Способ изготовления полупроводникового графена



Способ изготовления полупроводникового графена
Способ изготовления полупроводникового графена
Способ изготовления полупроводникового графена

 


Владельцы патента RU 2544266:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет путей сообщения" МГУПС (МИИТ) (RU)

Изобретение относится к области производства полупроводниковых материалов, используемых в наноэлектронике. Техническим результатом изобретения является достижение определенной концентрации изотопа углерода С13, что обеспечит открытие запрещенной зоны в десятки мэВ. В способе изготовления полупроводникового графена используют заготовку графита, воздействуют по всей поверхности заготовки потоком тепловых нейтронов, затем производят ее механическую обработку для отделения атомарных слоев графита с заданной концентрацией изотопа углерода С13, определяющей ширину запрещенной зоны. 3 ил.

 

Предлагаемый способ изготовления полупроводникового графена относится к области производства полупроводниковых материалов, используемых в наноэлектронике.

Графен представляет собой двумерную сотообразную сетку, сформированную из sp2 - гибридизованных атомов углерода (Фиг.1). В естественном состоянии имеет металлические свойства проводимости. Для построения электронных приборов графен необходимо сделать полупроводником [1].

Известны следующие методы превращения графена в полупроводник:

1) нанесение на полоски графена химических элементов, влияющих на электропроводность графена;

2) механическое одноосное напряжение на полоску графена. При нагрузке, равной 1% от соответствующей максимальной для межатомных связей, происходит изменение частоты рассеянного света, вызванного растяжением межатомных связей углерода [2].

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому изобретению является второй способ изготовления полупроводникового графена. К недостаткам этого способа следует отнести то, что он осуществляется в лабораторных условия, и на данном этапе невозможно организовать промышленное производство.

В отличие от прототипа в основе заявляемого изобретения лежит способ облучения заготовки графита тепловыми нейтронами, который уже несколько десятилетий используется для производства полупроводниковых материалов [3, 4].

Таким образом, согласно заявляемому изобретению заготовка графита облучается потоком тепловых нейтронов от ядерного реактора с целью осуществления реакции поглощения нейтронов ядрами изотопа C12. В естественном виде графит имеет следующую концентрацию изотопов: C13 - 1,11%; C12 - 98,89%.

Техническим результатом заявляемого изобретения является достижение определенной концентрации изотопа углерода C13, что обеспечивает открытие запрещенной зоны в десятки мэВ.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что используют заготовку графита с естественной концентрацией изотопов, воздействуют по всей поверхности заготовки потоком тепловых нейтронов для повышения концентрации изотопа C13, обеспечивающей открытие запрещенной зоны Eg, с последующим механическим расщеплением графита на отдельные атомарные полоски графена. Это возможно потому, что у графита слои графена слабосвязаны, при соприкосновении с химически чистой и ровной поверхностью подложки из окиси кремния (SiO2) на ее поверхности остается слой графена, площадь которого может достигать 1 см2.

Использование заявляемого изобретения позволяет упростить изготовление полупроводникового графена в промышленных масштабах, что может открыть эру графеновой электроники.

Новизна заявляемого изобретения заключается в способе изготовления полупроводникового графена путем обработки поверхности заготовки графита, имеющей первоначально металлическую проводимость, потоком тепловых нейтронов, в результате чего появляется полупроводимость.

Технический эффект заявляемого изобретения заключается в том, что с повышением концентрации изотопа графена C13 изменяется энергия фононов кристаллической решетки графита. С добавлением одного нейтрона в ядро углерода происходит перенормировка электронной энергии и открытие запрещенной зоны Eg. Этот эффект легко доказать с помощью спектров комбинационного рассеяния света полосками графена с разной концентрации изотопа C13, полученных при комнатной температуре (Фиг.2) [5, 6]. Так, экспериментальная разница значений частоты оптического фонона в графене для диапазона концентраций изотопа C13, меняющейся от 0,01% до 99,2%, составляет 64 см-1. В то же время известно [2], что красный сдвиг частоты на 14,2 см-1, полученный в результате 1% нагрузки образца от максимального межатомного, привел к образованию запрещенной зоны, равной 300 мэВ.

Таким образом, из пропорции легко получить, что при замещении 99,2% изотопа C12 на C13 в результате реакции поглощения (Фиг.3) запрещенная зона достигнет величины Eg=64·300/14,2=1,352эВ.

Техническая возможность использовать в процессе изготовления полупроводникового графена нейтроны объясняется высокой проникающей способностью незаряженных частиц. Нейтронам не требуется кинетическая энергия для прохождения кулоновского барьера при проникновении в ядро, и они могут взаимодействовать с ядрами вещества-мишени при разных энергиях.

Заявляемое изобретение иллюстрируется чертежами.

На Фиг.1 изображено расположение атомов углерода в графене;

На Фиг.2 изображены спектры комбинационного рассеяния графена при разной концентрации изотопа C13;

На Фиг.3 изображена схема облучения заготовки графита.

Способ реализуется следующим образом. Заготовка из графита облучается потоком тепловых нейтронов. В результате осуществляется реакция поглощения ядрами изотопа C12 нейтрона по следующей схеме [4]:

С 6 12 + H 0 1 = C 6 13 + γ ,

где X Z A - химический элемент с обозначениями: A - массовое число, Z - атомный вещества;

γ - излучение, которое представляет величину освобожденной энергии, измеряемой в МэВ.

При повышении процентного содержания изотопа C13 в заготовке графита постепенно будет открываться запрещенная зона в графене. Так, увеличение концентрации изотопа C13 до 50% позволит получить запрещенную зону в графене порядка нескольких сот мэВ [5]. Наиболее подходящими для облучения следует считать тепловые нейтроны с энергией от 0,025 до 1 эВ.

При этом равномерность облучения можно рассчитать следующим образом.

Так, среднее значение глубины поглощения нейтронов заготовкой из графита L определяется по следующей формуле [4]:

L=1/K0σi,

где K0 - число атомов графита в 1 см3, равное 3,402·1023 ат./см3 [4];

σi=0,0033барн - сечение поглощения изотопа C12 [4].

Подставляя значения K0 и σi в формулу, получим L=8,91 м. Эта цифра свидетельствует о том, что на глубине в несколько сантиметров, например, каждый десятый изотоп C12 будет переведен с высокой вероятностью в изотоп C13, а ширина запрещенной зоны составит несколько десятков мэВ. Если перевести половину изотопов C12 в изотоп C13, то величина запрещенной зоны в графене достигнет нескольких сот мэВ[5]. Величину запрещенной зоны можно получить из следующей пропорции: x=[32(см-1)·300(мэВ)]/14,2(см-1)=676(мэВ), где 32 см-1 - частотный сдвиг оптического фонона при 50% замещении изотопов.

Известно, что графит состоит из графеновых слоев, которые можно отделить друг от друга механическим путем.

Рассчитаем время, которое требуется для повышения концентрации изотопа C13 в заготовке из графита. Так, интегральный поток φt для 50% перевода C12 в изотоп C13 равен:

φt=0,5/σi,

где φ - интенсивность нейтронного потока;

t - время облучения.

Отсюда, при интенсивности нейтронного потока 1019 н/с см2 время t составит 175,365 суток. При увеличении интенсивности облучения на порядок для изменения изотопического состава заготовки потребуется 17,54 суток. Затем облученную заготовку механическим путем расщепляют на отдельные атомарные слои графена. Полученные цифры свидетельствуют о реальности изготовления полупроводникового графена с помощью ядерных технологий.

Список литературы

1. Борисенко В.Е., Воробьева А.И., Уткина Е.А. Наноэлектроника. - М.: «Бином», 2009. - 223 с.

2. Ni Z. H., Yu T.,Ku Y.H. et al. Uniaxial strain on grapheme: Raman spectroscopy study and band - gap opening ACS Nano // 3,483-492, 2009;

3. Журавлева Л.М., Плеханов В.Г. Ядерная нанотехнология низкоразмерных изотопически-смешанных структур. // Наноиндустрия. - 2009. - №4. - с.28-30.

4. Мухин К.Н. Экспериментальная ядерная физика. - С-П, М., Краснодар, Лань, 2008. - Т.2. - 318 с.

5. Плеханов В.Г., Журавлева Л.М. Изотопическое создание полупроводникового графена. // Нанотехника. - 2012. - №3. - с.34-39.

6. Chen Sh., Wu Q., Mishra С. et al. Thermal properties of isotopically engineered grapheme, LANL ArXiv:cond-mat/1112.5752, 2011;

Способ изготовления полупроводникового графена, осуществляемый путем использования в качестве заготовки графита, отличающийся тем, что заготовку графита облучают потоком тепловых нейтронов, затем производят ее механическую обработку для отделения атомарных слоев графита с заданной концентрацией изотопа углерода C13, определяющей ширину запрещенной зоны.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к электронной технике, а именно к технологии получения полупроводниковых материалов, устойчивых к воздействию радиации и температурных полей.

Группа изобретений относится к области каталитических технологий переработки углеводородного сырья и касается, в частности, катализатора и способа гидроаминирования жидких ацетиленовых углеводородов аминами в ценные продукты - имины, которые при дальнейшем гидролизе приводят к образованию соответствующих кетонов.

Изобретение относится к области совершенствования энергонакопительных устройств, в частности к получению электродных материалов электролитических конденсаторов.

Изобретение предназначено для аэрокосмической отрасли, оборонной промышленности и обработки твёрдых и сверхтвёрдых материалов. На молекулярный фуллерен С60 или фуллеренсодержащую сажу с добавкой серосодержащего соединения воздействуют давлением от 0,2 до 12 ГПа и температурой от 0 до 2000 oС.
Изобретение относится к области строительных материалов и может быть использовано для изготовления неавтоклавного композиционного ячеистого бетона естественного твердения.

Способ формирования массивов квантовых точек повышенной плотности для использования в различных оптоэлектронных устройствах. Способ формирования массива квантовых точек высокой плотности включает три этапа.

Изобретение относится к способу получения меченного технецием-99m наноколлоида для радионуклидной диагностики. Заявленный способ включает приготовление исходной суспензии наноколлоида в 0,1% растворе додецилбензол сульфата натрия и пропускание ее через фильтр с диаметром пор 100 нм, введение в нее элюата технеция-99m, затем введение 0,20-0,25 мг аскорбиновой кислоты, 2,5-4,0 мг желатина и 0,02-0,03 мг олова (II) хлорида дигидрата из расчета на 1 мл смеси.

Изобретение может быть использовано в химии и медицине. Синтетический радиоактивный наноалмаз состоит из частиц со средним диаметром не более 100 нм и содержит металлсодержащие радиоактивные примеси в количестве 0,04-1,24% мас., с мощностью дозы γ-излучения менее 180 мкЗв/ч, мощностью дозы γ+β-излучения менее 720 мкЗв/ч.

Изобретение относится к области материаловедения и аналитической химии. Наногибридный функциональный сепарационный материал содержит ковалентно закрепленные на носителе наночастицы золота и ковалентно закрепленные серосодержащие органические лиганды на поверхности наночастиц золота.

Изобретение относится к способам получения композитных наноматериалов и может быть использовано в приборостроении и других областях при производстве материалов на основе полупроводников, диэлектриков или металлов.

Изобретение относится к области биотехнологии, конкретно к созданию конъюгатов магнитная частица - нуклеиновая кислота, и может быть использовано для молекулярно-генетической диагностики.

Изобретение может быть использовано для сварки и наплавки металлических деталей. Сварочный материал содержит металлический сердечник, покрытый полимерной оболочкой с распределенными в ней наноразмерными частицами активирующего флюса. Компоненты оболочки взяты в следующем соотношении, об.%: полимер 40-93, активирующий флюс 3-50, карбиды 2-55, редкоземельные металлы 2-5. Сердечник выполнен в виде металлической проволоки или металлической ленты, или состоит из металлического порошка. Полимер оболочки выбран из политетрафторэтилена, полиамида или полиимида. Карбид или смесь карбидов оболочки выбраны из группы, содержащей: карбид вольфрама, карбид хрома, карбид молибдена, карбид ванадия, карбид титана, карбид ниобия, карбид гафния, карбид тантала, карбид бора и карбид циркония. Наноструктурированный сварочный материал обладает хорошими сварочно-технологическими свойствами, увеличивает плотность наплавленного металла и позволяет увеличить твердость наплавленного износостойкого слоя на поверхность деталей, работающих при интенсивном ударно-абразивном износе. 3 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в технологии изготовления малогабаритных тонкопленочных датчиков механических величин, работоспособных в широком диапазоне температур. Изобретение позволяет расширить температурный диапазон работы датчика на основе тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы, повысить воспроизводимость таких параметров тензорезисторов, как электрическое сопротивление и температурный коэффициент сопротивления (ТКС), снизить температурную чувствительность датчиков. Способ изготовления тонкопленочной нано- и микроэлектромеханической системы высокотемпературного датчика механических величин заключается в том, что на планарной стороне упругого элемента методами вакуумного распыления образуют гетерогенную структуру из нано- и микроразмерных пленок материалов, содержащую тонкопленочные диэлектрические, тензорезистивные и контактные слои, формируют тензорезисторы, контактные проводники и контактные площадки к ним. Тензорезистивный слой формируют методом магнетронного распыления в вакуумной камере с одновременным использованием двух мишеней из никеля и титана. Упругий элемент со сформированным на нем диэлектрическим слоем устанавливают на карусель, нагревают, создают давление аргона, а затем вращают карусель с упругим элементом, при этом задают определенные плотности токов в зонах распыления мишеней. После этого упругий элемент выдерживают в вакууме при повышенной температуре. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области выделения частиц заданной дисперсности из суспензии и может быть применено в промышленности при получении нанодисперсных порошков для изготовления высокопрочных изделий с улучшенными свойствами. Устройство для выделения нанодисперсных порошков оксидов металла из суспензии содержит корпус, выполненный в виде двух сообщающихся между собой емкостей из диэлектрического материала, наполненных суспензией, содержащей дистиллированную воду и частицы оксидов металлов, и соединенных между собой трубопроводом с возможностью разделения, при этом одна из емкостей выполнена с возможностью подключения к ней положительного потенциала, а другая - отрицательного потенциала и с возможностью перемещения в нее под действием электрического поля более крупных по размерам частиц из емкости с положительным потенциалом. Техническим результатом изобретения является увеличение производительности за счет сокращения времени выделения частиц и увеличение срока службы. 2 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к составам сырьевых смесей на цементной основе, применяемых для производства теплоизоляционных строительных материалов, отличающихся повышенной пожаростойкостью. Технический результат - повышение пожаростойких и прочностных характеристик при неизменной плотности, снижение теплопроводности, повышение однородности структуры и долговечности теплоизоляционного материала. Торфополимерная смесь для изготовления пожаростойких строительных блоков, включающая основу в виде торфа и связующий элемент, состоит из следующих компонентов, мас.%: торф, наномодифицированный суспензией поливинилацетата и циклонной пыли газоочистки воздуха промышленных предприятий (из расчета: сухого поливинилацетата в количестве 4% от массы торфа и пыли - 2%), - 25%, портландцемент ЦЕМ-II-42,5 - 35%, бикарбонат натрия - 7,5%, хлорид кальция - 7,5%, диаммонийфосфат - 5% и вода - 20%. 1 табл.
Гибридный золь, содержащий нано- и микрочастицы, получают смешением силиказоля, содержащего нано- и микрочастицы и золя оксида тугоплавкого металла, содержащего микрочастицы, в соотношении, при котором оксид тугоплавкого металла в гибридном золе составляет от 0,1 до 20 масс. %. Образование нано-микроразмерного силиказоля осуществляют методом гидролитической поликонденсации тетраэтоксисилана при температуре от 20°С до 40°С, водный раствор аммиака добавляют в тетраэтоксисилан со скоростью 1-10 мл/мин с последующей выдержкой от 5 до 24 часов и концентрированием полученного золя до содержания твердой фазы 25-40 масс. %. Золь оксида тугоплавкого металла получают гидролитической конденсацией, добавляя спиртовой раствор алкоксидов тугоплавких металлов в водно-спиртовой раствор со скоростью 1-10 мл/мин с последующей выдержкой от 5 до 24 часов и концентрированием полученного золя до содержания твердой фазы не менее 3 масс. %. Изобретение позволяет получить нано-, микроструктурированные гибридные золи на основе тетраалкоксилана и гидролизуемых алкоксидов тугоплавких металлов. 2 пр.

Изобретение может быть использовано в области нанотехнологий и химической промышленности. Способ получения наночастиц висмута включает концентрирование методами экстракции прекурсоров полупроводников из водных растворов с последующим их восстановлением. В качестве экстрагентов используют s-алкилизотиуроний галогениды. Раствор s-алкилизотиуроний галогенида перемешивают с целью экстракции прекурсора висмута с раствором выщелачивания огарков окислительного обжига висмутсодержащих промышленных продуктов, содержащим 0,001 Μ водного раствора [BiCl4]-. Полученный раствор прекурсора иона висмута с ионом ПАВ в толуоле отделяют на делительной воронке, отгоняют толуол под вакуумом. Полученный раствор прекурсора разлагают при его соотношении к гидроксиду натрия 1:2 и рН=11. Полученный осадок отделяют центрифугированием и сушат на воздухе, затем осадок помещают в автоклав или ампулу, подсоединяют к вакууму, нагревают до температуры 140-180°C. Продукты термолиза охлаждают и растворяют в хлороформе. Полученную дисперсию частиц висмута центрифугируют для отделения порошка висмута от раствора хлороформа. Изобретение позволяет получить наночастицы висмута. 1 з.п. ф-лы, 1 пр.
Изобретение относится к области нанотехнологии, а именно к элементам электроники, состоящих из слоев и содержащих наноматериалы в своей конструкции. Технический результат - снижение размеров элементов электроники. Достигается тем, что в элементе электроники, включающем слои материалов с проводящими и непроводящими участками, как минимум, один слой выполнен из металломатричного композита, содержащего 25-75% (объемных) упрочняющих частиц, состоящих из наноалмазов с высоким электрическим сопротивлением и луковичнообразных углеродных наночастиц с низким электрическим сопротивлением, расположенных в порядке, обеспечивающем протекание электрического тока в требуемом направлении. В способе изготовления элементов электроники, состоящем из послойного нанесения требуемых материалов, как минимум, один слой изготавливают из металломатричного композита, получаемого методом механического легирования исходных частиц материала матрицы и 25-75% (объемных) наноалмазных частиц, при этом вначале получают гранулы композиционного материала, затем наносят композиционный материал на предварительно подготовленную технологическую поверхность, осуществляют выравнивание поверхности, затем осуществляют локальный нагрев тех участков, которые должны быть проводящими, до температур, превышающих 1000°C, тем самым трансформируя наноалмазы в луковично-образные углеродные наночастицы. 2 н. и 9 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области медицины, а именно к формованному сорбенту с антибактериальными свойствами для лечения эндометрита, представляющему собой нанодисперсный мезопористый углеродный материал с удельной адсорбционной поверхностью не более 50 м2/г и прочностью на раздавливание не менее 20 кг/см2, содержащему поливинилпирролидон в количестве не менее 5,0%, характеризующемуся тем, что выполнен в виде цилиндров диаметром 2-4 мм, длиной 15-25 мм с одним внутренним каналом круглого сечения, к способу его изготовления, а также к способу лечения эндометрита. 3 н.п. ф-лы, 10 пр., 2 табл.

Группа изобретений относится к медицине и касается стабильной композиции наноструктурированного силденафила, ингибирующей цГМФ-специфичную фосфодиэстеразу типа 5 (PDEV), содержащей наноструктурированное основание силденафила или его фармацевтически приемлемые соли, имеющие средний размер частиц менее чем примерно 500 нм, стабилизатор, где композицию получают в проточном реакторе непрерывного действия на основе микроструйной техники и где композиция обладает полуаморфной структурой. Группа изобретений также касается способа получения композиции наноструктурированного силденафила; применения указанной композиции для получения фармацевтической композиции для лечения мужской или женской половой дисфункции и легочной артериальной гипертензии. Группа изобретений обеспечивает улучшенную растворимость композиции. 5 н. и 3 з.п. ф-лы, 11 пр., 14 ил.

Изобретение относится к нанотехнологиям, а именно к области физики твердого тела, и может быть использовано для создания приборов медицинской диагностики нового поколения, неразрушающего контроля материалов, сканирования багажа на транспорте, поиска взрывчатых веществ по их спектральному составу, а также для целей наномикроскопии. Технический результат заключается в расширении диапазона частот электромагнитного излучения. Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения электромагнитного излучения гига- и терагерцового диапазона частот, включающем размещение по крайней мере одной однослойной углеродной нанотрубки в электрическом поле, направленном вдоль трубки, согласно решению выбирают трубку диаметром 1,39 нм и длиной не менее 6,16 нм, с одного края которой расположены как минимум три фуллерена C60, связанные между собой и со стенкой нанотрубки, и свободный заряженный фуллерен C60, расположенный в потенциальной яме нанотрубки, образованной за счет ван-дер-ваальсового взаимодействия между связанными фуллеренами, стенкой нанотрубки и свободным заряженным фуллереном. Для получения электромагнитного излучения гигагерцового диапазона частот нанотрубку размещают в электрическом поле величиной 1·103 до 9·105 В/см, причем заряд свободного фулерена выбирают от +1e до +3e. Для получения электромагнитного излучения терагерцового диапазона частот нанотрубку размещают в электрическом поле величиной 1·106 В/см, причем заряд свободного фулерена выбирают +3e. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.
Наверх