11.5. Методы зондовой нанотехнологии.

11.5.1. Физические основы зондовой нанотехнологии.

Зондовая нанотехнология представляет собой совокупность методов и способов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств,формы, материала на уровне отдельных атомов, молекул и элементов нанометровых размеров с помощью острийного зонда с одновременной визуализацией и контролем процесса.

Вообще слово технология произошло от греческих слов techne —i искуусство, мастерство, умение и logos — слово, учение. В такой трактовке зондовая нанотехнология является вершиной человеческой мудрости и искусства создания приборов и устройств из отдельных атомов и молекул.

В основе зондовой нанотехнологии лежат уникальные приборы с зондом — сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно-силовой микроскоп (АСМ).

В сканирующем туннельном микроскопе зонд представляет собой металлический игольчатый электрод с очень тонким острием, закрепленный на трехкоординатном сканере. Зонд-острие, находящийся под электрическим потенциалом, располагается перпендикулярно поверхности на таком расстоя-нии от нее, при котором возникает туннельный ток. Тунельный ток зависит от величины зазора между острием и поверхностью, а также от величины электрического потенциала на зонде. Если с помощью цепи обратной связи при сканировании поверхности поддерживать постоянным туннельный ток, то можно получить информацию о рельефе исследуемой поверхности. Это метод постоянного тока».

Если в процессе сканирования с помощью петли обратной связи поддерживать постоянным зазор между острием и поверхностью, то по величине туннельного тока можно получить информацию о поверхности на уровне атомного разрешения.

Сущность зондовой технологии на базе туннельного микроскопа заключается как в визуализации поверхности и объектов на ней, так и в формировании, модификации этой поверхности в нанометровой области.

В атомно-силовых микроскопах зонд-острие крепится на свободном конце гибкой консоли — кантилевера.

М ежду атомами вещества сближающихся тел действуют силы межмолекулярного взаимодействия F. На рис. 11.5.1 показана зависимость силы Ван-дер-Вальса от расстояния. Эта сила обращается в нуль при R = d₀, где d₀ — расстояние между центрами взаимодействующих молекул. На больших расстояниях (R ≥ d₀) происходит притяжение между телами с силой, пропорциональной R ^-7, на малых расстояниях (R ≤ d₀) наблюдается отталки-вание с силой, пропорциональной R ^-13.

Ван-дер-вальсовские силы притяжения или отталкивания деформи-руют кантилевер при его взаимодействии с поверхностью. По регистрируе-мой величине и направлению деформации кантилевера можно судить о рельефе поверхности.

Методы локального зондового воздействия на поверхность можно использовать для проведения нанолитографических процессов.

Процессы нанотехнологии на основе зондовых методов базируются на ряде физико-химических явлений и эффектов.

Эффект полевой эмиссии.

В основе работы туннельного микроскопа лежит явление автоэлект-ронной (полевой) эмиссии. Автоэлектронная эмиссия представляет собой явление испускания электронов проводящими телами под действием внешнего электрического поля высокой напряженности.

На рис. 11.5.2 представлена энергетическая диаграмма автоэлектрон-ной эмиссии. На границе металл – вакуум существует потенциальный барьер величиной qφ, где q – заряд электрона, φ – потенциал, отсчитанный от уровня Ферми E_F (работа выхода электрона).

В отсутствие электрического поля распределение потенциала представ-лено в виде кривой Е₁,. Потенциальный барьер имеет бесконечную ширину.

При приложении к энергетическому барьеру потенциала создается поле высокой напряженности Е (≈ 10 ⁸ В/см), которое снижает высоту потенциаль-ного барьера Е₂ и уменьшает его протяженность до величины х₂ – x_1.

Э лектроны в виде дебройлевской волны туннельно просачиваются сквозь сниженный и суженный барьер, создавая ток автоэлектронной эмиссии. Величина плотности тока автоэлектронной эмиссии электронов, подчиняю-щихся статистике Ферми–Дирака,

, (11.5.1)

где C₁ = q³ /(8πhφ) = 1,55·10 ^-6 /φ , ,

m – масса, q – заряд электрона, θ(у) – табулированная функция, φ – работа выхода электрона.

Оценки показывают, что при радиусе закругления острия зонда поряд-ка 10 ÷ 20 нм и приложенном к зазору величиной 0,5 нм напряжении 5 В плотность тока достигает значений порядка 10⁹ А/см².

Пондеромоторные силы.

Под пондеромоторными силами будем подразумевать механические силы, возникающие в проводниках с током.

В рассматриваемом случае проводниками с током являются зонд и область растекания тока в подложке. На поверхность под зондом действует пондеромоторная сила, которая оценивается как отрицательное давление, нормальное к поверхности. Создаваемое механическое напряжение оценива-ется величиной

, (11.5.2)

где ε – диэлектрическая проницаемость среды между зондом и подложкой, ε₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума, Е – напряженность электричес-кого поля. Величины пондеромоторных сил таковы, что достигаются значе-ния, при которых начинается пластическая деформация вещества и его разрушение. В полупроводниковых образцах возможна локальная глубинная деформация.

Электронный пучок большой плотности производит механическое давление на приповерхностный слой. Это давление в паскалях можно оценить из соотношения

, (11.5.3)

где m, v, q – масса, скорость и заряд электрона соответственно, Р_q – удельная мощность пучка (Вт/см²), W — энергия в пучке (кэВ).

Поляризационные эффекты и модификация среды в зазоре.

В области между зондом и подложкой возникает поляризация молекул среды и их перестройка. Формируются проводящие молекулярные мостики из адсорбированных молекул. Если между острием зонда и поверхностью поместить жидкий диэлектрик, то также быстро формируются проводящие мостики. Величину электрического поля Е_т, при котором образуются проводящие мостики, можно вычислить из формулы:

, (11.5.4)

где α – поляризуемость молекулы, μ – дипольный момент молекулы, k – постоянная Больцмана, Т – температура. Таким образом, при Е > Е_т поляри-зованные молекулы в промежутке зонд – поверхность будут связаны механизмом диполь-дипольного взаимодействия и ориентированы по направлению поля, формируя мостики.

В атмосферных условиях возможно формирование из адсорбиро-ванных молекул молекулярных мостиков длиной до 100 нм, которые имеют электрические контакты с подложкой и острием. Сформированные таким образом мостики обладают нелинейными электрическими характеристиками и нестандартными резистивными свойствами.

При Е < Е_т тепловое движение молекул эти мостики разрушает.

Полевое испарение.

При высоких значениях напряженности электрического поля наблюдается явление испарения ионов электрическим полем. Полевое испарение тесно связано с массопереносом в виде потока положительных ионов. Величина напряженности поля в процессе полевого испарения положительно заряженных ионов определяется выражением

, (11.5.5)

где β – кратность ионизации испаряемого атома, I_к — потенциал ионизации, К – кратность ионизации атома, ξ – энергия испарения атома, φ – работа выхода электрона. Ясно, что энергетически более выгодно испарение много-кратно ионизированных, чем однократно ионизированных атомов.

Для отрицательно заряженных ионов значение напряженности элект-рического поля определяется выражением:

, (11.5.6)

где А_к  – сродство к электрону в К-кратном зарядовом состоянии. Процесс стационарного полевого испарения может происходить при выполнении условия для напряженности электрического поля Е_исп > Е_р. В противном случае будут возникать молекулярные мостики между зондом и подложкой.

Локальные потоки тепла.

Плотность туннельного тока может достигать значений 10⁸ А/см². Такие сверхплотные значения тока вызывают на подложке локальный разогрев, который может привести к локальным структурным изменениям вещества.