Способ образования наноразмерных кластеров и создания из них упорядоченных структур

Изобретение относится к электронике. Способ образования наноразмерных кластеров и создания из них упорядоченных структур осуществляют путем введения раствора, содержащего материал для образования кластеров, в материал подложки, и последующего воздействия на этот раствор импульсом лазерного излучения для возникновения в нем низкотемпературной плазмы, создающей в области своего существования газообразную среду, в которой происходит восстановление материала кластера до чистого материала в результате его кристаллизации на жидкой подложке по мере остывания плазмы. В результате в каналах нанопор материала подложки образуются монокристаллические квантовые точки, срощенные с материалом подложки. Техническим результатом изобретения является обеспечение возможности создавать не только двухмерную решетку кластеров, но и трехмерную, а также срощенные между собой кластеры из различных материалов. 10 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

Настоящее изобретение относится к электронике, а более конкретно к технологии образования наноразмерных кластеров и создания из них наноэлектронных структур, используемых для передачи, преобразования, хранения, генерации информационных сигналов.

Предшествующий уровень техники

Известен способ образования наноразмерных кластеров и создания из них наноэлектронных структур, заключающийся в том, что соответствующие вещества внедряют в наноразмерные полости, существующие в структуре некоторых природных или искусственных материалов (см., например, тезисы докладов XI международной конференции полупроводниковых материалов 22-25 марта 1999 г., Oxford - "A crystalline (amorphous) silicon 3-D bubble lattice in a syntetic opal matrix" B.H.Богомолов и др.).

В соответствии с этим способом пустоты синтетического опала под давлением заполняют расплавом или раствором теллура и получают решетку из нанокластеров теллура в опаловой матрице.

Однако обеспечить этим способом создание решетки изолированных кластеров сложно из-за сети соединяющих нанопоры каналов.

Этим способом также невозможно создать пространственную структуру из изолированных кластеров, расположенных в нанопорах в различных слоях подложки.

Кроме того, полученные этим способом кластеры расположены случайным образом, так же, как и наноразмерные полости в теле опала, из-за чего невозможно создавать однородные по своим электрическим и оптическим свойствам дискретные наноэлементы и организовывать их в упорядоченную структуру.

Известен способ формирования решетки нанокластеров и создание из них двухмерной решетки (см., например, патент РФ №2214359, кл. 7 В 82 В 3/00).

Этот способ позволяет образовывать однородные по своим размерам кластеры и располагать их с одинаковым шагом в узлах двухмерной решетки.

Однако этот способ технологически сложен, малопроизводителен и не позволяет создать трехмерную решетку из кластеров.

Известен также способ создания металлизированного изображения заданной топологии на листовом материале (см., например, заявку РСТ № WO 01/38940 А2, кл. G 03 F 7/26). В соответствии с этим способом частицы металла под действием импульсов лазерного излучения переносятся со слоя, расположенного на стеклянной пластине над листовым материалом, и оседают на нем.

Однако этим способом невозможно создать на листовом материале кластеры или проволоки в связи с большим размером переносимых на нее частиц.

Раскрытие изобретения

В основу изобретения поставлена задача создания такого способа образования наноразмерных кластеров и формирования из них упорядоченных структур, который позволил бы образовывать кластеры как на поверхности подложки, так и в ее теле на заданной глубине, и создавать из кластеров пространственные структуры.

Поставленная задача решается тем, что в способе образования наноразмерных кластеров и создания их них упорядоченных структур, заключающемся в том, что в подложку из некоторых природных или искусственных материалов с заданными физическими параметрами вводят материалы, из которых образуют кластеры, и создают композиты с управляемыми свойствами, в соответствии с изобретением материалы для образования кластеров вводят в материал подложки в составе раствора, воздействуют на раствор в заданных точках подложки импульсами лазерного излучения, образуют в зоне лазерного пятна низкотемпературную плазму и создают в области существования плазмы газообразную среду для восстановления в ней ионов материала кластера до чистого материала и по мере остывания плазмы образуют кластеры в виде монокристаллических квантовых точек и проволок, срощенных с материалом подложки.

При таком способе образования наноразмерных кластеров и структур из них не нужно специального сложного и дорогостоящего оборудования, а также специальных технологий для внедрения в подложку материала, из которого образуют кластеры.

Целесообразно, что в качестве материалов для образования кластеров используют металлы, металлоиды и полупроводники.

При таком способе образования наноразмерных кластеров и структур из них обеспечиваются условия для образования кластеров в виде монокристаллов.

Целесообразно, что подложку выполняют из материала, прозрачного для лазерного излучения используемой длины волны и химически инертного к раствору при температуре его существования, а раствор выполняют с возможностью хорошего смачивания материала подложки, поглощения излучения данной длины волны и возможности образования атомарного водорода при воздействии на него низкотемпературной плазмой.

При таком способе образования наноразмерных кластеров и структур из них обеспечивается возможность их образования внутри подложки.

Целесообразно, что перед воздействием лазерного излучения на раствор, введенный в материал подложки, ее перекрывают прозрачным для этого излучения материалом.

При таком способе образования наноразмерных кластеров обеспечивается направленное воздействие лазерного излучения на раствор.

Целесообразно, что вводят раствор во множество нанопор природного или искусственного происхождения в материале подложки, фокусируют лазерный луч на заданном участке ее поверхности и вызывают образование кластеров в отверстиях нанопор, расположенных в пределах лазерного пятна.

При таком способе образования наноразмерных кластеров происходит одновременное образование наноразмерных кластеров во всех нанопорах, оказавшихся в зоне лазерного пятна.

Целесообразно, что фокусируют лазерный луч на различные точки одного и того же слоя в теле подложки и вызывают образование кластеров в каналах нанопор, расположенных в этом слое.

При таком способе образования наноразмерных кластеров возможно их образование на заданной глубине нанопор.

Целесообразно, что образуют кластеры последовательно в нескольких слоях подложки, начиная с нижнего, и создают в подложке пространственную структуру из кластеров, при этом между образованием кластеров в смежных слоях заполняют нанопоры подложки раствором.

При таком способе образования наноразмерных кластеров возможно создание из них пространственной трехмерной структуры.

Целесообразно, что образуют в каждой нанопоре срощенные кластеры из различных материалов, при этом после образования кластеров из одного материала заполняют нанопоры раствором, содержащим другой материал.

При таком способе образования наноразмерных кластеров возможно создание трехмерной структуры из кластеров, образованных из различных материалов.

Целесообразно, что подложку со сквозными нанопорами размещают на листовом материале, заполняют нанопоры раствором, воздействуют на раствор импульсами лазерного излучения и вызывают образование кластеров на поверхности листового материала напротив выходных отверстий нанопор.

При таком способе образования наноразмерных кластеров возможно создание двухмерной решетки нанокластеров на поверхности листового материала.

Целесообразно, что образуют на поверхности подложки множество протяженных канавок заданной топологии с наноразмерным углублением, заполняют их раствором, содержащим материал для изготовления кластеров, воздействуют на каждую точку канавки импульсом лазерного излучения и вызывают образование проволок в углублениях канавок.

При таком способе образования наноразмерных упорядоченных структур возможно образование срощенных с материалом подложки проволок произвольной топологии.

Целесообразно, что создают мелкодисперсную связь из органического материала подложки и раствора, наносят ее равномерным слоем на стекло, фокусируют лазерный луч на заданные участки этого слоя, вызывают выделение в нем кластеров в пределах лазерного пятна, полимеризуют нанесенную на стекло пленку и образуют металл-полимерный комплекс.

При таком способе образования наноразмерных кластеров упрощается технология создания больших экранов для отображения информации.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием конкретных, но не ограничивающих настоящее изобретение вариантов осуществления и прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 иллюстрирует предлагаемый способ при образовании двухмерной решетки кластеров в нанопорах искусственного происхождения;

Фиг.2 иллюстрирует предлагаемый способ при образовании трехмерной решетки кластеров в нанопорах искусственного происхождения;

Фиг.3 иллюстрирует предлагаемый способ при образовании трехмерной решетки из сросшихся кластеров в нанопорах искусственного происхождения;

Фиг.4 и 5 (разрез А-А на фиг.4) иллюстрируют предлагаемый способ при образовании на поверхности подложки срощенных с ней проволок заданной топологии;

Фиг.6 иллюстрирует предлагаемый способ при образовании на поверхности листового материала двухмерной решетки нанокластеров;

Фиг.7 иллюстрирует предлагаемый способ при образовании нанокластеров внутри нанесенного на стекло слоя органического материала;

Фиг.8 иллюстрирует монокристаллы меди, полученные предлагаемым способом высокоскоростной кристаллизации на жидкой подложке.

Лучшие варианты осуществления изобретения

Предлагаемый способ образования наноразмерных кластеров и создания из них упорядоченных структур осуществляют следующим образом.

В подложке 1 из материала, прозрачного для лазерного излучения 2 используемой длины волны, выполняют любым известным способом, в частности способом нанолитографии, двухмерную решетку из нанопор 3 одинакового сечения и заданной глубины, перпендикулярных к поверхности 4 подложки.

Вводят в нанопоры 3 раствор, содержащий материал для образования кластеров 5, например, в виде соли этого материала. Удаляют с поверхности 4 подложки 1 остатки этого раствора и закрывают эту поверхность прозрачным для лазерного излучения материалом, например стеклом 6.

Направляют через стекло 6 на находящийся в нанопорах 3 раствор импульс лазерного излучения 2 мощностью, достаточной для возникновения в растворе, заполнившем нанопоры 3, находящиеся в пределах лазерного пятна, низкотемпературной плазмы, создающей в области ее существования в течение действия импульса газообразную среду.

В этой среде происходит восстановление материала кластера до чистого материала в результате его кристаллизации на жидкой подложке в атмосфере атомарного водорода. Это происходит потому, что состав раствора подбирается с расчетом образования атомарного водорода при воздействии на него низкотемпературной плазмы.

В результате кластер кристаллизуется в защитной атмосфере атомарного водорода, что позволяет ему достичь высокоструктурного совершенства при низкой концентрации примесей и отсутствия процессов его окисления.

На фиг.8 показаны монокристаллы меди, полученные предлагаемым способом высокоскоростной кристаллизации на жидкой подложке в защитной атмосфере атомарного водорода.

Аналогичные процессы происходят при создании трехмерной решетки кластеров (фиг.2). В этом случае вначале создают кластеры в нижнем слое подложки, а затем, вновь наполнив нанопоры раствором, образуют кластеры в верхнем слое подложки.

Предлагаемый способ позволяет создавать в теле подложки срощенные кластеры из разных материалов (фиг.3). Для этого после образования кластеров в нижнем слое подложки нанопоры заполняют раствором, содержащим другой материал для образования кластеров.

Возможно также предлагаемым способом создать двухмерную решетку кластеров на гладкой поверхности листового материала (фиг.6).

Для этого подложку 1 со сквозными нанопорами 3 размещают на поверхности листового материала, вводят в нанопоры раствор, накрывают подложку 1 стеклом 6 и повторяют описанный выше процесс.

Предлагаемый способ позволяет получать проволоки 7 любой заданной топологии на поверхности подложки (фиг.4 и 5). В этом случае раствор вводят в наноразмерные канавки и повторяют описанный выше процесс. Этим способом можно также получать срощенные из двух материалов проволоки, как это описанно выше при получении срощенных кластеров из разных материалов.

Предлагаемым способом возможно создавать кластеры внутри органического материала, нанесенного равномерным слоем 8 на стекло (фиг.7). В этом случае вначале создают мелкодисперсную смесь из органического материала подложки и раствора, которую наносят равномерным слоем на стекло. При воздействии импульсами лазерного излучения на заданные участки этого слоя происходит взаимодействие мельчайших пузырьков раствора с лазерным лучом. В результате описанных выше процессов в нанесенном на стекло слое образуются кластеры.

Промышленная применимость

Способ образования наноразмерных кластеров и создания из них упорядоченных структур позволяют создавать двух- и трехмерные решетки из монокристаллических квантовых точек и проволок, срощенных с материалом подложки.

1. Способ образования наноразмерных кластеров и создания из них упорядоченных структур, заключающихся в том, что в подложку из природных или искусственных материалов с заданными физическими параметрами вводят материалы, из которых образуют кластеры, и создают из них упорядоченные структуры с управляемыми свойствами, отличающийся тем, что материалы для образования кластеров вводят в материал подложки в составе раствора, воздействуют на раствор в заданных точках подложки импульсами лазерного излучения, образуют в зоне лазерного пятна низкотемпературную плазму и создают в области существования плазмы газообразную среду для восстановления в ней ионов материала кластера до чистого материала и по мере остывания плазмы образуют кластеры в виде монокристаллических квантовых точек и проволок, срощенных с материалом подложки.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве материалов для образования кластеров используют металлы, металлоиды и полупроводники.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что подложку выполняют из материала, прозрачного для лазерного излучения используемой длины волны и химически инертного к раствору при температуре его существования, а раствор выполняют с возможностью хорошего смачивания материала подложки, поглощения лазерного излучения данной длины волны и возможности образования атомарного водорода при воздействии на него низкотемпературной плазмой.

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что перед воздействием лазерного излучения на раствор, введенный в материал подложки, ее перекрывают прозрачным для этого излучения материалом.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что вводят раствор во множество нанопор природного или искусственного происхождения в материале подложки, фокусируют лазерный луч на заданные участки ее поверхности и вызывают образование кластеров в отверстиях нанопор, расположенных в пределах лазерного пятна.

6. Способ по п.5, отличающийся тем, что фокусируют лазерный луч на различные точки одного и того же слоя в теле подложки и вызывают образование кластеров в каналах нанопор, расположенных в этом слое.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что образуют кластеры последовательно в нескольких слоях подложки, начиная с нижнего, и создают в подложке пространственную структуру из кластеров, при этом между образованием кластеров в смежных слоях заполняют нанопоры подложки раствором.

8. Способ по п.7, отличающийся тем, что образуют в каждой нанопоре срощенные кластеры из различных материалов, при этом после образования кластеров из одного материала заполняют нанопоры раствором, содержащим другой материал.

9. Способ по п.5, отличающийся тем, что подложку со сквозными нанопорами размещают на листовом материале, заполняют нанопоры раствором, воздействуют на раствор импульсами лазерного излучения и вызывают образование кластеров на поверхности листового материала напротив выходных отверстий нанопор.

10. Способ по п.4, отличающийся тем, что образуют на поверхности подложки множество протяженных канавок заданной топологии с наноразмерным углублением, заполняют их раствором, содержащим материал для изготовления кластеров, воздействуют на каждую точку канавки импульсом лазерного излучения и вызывают образование проволок в углублениях канавок.

11. Способ по п.3, отличающийся тем, что для введения в материал подложки материала для образования кластеров создают мелкодисперсную смесь из органического материала подложки и раствора и наносят ее равномерным слоем на стекло, затем фокусируют лазерный луч на заданные участки этого слоя, вызывают выделение в нем кластеров в пределах лазерного пятна, полимеризуют нанесенную на стекло пленку и образуют металл-полимерный комплекс.