3.1. Методы создания наноструктур с помощью сзм

С помощью СТМ, ACM и их модификаций можно не толь­ко исследовать рельеф поверхностей подложек, но и осуще­ствлять модификацию этих поверхностей в нанометровых областях с целью записи на них необходимой информации, для формирования наноструктур, проведения нанолитографии и атомной сборки.

К наиболее простым устройствам, полученным с помощью зондовой нанотехнологии, относятся устройства памяти, за­писывающие и воспринимающие информацию в виде эле­ментов нанометровых размеров. Ниже речь пойдет о некото­рых применениях сканирующих зондовых микроскопов в нанотехнологии и прежде всего об их использовании для за­писи и считывания информации; физических эффектах, ис­пользуемых для этих целей, и других возможностях зондо­вой нанотехнологии.

3.1.1. Физические эффекты, испольуемые в туннельно-зондовой нанотехнологии

Рассмотрим физические эффекты, протекающие в системе зонд-подложка, которые лежат в основе туннельно-зондовой нанотехнологии и которые используются для формирования наноструктур. В сканирующем туннельном микроскопе при напряжении между игольчатым электродом и подложкой 5 ... 10 В и зазо­ре между ними величиной 0,5 нм возникают электрические поля порядка 10 В/см и более, сравнимые с внутриатомны­ми. Преимуществами таких полей являются их локальность (в областях на поверхности подложек до 20 нм) и низкие приложенные напряжения, которые не могут вызывать ионизацию молекул и атомов в межэлектродном зазоре. При таких полях возможны плотности токов электронной эмиссии до ... А/ . Сверхплотный пучок энергетических электронов из игольчатого электрода может вызвать на под­ложке локальный разогрев. Локальное повышение темпера­туры для изотропных подложек будет наблюдаться вдоль по­верхности по радиусу от оси электронного пучка.

Электростатическое поле Е в зазоре порождает также меха­ническое напряжение, нормальное к поверхности электродов за счет их электростатического притяжения, которое пропор­ционально квадрату напряженности электрического поля:

σ = 0,5 – ε · ε₀ · Е²,

где ε₀ и ε — соответственно электрическая постоянная и от­носительная диэлектрическая проницаемость среды между электродами. Это поле может быть достаточным для локаль­ных упругих и пластических деформаций поверхности ме­таллических электродов. Например, на воздухе при полях Е > Е₀ (Е₀ = 2,1 · 10³ · В/см — электрическое поле порога пластической деформации, ст₀ — механическое напряжение, при котором начинается пластическая деформация, Па) воз­можна локальная полевая пластическая деформация ме­таллической подложки в виде бугорков. Явлению локальной пластической деформации может способствовать и локаль­ное тепловыделение при прохождении тока большой плот­ности через поверхностные области подложки, когда ее теплопроводность невелика. При этом более жесткий иголь­чатый электрод может оставаться неизменным.

При Е > Ef возможно полевое (автоэмиссионное) испа­рение отдельных атомов и их комплексов с игольчатого электрода или подложки в зависимости от полярности при­ложенного напряжения (массоперенос). Здесь E_f — порого­вое значение электрического поля, при котором начинается массоперенос в виде положительных ионов. Поля E_f велики и составляют величину ≈ В/см. Пороговое значение E_f может быть снижено за счет локального тепловыделения и за счет лазерного облучения межэлектродного зазора. Электронные токи с плотностями до А/ , которые протекают в СТМ, вызывают не только локальный разогрев подложки, но могут оказывать и существенное влияние на нее в виде пондеромоторных объемных сил. По закону Ам­пера два тока, текущие в малых отрезках проводников, нахо­дящихся на некотором расстоянии друг от друга (в нашем случае зонд с током и область растекания тока в подложке), испытывают механическое (пондеромоторное) взаимодействие посредством возбуждаемых ими магнитных полей. В данном конкретном случае ситуацию можно представить следующим образом. Ток, протекающий по зонду, создает магнитное поле с индукцией В, которое воздействует с си­лой F на область растекания тока плотностью j в подложке. Сила F_,оказывающая давление на подложку в каждой точке области растекания тока, пропорциональна величине маг­нитной индукции, создаваемой током зонда, и плотности тока растекания j в данной точке подложки:

Наибольшее воздействие будет испытывать область подлож­ки, находящаяся непосредственно под острием зонда. Как показывает опыт, через туннельные зонды из вольфрама в защитной среде можно пропускать кратковременные токи до 100 мА. Такие токи создают небольшие магнитные поля, однако за счет сверхбольших плотностей токов значение электродинамической силы может быть существенным. Если давление будет превышать напряжение начала пластическо­го течения материала подложки, то возможно локальное из­менение свойств подложки. Этому способствует и то, что электронный пучок, входящий в подложку, вызывает ее ра­зогрев, снижая величину напряжения пластического тече­ния материала.

Таким образом, основными факторами, определяющими процессы туннельно-зондовой нанотехнологии, являются:

• локальные электрические поля ( ... 10⁹ В/см), сравни­мые с внутримолекулярными и внутриатомными;

• сверхбольшие плотности токов (до А/ ) и их элект­родинамическое воздействие;

• сверхплотные локальные потоки тепла, вызванные проте­кающими токами;

• возможны и внешние инициирующие воздействия (на­пример, лазерное излучение и др.)

Таким образом, возможность создания в СТМ полей до 10⁸... 10⁹ В/см и плотностей токов до 10⁹ А/см² и управление ими в широких пределах позволяет применить их для фор­мирования наноструктур на поверхности подложек. Напом­ним, что СТМ позволяет реализовать при наличии специальным образом подобранных технологических носителей высо­кой чистоты концепцию атмосферной анотехнологии, причем полученные результаты не уступают по многим параметрам ре­зультатам, полученным методами нанотехнологии в глубоком вакууме.