DE112010002060T5 - Verzweigte Nanodrähte und Verfahren zum Herstellen von verzweigten Nanodrähten - Google Patents

Verzweigte Nanodrähte und Verfahren zum Herstellen von verzweigten Nanodrähten Download PDF

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Abstract

Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen der Vorrichtung. Die Vorrichtung umfasst einen Haupt-Nanodraht und Zweig-Nanodrähte, welche von dem Haupt-Nanodraht ausgehen. Der Haupt-Nanodraht kann einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweisen. Der erste Abschnitt kann eine erste Ladungsträgerkonzentration aufweisen, und der zweite Abschnitt kann eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweisen, die anders ist als die erste Ladungsträgerkonzentration. Jeder der Zweig-Nanodrähte kann von dem ersten Abschnitt des Haupt-Nanodrahts ausgehen. Jeder der Zweig-Nanodrähte kann von dem Haupt-Nanodraht ausgehen, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang einer Länge des Haupt-Nanodrahts.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung betreffen Nanodrähte. Insbesondere betreffen sie Halbleiter-Nanodrahtstrukturen.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Nanodrähte sind Nanostrukturen, welche verwendet werden können, um Schaltungen mit sehr kleinen Abmessungen zu bauen.
  • KURZE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Gemäß verschiedenen, jedoch nicht notwendigerweise allen, Ausführungsformen der Erfindung ist eine Vorrichtung bereitgestellt, umfassend: einen Haupt-Nanodraht, welcher einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt eine erste Ladungsträgerkonzentration aufweist, und wobei der zweite Abschnitt eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, die anders ist als die erste Ladungsträgerkonzentration; und mehrere Zweig-Nanodrähte, wobei jeder der Zweig-Nanodrähte von dem ersten Abschnitt des Haupt-Nanodrahts ausgeht.
  • Der Haupt-Nanodraht kann langgestreckt sein und eine Länge aufweisen. Die mehreren Zweig-Nanodrähte können von dem Haupt-Nanodraht ausgehen, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang der Länge des Haupt-Nanodrahts.
  • Der Haupt-Nanodraht kann einen Übergang aufweisen, der im Wesentlichen rechtwinkelig ist zu der Länge des Haupt-Nanodrahts. Der Übergang kann den ersten Abschnitt des Haupt-Nanodrahts und den zweiten Abschnitt des Haupt-Nanodrahts trennen.
  • Wenigstens ein Abschnitt eines jeden der Zweig-Nanodrähte kann die erste Ladungsträgerkonzentration aufweisen. Jeder der Zweig-Nanodrähte kann einen Übergang aufweisen, welcher den Abschnitt, der die erste Ladungsträgerkonzentration aufweist, und einen Abschnitt, der eine dritte Ladungsträgerkonzentration aufweist, trennt.
  • Die dritte Ladungsträgerkonzentration kann anders sein als die erste Ladungsträgerkonzentration und die zweite Ladungsträgerkonzentration. Die erste Ladungsträgerkonzentration, die zweite Ladungsträgerkonzentration und die dritte Ladungsträgerkonzentration können derart gestaltet sein, dass wenigstens eine innere Potentialdifferenz über die Vorrichtung vorhanden ist.
  • Gemäß verschiedenen, jedoch nicht notwendigerweise allen, Ausführungsformen der Erfindung ist eine Vorrichtung bereitgestellt, umfassend: einen langgestreckten Haupt-Nanodraht, welcher eine Länge aufweist; und mehrere Zweig-Nanodrähte, wobei jeder der Zweig-Nanodrähte von dem langgestreckten Haupt-Nanodraht ausgeht, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang der Länge des langgestreckten Haupt-Nanodrahts.
  • Die im Wesentlichen fixe Stelle kann sich an einem Ende der Länge des langgestreckten Haupt-Nanodrahts befinden. Jeder der Zweig-Nanodrähte kann von dem Ende der Länge des langgestreckten Haupt-Nanodrahts ausgehen.
  • Die Vorrichtung kann ferner wenigstens einen Übergang umfassen, welcher Nanodraht-Abschnitte trennt, die unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen aufweisen.
  • Die Vorrichtung kann einen Übergang aufweisen, welcher einen ersten und einen zweiten Abschnitt in dem langgestreckten Haupt-Nanodraht trennt, die unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen aufweisen.
  • Die Vorrichtung kann mehrere Übergänge aufweisen. Jeder der Übergänge kann einen Abschnitt eines Zweig-Nanodrahts, welcher eine erste Ladungsträgerkonzentration und einen Abschnitt des langgestreckten Haupt-Nanodrahts, welcher eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, trennen. Jeder der Übergänge kann sich an einer Übergangsfläche zwischen einem Zweig-Nanodraht und dem langgestreckten Haupt-Nanodraht befinden. Alternativ kann sich jeder der Übergänge an einer Position, entfernt von einer Übergangsfläche zwischen einen Zweig-Nanodraht und dem langgestreckten Haupt-Nanodraht, befinden.
  • Gemäß verschiedenen, jedoch nicht notwendigerweise allen, Ausführungsformen der Erfindung ist ein Verfahren bereitgestellt, umfassend: Züchten eines Haupt-Nanodrahts; und Aufbringen zusätzlichen Materials auf den Haupt-Nanodraht durch eine Öffnung in einer Maske, um mehrere Zweig-Nanodrähte zu züchten, unter Verwendung des zusätzlichen Materials, von dem Haupt-Nanodraht aus.
  • Der Haupt-Nanodraht kann eine Länge aufweisen. Die Öffnung in der Maske kann ermöglichen, dass das zusätzliche Material auf den Haupt-Nanodraht aufgebracht wird, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang der Länge. Die im Wesentlichen fixe Stelle kann sich an einem Ende der Länge des Haupt-Nanodrahts befinden.
  • Der Haupt-Nanodraht kann durch Aufbringen von Material durch die Öffnung in der Maske gezüchtet werden. Die Maske kann begrenzen, wie der Haupt-Nanodraht wächst. Es kann sein, dass die Maske nicht begrenzt, wie die Zweig-Nanodrähte von dem Haupt-Nanodraht aus wachsen. Der Haupt-Nanodraht kann ohne ein Verwenden einer Maske gezüchtet werden.
  • Ein Verfahren kann ferner umfassen: Züchten der mehreren Zweig-Nanodrähte, unter Verwendung des zusätzlichen Materials, von dem Haupt-Nanodraht aus.
  • Der Haupt-Nanodraht kann unter Verwendung von elektrochemischem Abscheiden gezüchtet werden. Die Zweig-Nanodrähte können unter Verwendung eines Vapor-Liquid-Solid-Verfahrens gezüchtet werden.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • Für ein besseres Verständnis verschiedener Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung soll nun Bezug genommen werden auf die beigefügten Zeichnungen, welche reinen Beispielcharakter haben, dabei zeigen:
  • 1 eine Vorrichtung und ein zylindrisches Koordinatensystem;
  • 2 eine erste zweidimensionale schematische Darstellung einer Vorrichtung;
  • 3 eine zweite zweidimensionale schematische Darstellung einer Vorrichtung;
  • 4 ein Verfahren; und
  • 5 verschiedene Stadien in der Züchtung einer Vorrichtung.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VERSCHIEDENER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE DER ERFINDUNG
  • Die Figuren zeigen eine Vorrichtung 10, umfassend: einen langgestreckten Haupt-Nanodraht 13, welcher eine Länge L aufweist; und mehrere Zweig-Nanodrähte 20, wobei jeder der Zweig-Nanodrähte von dem langgestreckten Haupt-Nanodraht 13 ausgeht, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang der Länge L des langgestreckten Haupt-Nanodrahts 13.
  • Die Figuren zeigen auch eine Vorrichtung 10, umfassend: einen Haupt-Nanodraht 13, welcher einen ersten Abschnitt 18 und einen zweiten Abschnitt 14 aufweist, wobei der erste Abschnitt 18 eine erste Ladungsträgerkonzentration und der zweite Abschnitt 14 eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, die anders ist als die erste Ladungsträgerkonzentration; und mehrere Zweig-Nanodrähte 20, wobei jeder der Zweig-Nanodrähte von dem ersten Abschnitt 18 des Haupt-Nanodrahts 13 ausgeht.
  • 1 zeigt eine Vorrichtung 10. Die Vorrichtung 10 kann beispielsweise eine Nanostruktur sein. Die Nanostruktur kann ein Nanobauteil sein, zur Verwendung in Schaltungen. Beispielsweise kann die Vorrichtung 10 zum Teil oder zur Gänze aus einem Halbleitermaterial hergestellt sein.
  • Die Vorrichtung 10 umfasst einen Haupt-Nanodraht 13 und mehrere Zweig-Nanodrähte 20. Der Haupt-Nanodraht 13 und die Zweig-Nanodrähte 20 können in einem Stück ausgebildet sein.
  • Der Haupt-Nanodraht 13 kann langgestreckt sein, und er kann beispielsweise von etwa zylindrischer Form sein. In dem gezeigten Beispiel weist der Haupt-Nanodraht 13 eine glatte, runde Außenfläche 15 auf, wenngleich das nicht so sein muss. Der Zylinder hat eine Länge L und einen Durchmesser/eine Breite D. Der Durchmesser/die Breite D des Haupt-Nanodrahts 13 kann beispielsweise etwa zwischen 300 Nanometer (nm) und 1 Mikron betragen. Die Länge L des Haupt-Nanodrahts 13 kann um ein Vielfaches größer sein als der Durchmesser/die Breite.
  • 1 zeigt ferner ein zylindrisches Koordinatensystem (p, φ, z), bezeichnet mit dem Bezugszeichen 30. Die z-Achse 32 definiert eine Höhe, bezogen auf den Ursprung 12 des Koordinatensystems 30. ρ definiert einen radialen Abstand von der z-Achse 32. φ definiert einen Azimut um die z-Achse 32. Die x-Achse und die y-Achse sind in
  • 1 ebenfalls zu illustrativen Zwecken gezeigt. In diesem Beispiel wird der Azimut φ entgegen dem Uhrzeigersinn von der x-Achse aus gemessen.
  • In diesem Beispiel wird der Ursprung 12 des zylindrischen Koordinatensystems 30 in der Mitte einer Fläche 11 am Ende des Haupt-Nanodrahts 13 angenommen (wie gezeigt 1). In diesem Fall ist die Fläche 11 eine Fläche an einem Ende der Länge L des Haupt-Nanodrahts 13. Das zylindrische Koordinatensystem 30 kann verwendet werden, um Punkte innerhalb der oder um die Vorrichtung 10 zu definieren.
  • Jeder der Zweig-Nanodrähte 20 kann von dem Haupt-Nanodraht 13 ausgehen, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang der Länge L des Haupt-Nanodrahts 13. Beispielsweise können die Zweig-Nanodrähte 20 von einem Segment des Haupt-Nanodrahts 13 ausgehen, das definiert ist durch einen im Wesentlichen fixen Wert auf der z-Achse 32 und durch variable Werte ρ und φ. Jeder der Zweig-Nanodrähte 20 kann beispielsweise eine Breite/einen Durchmesser im Bereich zwischen 2 nm und 100 nm aufweisen.
  • In dem Beispiel, das in 1 gezeigt ist, geht jeder der Zweig-Nanodrähte 20 von einer Fläche 17 aus, am Ende des Haupt-Nanodrahts 13. In diesem Fall ist die Fläche 17 eine Fläche am Ende der Länge L des Haupt-Nanodrahts 13. Die Fläche 17 stellt nämlich eine Übergangsfläche zwischen dem Haupt-Nanodraht 13 und den Zweig-Nanodrähten 20 dar.
  • Jeder der Zweig-Nanodrähte 20 geht von einem anderen Punkt auf der Fläche 17 aus. Für jeden dieser Punkte gilt z = L, und ρ und φ können jeden von einer Anzahl an Werten innerhalb der Grenzen der Fläche 17 annehmen.
  • Die Fläche 17 von welcher die Zweig-Nanodrähte 20 ausgehen, befindet sich an dem Ende des Haupt-Nanodrahts 13, das der Fläche 11 gegenüberliegt, auf der sich der Ursprung des zylindrischen Koordinatensystem 30 befindet.
  • In einigen weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann es sein, dass einige oder alle der Zweig-Nanodrähte 20 nicht von der Fläche 17 am Ende des Haupt-Nanodrahts 13 ausgehen. Beispielsweise können die Zweig-Nanodrähte 20 von einem Segment des Haupt-Nanodrahts 13 ausgehen, das durch einen im Wesentlichen fixen Wert auf der z-Achse definiert ist, der nicht gleich L ist, und durch variable Werte ρ und φ. Alternativ kann es sein, dass einige oder alle der Zweig-Nanodrähte 20 von der äußeren Fläche 15 des Haupt-Nanodrahts 13 ausgehen, an mehreren verschiedenen Punkten entlang der z-Achse 32.
  • 2 zeigt ein Beispiel einer zweidimensionalen schematischen Darstellung einer Vorrichtung 10, welche dieselbe Form aufweist wie jene, die in 1 dargestellt ist. In diesem Beispiel weist der Haupt-Nanodraht 13 einen Übergang auf, welcher einen ersten Abschnitt 18 des Haupt-Nanodrahts 13 von einem zweiten Abschnitt 14 des Haupt-Nanodrahts 13 trennt. Die Position des Übergangs ist durch eine gestrichelte Linie 16 gezeigt. In diesem Beispiel ist der Übergang 16 im Wesentlichen rechtwinkelig zu der Länge L des Haupt-Nanodrahts 13 und im Wesentlichen parallel zu dem Durchmesser/der Breite D und den Endflächen 11, 17 des Haupt-Nanodrahts 13.
  • In diesem Beispiel weist/weisen jeder (und alle) der Zweig-Nanodrähte 20 ebenfalls einen Übergang/Übergänge auf. Die Übergänge sind durch die gestrichelte Linie 25 in 2 dargestellt. Jeder der Übergänge 25 trennt einen ersten Abschnitt 22 eines Zweig-Nanodrahts von einem zweiten Abschnitt 24 eines Zweig-Nanodrahts.
  • Die Übergänge 16, 25 in dem Haupt-Nanodraht 13 und in den Zweig-Nanodrähten 20 können verschiedene Arten von Halbleitermaterialien trennen. Beispielsweise können der erste Abschnitt 18 des Haupt-Nanodrahts 13 und der erste Abschnitt 22 des Zweig-Nanodrahts 20 aus einer ersten Art von Halbleitermaterial hergestellt sein. Der zweite Abschnitt 14 des Haupt-Nanodrahts 13 kann aus einer zweiten Art von Halbleitermaterial hergestellt sein. Der zweite Abschnitt 24 des Zweig-Nanodrahts 20 kann aus einer dritten Art von Halbleitermaterial hergestellt sein.
  • Die erste Art von Halbleitermaterial kann eine erste Ladungsträgerkonzentration aufweisen; die zweite Art von Halbleitermaterial kann eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweisen; und die dritte Art von Halbleitermaterial kann eine dritte Ladungsträgerkonzentration aufweisen.
  • Das erste, das zweite und das dritte Halbleitermaterial können auf demselben ”Halbleiter-Grundmaterial” beruhen, (was beispielsweise ein Halbleiter der Gruppe IV, wie etwa Silizium oder Germanium, oder ein Verbindungshalbleiter, einschließlich Halbleiter der Gruppe II-VI oder III-V, sein kann), jedoch können sie unterschiedliche Dotierungsgrade und/oder unterschiedliche Dotierungsmaterialien aufweisen. Wenn das erste, das zweite und das dritte Halbleitermaterial unterschiedliche Dotierungsgrade und/oder unterschiedliche Dotierungsmaterialien aufweisen, werden die erste, die zweite und die dritte Ladungsträgerkonzentration des ersten, des zweiten und des dritten Halbleitermaterials als unterschiedlich erachtet.
  • Beispielsweise kann in einigen Implementierungen die Vorrichtung 10 eine p-i-n-Struktur aufweisen. In diesen Implementierungen ist die dritte Art von Halbleitermaterial (aus welchem der zweite Abschnitt 24 des Zweig-Nanodrahts 20 gebildet ist) ein p-Material. Die erste Art von Halbleitermaterial (aus welchem der erste Abschnitt 18 des Haupt-Nanodrahts 13 und der erste Abschnitt 22 des Zweig-Nanodrahts 20 gebildet sind) ist ein intrinsischer Halbleiter. Die zweite Art von Halbleitermaterial (aus welcher der zweite Abschnitt 14 des Haupt-Nanodrahts 13 gebildet ist) ist ein n-Material.
  • Wenn die Vorrichtung 10 eine p-i-n-Struktur aufweist, dann sind die Übergänge 25 in den Zweig-Nanodrähten 20 p-i-Übergänge, und der Übergang 16 in dem Haupt-Nanodraht 13 ist ein i-n-Übergang.
  • Wenn die p-i-Übergänge 25 gebildet werden, diffundieren Löcher aus dem p-Material in das intrinsische Material, was eine Sperrschicht in dem p-Material hinterlässt. Die Sperrschicht in dem p-Material enthält negativ geladene Ionen.
  • Wenn der i-n-Übergang 16 in dem Haupt-Nanodraht 13 gebildet wird, diffundieren Elektronen aus dem n-Material in das intrinsische Material, was eine Sperrschicht in dem n-Material hinterlässt. Die Sperrschicht in dem n-Material enthält positiv geladene Ionen.
  • Ein elektrisches Feld von den positiv geladenen Ionen in dem n-Material zu den negativ geladenen Ionen in dem p-Material bedeutet, dass die p-i-n-Struktur eine innere Potentialdifferenz aufweist.
  • Die p-i-n-Struktur wirkt praktisch als Diode. Wenn die p-i-n-Struktur vorwärts betrieben ist, wird sie elektrisch leitend, was ermöglicht, dass gewöhnlicher Strom von dem p-Material zu dem n-Material fließt. Wenn die Vorrichtung 10 also eine p-i-n-Struktur aufweist, kann sie als Summierknoten (zum Summieren von Signalen) in einer Schaltung verwendet werden. Alternativ wird die p-i-n-Struktur, wenn sie rückwärts betrieben ist, im Allgemeinen nicht elektrisch leitend.
  • Alternativ kann, in weiteren Implementierungen, die Vorrichtung 10, die in 2 gezeigt ist, eine n-i-p-Struktur aufweisen. In diesen Implementierungen sind die Übergänge 25 in den Zweig-Nanodrähten 20 n-i-Übergänge, und der Übergang 16 in dem Haupt-Nanodraht 13 ist ein i-p-Übergang. Die n-i-p-Struktur wirkt praktisch als Diode. Wenn die n-i-p-Struktur vorwärts betrieben ist, wird sie elektrisch leitend, was ermöglicht, dass gewöhnlicher Strom von dem n-Material zu dem p-Material fließt. Wenn die Vorrichtung also eine n-i-p-Struktur aufweist, kann sie als Teilungsknoten (zum Teilen von Signalen) in einer Schaltung verwendet werden. Alternativ wird die n-i-p-Struktur, wenn sie rückwärts betrieben ist, im Allgemeinen nicht elektrisch leitend.
  • In weiteren Implementierungen kann die Vorrichtung 10 eine p-n-p-Struktur oder eine n-p-n-Struktur aufweisen. In diesen Implementierungen kann die Vorrichtung 10 als Transistor wirken, wie etwa als Feldeffekttransistor oder als Bipolartransistor. Eine steuernde Elektrode kann bereitgestellt sein, um zu ermöglichen, dass die Vorrichtung 10 als Transistor arbeitet. Wenn beispielsweise die Vorrichtung 10 derart gestaltet ist, dass sie als Feldeffekttransistor arbeitet, kann die steuernde Elektrode eine Gate-Elektrode sein. Wenn die Vorrichtung 10 derart gestaltet ist, dass sie als Bipolartransistor arbeitet, kann die steuernde Elektrode eine Basis-Elektrode sein.
  • 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer zweidimensionalen schematischen Darstellung einer Vorrichtung 10, welche dieselbe Form aufweist wie jene, die in 1 gezeigt ist. In diesem Beispiel sind die Zweig-Nanodrähte 20 aus einem ersten Halbleitermaterial gebildet, und der Haupt-Nanodraht ist aus einem zweiten, anderen Halbleitermaterial gebildet.
  • In diesem Beispiel sind Übergänge vorhanden an der Übergangsfläche 17 zwischen einem jeden (und allen) der Zweig-Nanodrähte 20 und dem Haupt-Nanodraht 13. Die Übergänge sind durch die gestrichelte Linie 19 dargestellt.
  • In einigen Implementierungen der Erfindung sind die Zweig-Nanodrähte 20 aus einem p-Material hergestellt, und der Haupt-Nanodraht 13 ist aus einem n-Material hergestellt. In diesen Ausführungsformen wirkt die p-n-Struktur praktisch als Diode. Wenn die p-n-Struktur vorwärts betrieben ist, wird sie elektrisch leitend, was ermöglicht, dass gewöhnlicher Strom von dem p-Material zu dem n-Material fließt. Wenn die Vorrichtung 10 also eine p-n-Struktur aufweist, kann sie als Summierknoten (zum Summieren von Signalen) in einer Schaltung verwendet werden.
  • In weiteren Implementierungen sind die Zweig-Nanodrähte 20 aus einem n-Material hergestellt, und der Haupt-Nanodraht 13 ist aus einem p-Material hergestellt. In diesen Implementierungen wirkt die n-p-Struktur praktisch als Diode. Wenn die n-p-Struktur vorwärts betrieben ist, wird sie elektrisch leitend, was ermöglicht, dass gewöhnlicher Strom von dem n-Material zu dem p-Material fließt. Wenn die Vorrichtung 10 also eine n-p-Struktur aufweist, kann sie als Teilungsknoten (zum Teilen von Signalen) in einer Schaltung verwendet werden.
  • Die Vorrichtungen 10, die oben mit Bezug auf Figur 1, 2 und 3 beschrieben sind, können vielfältige unterschiedliche Anwendungen finden. Beispielsweise können die Vorrichtungen 10 in einem künstlichen neuronalen Netz verwendet werden, oder in jedem anderen nanoelektronischen Aufbau (beispielsweise als Summierknoten), oder in Nanosensor-Arrays, wobei die Zweig-Nanodrähte 20 als einzelne Sensoren arbeiten können (beispielsweise zum Detektieren einzelner biologischer oder chemischer Erscheinungsformen), und wobei die einzelnen Antworten der Sensoren an der Übergangsfläche zum Haupt-Nanodraht summiert werden.
  • Ein Verfahren zum Herstellen einer Vorrichtung 10 gemäß Ausführungsformen der Erfindung ist nun mit Bezug auf 4 und 5 zu beschreiben.
  • Die erste Zeichnung in 5 (bezeichnet mit Bezugszeichen 400) zeigt eine Sandwichstruktur 80, umfassend ein Substrat 70, eine Maske 50 und eine Kathode 60, als Zwischenschicht angeordnet zwischen dem Substrat 70 und der Maske 50.
  • Das Substrat 70 kann beispielsweise ein Silizium-Wafer oder ein Glassubstrat (”glass-slide”) sein. Die Maske 50 kann beispielsweise eine poröse Membran sein, wie etwa ein anodisch oxidierter Aluminiumfilm oder ein Polycarbonatfilm. Die Kathode 60 kann beispielsweise ein gesputterter oder aufgedampfter Metallfilm sein.
  • Eine äußere Fläche 51 der Maske 50 umfasst mehrere Öffnungen/Poren 52. Jede der Öffnungen 52 definiert eine langgestreckte Kammer 54, welche sich durch die Maske 50 hin zu der Kathode 60 erstreckt.
  • In Block 410, in dem Verfahren, das in 4 gezeigt ist, wird ein Haupt-Nanodraht 13 gezüchtet, durch Aufbringen eines Materials durch eine Öffnung in der Maske 50. Zur Illustration ist das in der Zeichnung gezeigt, die in 5 ebenfalls mit dem Bezugszeichen 410 bezeichnet ist.
  • Mehrere Haupt-Nanodrähte können gezüchtet werden, unter Verwendung einer ersten Züchtungsmethode. In diesem Beispiel ist die erste Züchtungsmethode elektrochemische Abscheidung. Eine Salzverbindung, welche eine Substanz enthält, die in die Kammern 54 der Maske 50 abzuscheiden ist, wird in einer Elektrolytlösung aufgelöst. Wenn beispielsweise Haupt-Nanodrähte aus Silizium hergestellt werden sollen, ist die Salzverbindung eine Siliziumverbindung, wie etwa Siliziumtetrachlorid (SiCl4). Die Salzverbindung dissoziiert in ihre Bestandteile (Si2+ und 4Cl4 –, im Fall von SiCl4), wenn sie sich in der Elektrolytlösung befindet.
  • Die Kathode 60 der Struktur 80 ist eine der zwei Elektroden, die Teil eines Stromkreises sind. Die Elektrolytlösung enthält Ionen, welche ermöglichen, dass Strom zwischen den zwei Elektroden fließt.
  • Die Sandwichstruktur 80, welche die Kathode 60 umfasst, und die andere Elektrode (die Anode) werden in die Elektrolytlösung getaucht, welche die gelöste Salzverbindung enthält. Wenn ein Gleichstrom zwischen der Kathode 60 und der Anode angelegt wird, werden die Kationen in der Elektrolytlösung (Silizium-Kationen im Fall von SiCl4) von der Kathode 60 angezogen. Die Kationen wandern durch die Öffnungen 52 in der Maske 50 und in die Kammern 54, bevor sie die Oberfläche der Kathode 60 erreichen. Die Kationen werden an der Kathode 60 reduziert, sie werden also in Elementform (ohne Ladung) in den Kammern 54 der Maske 50 abgeschieden.
  • Das Ansammeln von Material (in diesem Fall Silizium) in den Kammern 54 führt dazu, dass ein Haupt-Nanodraht 13 in einer jeden der Kammern gebildet wird. Jede der Kammern 54 wirkt derart, dass die Richtung des Wachsens eines jeden der Haupt-Nanodrähte 13 begrenzt ist, derart, dass eine gewünschte Form des Haupt-Nanodrahts erreicht wird. Jeder der Haupt-Nanodrähte 13 kann von der Form sein, die in 1, 2 und 3 gezeigt und oben beschrieben ist.
  • Um einen dotierten Haupt-Nanodraht 13 und/oder einen Haupt-Nanodraht 13 zu erzeugen, welcher einen Übergang aufweist, (sowie zwei unterschiedlich dotierte Abschnitte), kann die Salzverbindung geeignet verändert werden, oder ein zusätzliches Salz kann zu der Elektrolytlösung hinzugefügt werden.
  • In Block 420 in 4 wird zusätzliches Material auf einen Haupt-Nanodraht aufgebracht, durch eine Öffnung in der Maske 50, derart, dass mehrere Zweig-Nanodrähte gezüchtet werden, unter Verwendung des zusätzlichen Materials, ausgehend von dem Haupt-Nanodraht. Das ist zur Illustration in der Zeichnung dargestellt, die in 5 mit Bezugszeichen 420 bezeichnet ist.
  • Die Pfeile 90, die in Zeichnung 420 in 5 gezeigt sind, stellen die Richtung dar, in welcher das zusätzliche Material auf die Haupt-Nanodrähte aufgebracht wird, die in den Kammern 54 gewachsen sind. In diesem Beispiel wird das zusätzliche Material in einer Richtung aufgebracht, die im Wesentlichen rechtwinkelig ist zu der äußeren Fläche 51 der Maske 50.
  • Da das zusätzliche Material aufgebracht wird, während die Maske 50 sich noch in ihrer Position um die Haupt-Nanodrähte befindet, wird das Abscheiden des zusätzlichen Materials wirksam auf einen bestimmten Abschnitt des Oberflächenbereichs eines jeden der Haupt-Nanodrähte begrenzt. Beispielsweise kann die Geometrie der Maske 50 derart gestaltet sein, dass jede der Öffnungen ermöglicht, dass das zusätzliche Material an einem Abschnitt des Haupt-Nanodrahts 13 abgeschieden wird, der sich an einer fixen Stelle entlang der Länge des Haupt-Nanodrahts 13 befindet. In diesem Beispiel ist das Abscheiden auf eine Endfläche 17 eines jeden der Haupt-Nanodrähte begrenzt (siehe 1, 2 und 3 und die Beschreibung oben).
  • Das zusätzliche Material kann beispielsweise Silizium umfassen. In einigen Ausführungsformen der Erfindung umfasst das zusätzliche Material einen Katalysator. Der Katalysator kann beispielsweise Gold sein. Das zusätzliche Material kann aufgebracht werden durch Sputtern oder Aufdampfen eines Goldfilms, oder durch Abscheiden von Metallkolloiden.
  • Nachdem das zusätzliche Material auf die Haupt-Nanodrähte aufgebracht worden ist, werden mehrere Zweig-Nanodrähte 20 von jedem der Haupt-Nanodrähte aus gezüchtet, unter Verwendung einer zweiten Züchtungsmethode. Die zweite Züchtungsmethode kann beispielsweise ein Vapor-Liquid-Solid-Verfahren sein. Die Zweig-Nanodrähte 20 können dotiert sein, und sie können Halbleiter-Übergänge aufweisen, wie bereits beschrieben mit Bezug auf 1, 2 und 3.
  • Die Maske 50 kann an ihrem Platz bleiben, während die Zweig-Nanodrähte 20 gezüchtet werden, oder auch nicht. Wenn sich die Maske 50 an ihrem Platz befindet, schränkt das die Richtung des Wachsens der Zweig-Nanodrähte 20 nicht ein. Die Maske 50 kann durch nasschemisches Ätzen entfernt werden, bevor oder nachdem die Zweig-Nanodrähte 20 gezüchtet werden.
  • Die Zweig-Nanodrähte 20 wachsen von der Fläche 17 aus nach außen, auf dem Haupt-Nanodraht, auf welchen das zusätzliche Material aufgebracht wird. Die letzte Zeichnung 430 in 5 zeigt die Nanostrukturen 10, nachdem das Vapor-Liquid-Solid-Verfahren ausgeführt worden ist, und nachdem die Maske 50 entfernt worden ist. Jede der Nanostrukturen 10 umfasst einen Haupt-Nanodraht 13 und mehrere Zweig-Nanodrähte 20. Jede der Nanostrukturen 10 kann eine der Formen annehmen, die oben mit Bezug auf 1, 2 und/oder 3 beschrieben sind.
  • Das oben beschriebene Verfahren ermöglicht vorteilhafterweise, dass eine Nanostruktur 10 gebildet wird, wobei jeder und alle der Zweig-Nanodrähte 20 der Nanostruktur 10 von einem bestimmten Abschnitt eines Haupt-Nanodrahts 13 ausgeht/ausgehen (wie etwa von dem Ende des Haupt-Nanodrahts 13). Das ermöglicht vorteilhafterweise, dass ein Übergang in dem Haupt-Nanodraht 13 definiert wird, der sich entfernt von der Übergangsfläche zwischen den Zweig-Nanodrähten 20 und dem Haupt-Nanodraht 13 befindet, was ermöglicht, dass die Nanostruktur 10 als Summierknoten oder als Teilungsknoten verwendet wird.
  • Die Darstellung der Blöcke in 4 bedeutet nicht unbedingt, dass es eine erforderliche oder bevorzugte Reihenfolge für die Blöcke gibt, und die Reihenfolge und die Anordnung der Blöcke kann geändert werden. Ferner kann es möglich sein, dass einige Schritte weggelassen werden.
  • Wenngleich Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in den vorstehenden Absätzen mit Bezug auf verschiedene Beispiele beschrieben worden sind, versteht sich von selbst, dass Modifikationen an den gegebenen Beispielen vorgenommen werden können, ohne dass der Schutzbereich der Erfindung, wie beansprucht, dadurch verlassen wäre. So versteht sich beispielsweise von selbst, dass das Verfahren zum Herstellen einer Nanostruktur 10, das oben beschrieben ist, nicht notwendigerweise das einzige Verfahren sein muss, mittels dessen diese Nanostruktur hergestellt werden kann.
  • In alternativen Herstellungsverfahren können der Haupt-Nanodraht 13 und die Zweig-Nanodrähte 20 einer Nanostruktur 10, wie etwa jene, die in 1, 2 und/oder 3 beschrieben sind, unter Verwendung von Vapor-Liquid-Solid-Verfahren gezüchtet werden.
  • In einigen alternativen Herstellungsverfahren ist es nicht erforderlich, eine Maske anzubringen, bevor die Haupt-Nanodrähte 13 gezüchtet werden. So werden beispielsweise in einem alternativen Herstellungsverfahren die Haupt-Nanodrähte 13 unter Verwendung eines Vapor-Liquid-Solid-Verfahrens gezüchtet, ohne dass eine Maske angebracht ist. Nachdem die Haupt-Nanodrähte 13 gewachsen sind, kann eine Maske angebracht werden, zum Beispiel durch Aufschleudern eines Polymerfilms und danach durch Wegätzen, mit Sauerstoffplasma, derart, dass nur die Endflächen der Haupt-Nanodrähte 13 freigelegt werden. Das zusätzliche Material (zur Verwendung für das Züchten der Zweig-Nanodrähte 20) kann danach auf die Endflächen der Haupt-Nanodrähte 13 aufgebracht werden.
  • In einem weiteren alternativen Herstellungsverfahren wird der Haupt-Nanodraht 13 unter Verwendung eines flüssigen Legierungströpfchens gebildet, welches ein Metall umfasst (wie etwa Gold) und einen Halbleiter (wie etwa Silizium). Die Zweig-Nanodrähte 20 können unter Verwendung einer Temperaturänderung gebildet werden, wobei bewirkt wird, dass mehrere feste Halbleiterkerne sich aus dem flüssigen Legierungströpfchen bilden. Jeder der festen Halbleiterkerne bildet den Keim für weiteres Wachsen eines Zweig-Nanodrahts 20.
  • In einigen Ausführungsformen der Erfindung kann/können der Übergang oder die Übergänge in der Vorrichtung 10 sich an anderen Positionen befinden als an jenen, die mit Bezug auf 1, 2 und 3 beschrieben sind.
  • Wie oben beschrieben, können in einigen Ausführungsformen der Erfindung die Zweig-Nanodrähte 20 und der Haupt-Nanodraht 13 einer Vorrichtung 10 aus dem gleichen ”Halbleiter-Grundmaterial” hergestellt sein. In einigen alternativen Ausführungsformen der Erfindung sind die Zweig-Nanodrähte 20 aus einem anderen Halbleiter-Grundmaterial gebildet als der Haupt-Nanodraht 13, wobei Heterostrukturen gebildet sind. Das Bilden von Heterostrukturen kann ermöglichen, dass eine geeignete Bandstruktur gebildet wird, zum Steuern/Einschränken des Fließens von Strom in einer bestimmten Richtung.
  • Merkmale, wie dargelegt in der vorstehenden Beschreibung, können in anderen Kombinationen verwendet sein als in den Kombinationen, die ausdrücklich beschrieben sind.
  • Wenngleich Funktionen mit Bezug auf bestimmte Merkmale beschrieben sind, kann es sein, dass diese Funktionen durch andere Merkmale erreichbar sind, welche beschrieben sind oder auch nicht.
  • Wenngleich Funktionen mit Bezug auf bestimmte Ausführungsformen beschrieben sind, kann es sein, dass diese Funktionen auch in anderen Ausführungsformen vorhanden sind, welche beschrieben sind oder auch nicht.
  • Wenngleich die vorstehende Beschreibung in der Absicht verfasst worden ist, jene Merkmale der Erfindung in den Blick zu rücken, denen besondere Bedeutung beigemessen wird, so versteht sich doch von selbst, dass der Anmelder Schutz eines jeden patentfähigen Merkmals oder aller patentfähigen Merkmalkombinationen beansprucht, auf welche(s) im Vorstehenden Bezug genommen worden ist, und/oder welche(s) in den Zeichnungen gezeigt ist/sind, sei es, dass diese(s) eigens hervorgehoben ist/sind, oder sei es dass diese(s) auch nicht eigens hervorgehoben ist/sind.

Claims (20)

  1. Vorrichtung, umfassend: einen Haupt-Nanodraht, welcher einen ersten Abschnitt und einen zweiten Abschnitt aufweist, wobei der erste Abschnitt eine erste Ladungsträgerkonzentration aufweist, und wobei der zweite Abschnitt eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, die anders ist als die erste Ladungsträgerkonzentration; und mehrere Zweig-Nanodrähte, wobei jeder der Zweig-Nanodrähte von dem ersten Abschnitt des Haupt-Nanodrahts ausgeht.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Haupt-Nanodraht langgestreckt ist und eine Länge aufweist, und wobei die mehreren Zweig-Nanodrähte von dem Haupt-Nanodraht ausgehen, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang der Länge des Haupt-Nanodrahts.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Haupt-Nanodraht einen Übergang aufweist, der im Wesentlichen rechtwinkelig ist zu der Länge des Haupt-Nanodrahts, welcher den ersten Abschnitt des Haupt-Nanodrahts und den zweiten Abschnitt des Haupt-Nanodrahts trennt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, wobei wenigstens ein Abschnitt eines jeden der Zweig-Nanodrähte die erste Ladungsträgerkonzentration aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei jeder der Zweig-Nanodrähte einen Übergang aufweist, welcher den Abschnitt, der die erste Ladungsträgerkonzentration aufweist, und einen Abschnitt, der eine dritte Ladungsträgerkonzentration aufweist, trennt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die dritte Ladungsträgerkonzentration anders ist als die erste Ladungsträgerkonzentration und die zweite Ladungsträgerkonzentration.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, wobei die erste Ladungsträgerkonzentration, die zweite Ladungsträgerkonzentration und die dritte Ladungsträgerkonzentration derart gestaltet sind, dass wenigstens eine innere Potentialdifferenz über die Vorrichtung vorhanden ist.
  8. Vorrichtung, umfassend: einen langgestreckten Haupt-Nanodraht, welcher eine Länge aufweist; und mehrere Zweig-Nanodrähte, wobei jeder der Zweig-Nanodrähte von dem langgestreckten Haupt-Nanodraht ausgeht, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang der Länge des langgestreckten Haupt-Nanodrahts.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die im Wesentlichen fixe Stelle sich an einem Ende der Länge des langgestreckten Haupt-Nanodrahts befindet, und wobei jeder der Zweig-Nanodrähte von dem Ende der Länge des langgestreckten Haupt-Nanodrahts ausgeht.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, ferner umfassend wenigstens einen Übergang, welcher Nanodraht-Abschnitte trennt, die unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen aufweisen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Vorrichtung einen Übergang aufweist, welcher wenigstens einen ersten und einen zweiten Abschnitt in dem langgestreckten Haupt-Nanodraht trennt, die unterschiedliche Ladungsträgerkonzentrationen aufweisen.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 8, 9 oder 10, wobei die Vorrichtung mehrere Übergänge aufweist, wobei jeder der Übergänge einen Abschnitt eines Zweig-Nanodrahts, welcher eine erste Ladungsträgerkonzentration und einen Abschnitt des langgestreckten Haupt-Nanodrahts, welcher eine zweite Ladungsträgerkonzentration aufweist, trennt.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei sich jeder der Übergänge an einer Übergangsfläche zwischen einem Zweig-Nanodraht und dem langgestreckten Haupt-Nanodraht befindet.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei sich jeder der Übergänge an einer Position, entfernt von einer Übergangsfläche zwischen einen Zweig-Nanodraht und dem langgestreckten Haupt-Nanodraht, befindet.
  15. Verfahren, umfassend: Züchten eines Haupt-Nanodrahts; und Aufbringen zusätzlichen Materials auf den Haupt-Nanodraht durch eine Öffnung in einer Maske, um mehrere Zweig-Nanodrähte zu züchten, unter Verwendung des zusätzlichen Materials, von dem Haupt-Nanodraht aus.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Haupt-Nanodraht eine Länge aufweist, und wobei die Öffnung in der Maske ermöglicht, dass das zusätzliche Material auf den Haupt-Nanodraht aufgebracht wird, an einer im Wesentlichen fixen Stelle entlang der Länge.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die im Wesentlichen fixe Stelle sich an einem Ende der Länge des Haupt-Nanodrahts befindet.
  18. Verfahren nach Anspruch 15, 16 oder 17, wobei der Haupt-Nanodraht durch Aufbringen von Material durch die Öffnung in der Maske gezüchtet wird, und wobei die Maske begrenzt, wie der Haupt-Nanodraht wächst, wobei die Maske jedoch nicht begrenzt, wie die Zweig-Nanodrähte von dem Haupt-Nanodraht aus wachsen.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei der Haupt-Nanodraht ohne ein Verwenden einer Maske gezüchtet wird.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, ferner umfassend: Züchten der mehreren Zweig-Nanodrähte, unter Verwendung des zusätzlichen Materials, von dem Haupt-Nanodraht aus.
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