Профессор физики из Калифорнийского университета в Беркли Майкл Кромми и его коллеги преодолели еще одну ступень на пути к созданию полупроводниковых приборов молекулярных размеров.

Полупроводник, как известно, - это материал, который проводит электричество лучше, чем кварцевое стекло, слюда или фарфор, но неизмеримо хуже, нежели серебро или медь. Современные технологии в основном используют такие полупроводники как кремний и германий; в числе других можно назвать соединения галлия, мышьяка, фосфора и индия. Кремний необходим для изготовления транзисторов, выпрямителей и интегральных схем. Арсенид галлия, как правило, используется в сверхвысокочастотных приборах, оптоэлектронных устройствах и в интегральных схемах.

Тем не менее, чистые полупроводники для электроники практически бесполезны. Полупроводник, по существу, представляет собой простой диэлектрик с несколько повышенной проводимостью и в этом качестве особого интереса не вызывает. Материалы для современной электроники создаются с помощью обогащения полупроводниковых кристаллов небольшим количеством строго дозированных добавок - этот процесс называется легированием. Легирование радикальным образом изменяет характер движения зарядов в полупроводниках и тем самым позволяет создавать на их основе технологические материалы. К примеру, добавка в кремний атомов фосфора привносит с собой избыток электронов и поэтому создает проводимость такого же типа, какой обладают все типичные металлы. Если для легирования берут бор, то его атомы отбирают у кремния часть электронов, создавая таким образом "дырки" - свободные вакансии, которые могут заполниться электронами, перескочившими с соседних атомов кремния. Во внешнем электрическом поле "дырки" движутся навстречу электронам, то есть ведут себя как положительно заряженные частицы. Основой для создания любого полупроводникового устройства служит целенаправленное сочетание материалов с обоими видами проводимости.

Существует множество методов легирования полупроводников - например, бомбардировка ионами. Точность внесения примесей с помощью этих методов весьма различна, однако ни один из них не позволяет размещать внедряемые частицы в заранее определенной зоне основного материала, протяженность которой сравнима с размерами молекулы или атома. Правда, для современной электроники подобная точность вовсе не нужна, но в недалеком будущем она наверняка понадобится. Стандартными строительными блоками следующих поколений электронных приборов, по всей вероятности, станут отдельные крупные молекулы, а их придется легировать с помощью абсолютно новых технологий.

Профессор Кромми и его сотрудники решили эту задачу с помощью замечательного прибора - СТМ, сканирующего туннельного микроскопа. Первый СТМ был сконструирован в 1981 году сотрудниками Цюрихской лаборатории корпорации IBM Герхардом Биннигом и Хайнрихом Рёрером, которые четырьмя годами позже получили за эту работу Нобелевскую премию.

Основная деталь туннельного микроскопа - сверхтонкая вольфрамовая игла. Эту иглу-зонд подводят к поверхности изучаемого объекта на расстояние порядка половины нанометра. На иглу и объект подают постоянное электрическое напряжение, и между ними возникает очень слабый электрический ток. Этот ток, или, иначе говоря, отрыв электронов от зонда, возникает вследствие квантового туннельного эффекта, отсюда и название микроскопа. Во время движения зонда над поверхностью управляющий компьютер получает непрерывную информацию о силе туннельного тока и на этой основе с чрезвычайно высоким разрешением воспроизводит особенности ее рельефа.

Однако туннельный микроскоп - это не только наблюдательный прибор. Его игольчатым зондом можно отрывать атомы и молекулы с определенного участка поверхности и переносить их на новое место. Именно этим свойством СТМ и воспользовались ученые из Калифорнии. Они поместили серебряную пластинку в вакуумную камеру, охладили ее до семи градусов Кельвина и "посыпали" атомами калия. На этой же серебряной подложке находилась единственная сферическая молекула углерода, образованная шестьюдесятью атомами. Считается, что такие структуры, называемые фуллеренами, со временем найдут много применений в электронике.

Ажурный углеродный шарик подцепили иглой туннельного микроскопа и стали передвигать его по направлению к атомам калия. Таким путем на фуллерен посадили один атом калия, а затем второй, третий и четвертый. Эти атомы пожертвовали фуллерену электроны со своих внешних оболочек, исполняя тем самым роль легирующих примесей. Процесс присоединения атомов удалось запечатлеть с помощью электронного микроскопа. Этот новаторский эксперимент продемонстрировал возможность создания дизайнерских фуллереновых молекул с заданными электрическими свойствами. 9 апреля эта статья появилась на страницах журнала Science.

Источник:

R. Yamachika, M. Grobis, A. Wachowiak, and M. F. Crommie
Controlled atomic doping of a single C60 molecule
Science, 9 April 2004, Vol, 304, pp. 281-284