Викласти принципіальні результати експериментів по дослідженню стану плівок за допомогою скануючого тунельного мікроскопу

Цiкавiсть до дослiджень нанорозмiрних структур породжена загальною тенденцiєю, спрямованою на мiнiатюризацiю електронних пристроїв. Залежнiсть зонної структури об’єкта вiд його розмiру можна використати для iстотного розширення сфери застосування матерiалiв в електронних i оптичних схемах. Змiна положення енергетичних рiвнiв може супроводжуватися змiною умов електронних переходiв i, отже, впливати на ефективнiсть оптичної емiсiї. Просторове квантування створює добре вираженi дискретнi енергетичнi рiвнi в структурах розмiром близько 10 нм i менше. Такi структури, так званi квантовi точки, формують елементну базу для виготовлення одноелектронних транзисторiв, нових фотоелектронних приладiв, а також квантових комп’ютерiв.

Серед способiв створення напiвпровiдникових наноструктур найбiльш поширеними є методи з використанням процесiв самоорганiзацiї, що вiдбуваються при релаксацiї напружених гетероструктур, а також методи, якi модифiкують поверхню для змiнення початкових стадiй росту.

Численi дослiдження довели, що сканувальний тунельний мiкроскоп (СТМ) є ефективним iнструментом не тiльки для дослiдження морфологiї й атомної структури поверхонь, а також i для прямого створення нанорозмiрних структур. Унiкальнi можливостi СТМ були продемонстрованi при модифiкацiї поверхонь металiв, а саме при створеннi таких структур, як “квантовий корал”.

У 1999р. на фiрмi IBM за допомогою тунельного мiкроскопу вдалося регулярно розсадити атоми кобальту вздовж периметра кiльця дiаметром 20 нм на поверхнi мiдi. Якщо помiстити ще один атом кобальту всередину кiльця, то це призводило до виникнення його зображення, iнверсного вiдносно центру кiльця. Це зображення вченi назвали “квантовим мiражем” (рис. 2.1). Ефект легко пояснити iнтерференцiєю дебройлевської хвилi атома кобальту на перiодичну гратку оточуючих його атомiв. Виникнення або вiдсутнiсть зображення залежить вiд положення атому. Якщо

дебройлевськi хвилi додаються за фазою (конструктивна iнтерференцiя), зображення з’являється. При деструктивнiй iнтерференцiї воно зникає. Найбiльш вражаючим є те, що це зображення, хоча i бiльш слабке i розпливчасте, вiдчуває тунельний мiкроскоп! Про це свiдчить отримана з нього картинка. Це, мабуть, перша демонстрацiя хвильової природи окремого атому (але, можливо, всього лише електронiв зовнiшнiх орбiт).

Особливiстю цих експериментiв є використання надзвичайно низьких температур зразка. Це пов’язано з рухливiстю адатомiв при бiльш високих температурах. Атоми переносяться уздовж поверхнi – латеральне перемiщення, так i мiж зразком i зондом СТМ – вертикальне перенесення.

Експеримент i теорiя з латерального перемiщення дають пiдстави стверджувати, що мiж зондом i адатомом виникає “пiдстроювання” хiмiчних зв’язкiв, тодi як при вертикальному перенесеннi важливу роль вiдiграє порушення вiбрацiї зв’язкiв адатом-пiдкладка внаслiдок непружного електронного тунелювання. Поверхнi напiвпровiдникiв завдяки ковалентним зв’язкам є термiчно стiйкiшими, що дає змогу модифiкувати їх при кiм тем-рi.

Ямки або опуклостi (острiвцi) були сформованi на поверхнi зразкiв за допомогою зонда СТМ з прикладенням мiж ними iмпульсiв напруги, зазвичай мiлiсекундної тривалостi. Iмпульси подавали в моменти, коли зонд СТМ пiдводили до поверхнi зразка на вiдстань в 0,3 нм. Пiд дiєю iмпульсу напруги ≈ 3 В поверхня модифiкується завдяки хiмiчнiй i механiчнiй взаємодiї атомiв зонда i зразка. В разi подачi бiльш високих напруг в iнтервалi 4 . . .6 В в режимi постiйного тунельного струму СТМ, коли вiдстань мiж зразком i зондом становить приблизно 0,6 − 0,8 нм, спостерiгає-ться видалення атомiв з поверхнi зразка сiлiцiю. Вiдбувається це через утворення i перенесення позитивних або негативних iонiв пiд дiєю сильного електричного поля СТМ. Цей процес використано для створення канавок завширшки кiлька нанометрiв на поверхнi сiлiцiю.

Крiм перенесення атомiв мiж зразком i зондом СТМ вiдбувається i перемiщення адатомiв уздовж поверхнi зразка вслiд за рухом зонда. Таке перемiщення зумовлене наявнiстю градiєнта електричного поля i вiдбувається у напрямку до мiсця сильнiшого поля, тобто до центра взаємодiї зразка i зонда. Поверхню зразка за допомогою зонда СТМ можна модифiкув i без подання напруги, тобто при механiчн контактi зонда i зразка.

При негативнiй напрузi на вiстрi поверхневi атоми зразка перемiщуються до “центра” взаємодiї, створюючи тривимiрний острiвець розмiром близько 10 нм. Швидкiсть перемiщення визначається як силою заданого тунельного струму, так i значенням прикладеної напруги. Скануванням поверхнi зондом СТМ у режимi безперервного перемiщення атомiв можна створити лiнiї на поверхнi зразка.

Додаткову iнформацiю про механiзм перенесення атомiв отримано пiд час вивчення взаємодiї зразка й зонда СТМ у рiзних експериментальних умовах. Цiкавий ефект дає опромiнення областi взаємодiї зонда i зразка зовнiшнiм електронним пучком. Пiд дiєю опромiнення атоми iз зразка переносяться на вiстря зонда, якщо поверхня сiлiцiю вкрита плiвкою оксиду кремнiю. У перенесення втягуються не тiльки атоми шарiв, нанесених на оксид, а й атоми самого оксиду, а також атоми сiлiцiю пiсля видалення оксиду.

Цей ефект дає змогу створювати вiкна сiлiцiю в його оксидi за допомогою зонда СТМ при кiмнатнiй температурi зразка.

Наведенi в експериментальнi данi отриманi на унiкальнiй надвисоковакуумнiй установцi, камера молекулярно-променевої епiтаксiї якої мiстить СТМ, надвисоковакуумну пушку сканувального вiдбивального електронного мiкроскопа, детектор вторинних електронiв i детектор дифракцiї швидких електронiв. Розмiщення зонда СТМ й електронної пушки давало змогу використовувати їх для одночасного сканування поверхнi зразка i спостереження на екранi за станом вiстря зонда та його манiпуляцiями на поверхнi зразка.

У творення острiвцiв Si. Взаємодiя зразка Si(111) i зонда СТМ у режимi постiйного тунельного струму зумовлює перемiщення атомiв зразка в напрямку до центра взаємодiї. Данi для острiвцiв сiлiцiю, вирощених при рiзних електричних напругах наведено на рис. 2.2. Кожен острiвець має iндивiдуальну форму, що дещо вiдрiзняється вiд форми iнших острiвцiв. Пiд час взаємодiї зонда i зразка Si(111) при пiдвищених температурах утворювався острiвець у формi скошеної пiрамiди iз гранями {311} на бокових сторонах. Цiкаво зазначити, що така сама пiрамiдальна форма острiвцiв спостерiгається й у разi гетероепiтаксiї германiю на поверхнi Si(111) за умови, що покриття германiю вищi вiд покриттiв переходу вiд двовимiрного до тривимiрного росту. Значне розходження у формi острiвцiв свiдчить про рiзний механiзм їх утворення на зразках при кiмнатнiй i при пiдвищенiй температурах.

Розмiр острiвця зростає зi збiльшенням тривалостi взаємодiї зразка i зонда СТМ. Висота острiвцiв досягала 12 нм при тривалостi взаємодiї 100 с. Помiтимо, що для зображення форми острiвця за допомогою СТМ зонд має бути гострiшим, нiж острiвець.

При цьому точнiсть вимiрювання висоти острiвця не залежить вiд форми зонда СТМ. Зростання острiвцiв кремнiю пiд дiєю зонда СТМ залежить вiд сили тунельного струму.

Утворення острiвцiв Ge. Зростання острiвцiв германiю за допомогою зонда СТМ дослiджено на двовимiрних шарах германiю на поверхнi Si(111). Острiвцi германiю утворюються при негативних напругах зсуву зонда в дiапазонi вiд 7 до 10 В. Значне розходження у формi острiвцiв свiдчить про те, що їхнє утворення не є результатом релаксацiї напруженого епiтаксiйного шару германiю на поверхнi Si(111) пiд дiєю електричного поля СТМ, а вiдбувається, ймовiрно, за таким самим механiзмом, як у сiлiцiю. Про це також свiдчать й iншi експериментальнi данi.

Рис. 2.2. Острiвцi силiцiю, вирощенi на поверхнi Si(111) (а). Профiлi поверхнi уздовж лiнiй, що проходять по острiвцях [30] (б), (в)