нанотехнологии. Недавно [1] такой чести удостоился д.ф.-м.н. Виктор Яковлевич Принц из ИФП СО РАН, принявший участие в ежегодном собрании Американского физического общества с приглашённым докладом (март 2006).

Сибирские «самокрутки» родились в 1995 году в общем-то достаточно случайно. В.Принц сотоварищи вздумали создать туннельно-тонкий промежуток в двухслойной напряжённой полупроводниковой структуре, сперва освободив её от подложки, а затем пропустив по ней трещину. Встроенные механические напряжения должны были слегка изогнуть края трещины и развести их на маленькое расстояние, в принципе вплоть до нескольких ангстрем. Подбирая толщины и рассогласование параметров решётки в двухслойной псевдоморфной гетероструктуре, можно было бы прецизионно контролировать туннельный зазор. Идея исключительно простая и здравая, но исполнение подвело. Канал, вытравленный под бислойной InGaAs/GaAs структурой, оказался слишком широким и вместо того, чтобы слегка разойтись, берега трещины свернулись в трубочки. Пусть пока и микронных диаметров. Чудо свершилось, потому что исконно плоская (планарная) микроэлектроника выпрыгнула в третье измерение. И выпрыгнула упруго-нестандартным способом. Принц-технология сделала первый вздох. Естественно возник вопрос: «А где предел? Можно ли скрутить плёнки толщиной в несколько атомов?» Большие учёные сказали Принцу, что прыгать в ширину бессмысленно - отделить от подложки пленки ангстремных толщин невозможно, к тому же они окислятся. Принц не поддался на запугивание и через пару-тройку лет наделал трубок и спиралей с диаметром от микро- до нанометров из плёнок толщиной от сотен до нескольких ангстрем [2]. На одной из международных конференций по физике полупроводников тогда ещё не нобелевский Герберт Крёмер был просто очарован сибирскими нанозавитками и предсказал им большое будущее. И он не ошибся, так как в настоящее время более десятка групп во всём мире двигают технологию Принца по самым разным направлениям.

И дело здесь в том, что эта технология позволяет изготовлять бесконечное число самых различных высокоточных трехмерных наноструктур, и каждая группа выбирает себе для исследований или практических применений ту или иную полюбившуюся структуру. Например, из трубок изготовлены наношприцы, нанопринтеры, нанореакторы, оптические резонаторы, сенсоры и электромеханические устройства (см., например, обзор [3]).

Проф. Д.Грютцмахеру из Института им. Пауля Шеррера в Швей царии понравились спиральки. Швейцарцы давно научились делать хорошие, точные и надёжные пружинки, потому и часы у них – лучшие в мире. Вот и последние публикации группы Д.Грютцмахера посвящены пружинкам [4,5]. Для изготовления микропружинок по Принц-технологии используется анизотропия упругих свойств полупроводников со структурой алмаза или цинковой обманки. Напряженные плёнки, выращенные на подложке с ориентацией (100), сворачиваются в направлении <100>, для которого модуль Юнга минимален. Поэтому, если продолговатая меза-заготовка для скрутки сориентирована вдоль <100>, то получится трубка-свиток. Если же отклониться от этого направления на определённый угол (q), то получится спираль – пружинка, шаг которой (p) определяется углом q p=pdtgq (см. рис.1). Схема процесса изготовления пружины и результат приведены на рис. 2.и 3.

Рис.1. Скручивание напряжённого бислоя в микропружинку.

 

Рис.2. Базовая схема Принц-технологии.

 

 

Рис.3. Микроспирали, полученные из меза-полосок с различной ориентацией.

Понятно, что сделать пружинку – это только полдела. Надо ещё выяснить как она «пружинит», т.е. потянуть её вдоль оси с заданной силой и определить удлинение. Всё бы ничего, да диаметр объекта раз в двадцать-тридцать тоньше, чем у человеческого волоса, а длина тоже измеряется микрометрами. И тем не менее, швейцарские умельцы всё это проделали, разместив свои микроманипуляторы-кантилеверы прямо в сканирующем электронном микроскопе [4].

Кроме полупроводников, как известно, есть ещё металлы и диэлектрики. Выяснилось, что Принц-технология годится и для них: в 2003 году были скручены бислои кремний-хром и кремний-нитрид кремния [6], а в 2004 году изготовлены золото-титановые микро- и нанотрубки [7].

Приготавливая нанопружинки из структур Si0.6Ge0.4(11нм)/Si(8нм)/Cr(10нм), авторы [5] обнаружили, что в зависимости от ширины (h) сворачивающейся полоски, спираль может быть правой (h > 1.2мкм), левой (h < 0.9мкм) и всякоразной
(
h1мкм). Оказалось, что здесь начинает сказываться релаксация упругих напряжений не только вдоль полоски, но и в поперечном направлении. А в результате ассортимент услуг a lá Prinz существенно расширился – последний шедевр показан на рис.4.

Как это часто бывает, новые объекты способствуют открытию новых физических эффектов и явлений. Например, обнаружено, что сопротивление изогнутой наноплёнки изменяется более чем в 1000 раз при изменении полярности магнитного поля (1T) пронизывающего пленку [8], а гигантская деформация изгиба в наногофрированных плёнках приводит к формированию квантовых точек и проволок [9] и строго периодичных систем, а в кольцах наблюдается оптический резонанс [10]. 

 

С.Чикичев

 

  1. Science 2006, 313, 164

  2. Physica E 2000, 6, 828

  3. Physica E 2004, 10, 54

  4. Nano Letters 2006, 6, 725

  5. Nano Letters 2006, 6, 1311

  6. Appl. Phys. Lett. 2004, 84, 3391

  7. Nanotechnology, 2005, 16, 908

  8. Proc. Nanostructures: Physics and technology 2006, p .355

  9. Phys. Rev. B 2005, 72, 033313

  10. Phys. Rev. Lett. 2006, 96, 077403