Наноматериалы для радиоэлектронных средств. Ч. 2. Исследование наноматериалов с помощью сканирующего туннельного микроскопа (96

Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана

К.В. Малышев, В.М. Башков, С.А. Мешков

НАНОМАТЕРИАЛЫ ДЛЯ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СРЕДСТВ

Часть 2

ИССЛЕДОВАНИЕ НАНОМАТЕРИАЛОВ С ПОМОЩЬЮ СКАНИРУЮЩЕГО ТУННЕЛЬНОГО МИКРОСКОПА

Методические указания к лабораторным работам по курсу «Наноматериалы для радиоэлектронных средств»

М о с к в а Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана

2 0 0 7

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее издание методических указаний соответствует учебной программе курса «Наноматериалы для радиоэлектронных средств».

При выполнении цикла лабораторных работ студенты должны закрепить теоретические сведения о способах исследования и модификации электрических и механических свойств наноматериалов с помощью сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Все работы выполняются на зондовом наносборщике на основе лабораторного СТМ. Экспериментальные исследования основных характеристик наноматериалов позволят студентам глубже уяснить специфику применения и создания наноматериалов для радиоэлектронных средств (РЭС).

По каждой лабораторной работе студент должен подготовить отчет, в котором следует привести результаты измерений, осциллограммы, применяемые структурные и принципиальные схемы, оценки точности измеряемых величин.

После предварительной подготовки и при наличии конспекта проработанного подготовительного материала студент получает допуск преподавателя к выполнению лабораторной работы. Контрольные вопросы в конце каждой работы помогут студенту подготовиться к защите выполненной работы. Защита осуществляется непосредственно на лабораторном оборудовании.

3

Работа № 5. ИЗМЕРЕНИЕ СПЕКТРА ЭЛЕКТРОННЫХ СОСТОЯНИЙ В НАНОМАТЕРИАЛАХ С ПОМОЩЬЮ СТМ

Цель работы — изучение методики измерения зонной структуры наноматериала и закрепление теоретических знаний о токопереносе в наноматериалах.

5.1. Теоретическая часть

СТМ применяют не только для измерения нанорельефа, но и для исследования локального распределения спектра энергетических электронных состояний в наноматериалах (сканирующая туннельная спектроскопия — СТС). При этом исследуемый или модифицируемый наноматериал наносят на проводящую подложку в виде нанослоя или «россыпи» наночастиц. Иглу СТМ располагают в заранее заданной точке с координатами (X, Y) на поверхности подложки на заданной высоте Z около 1 нм над поверхностью. Затем при постоянном зазоре Z между иглой и подложкой измеряют вольт-амперную характеристику (ВАХ) зазора. Напряжение U между иглой и подложкой меняется в диапазоне примерно от –1 до +1 В под управлением ПЭВМ (рис. 5.1). Зависимость I(U) тока I, протекающего через нанометровый зазор Z между иглой и подложкой, измеряется с помощью предусилителя (I → U), изученного в работе № 1.

Для условий сверхвысокого вакуума, когда между металлическими иглой и подложкой нет промежуточной среды, зонная диаграмма при U = 0 показана на рис. 5.2. Электронные состояния в игле и подложке заполнены до уровней Ферми ЕF и разделены потенциальным барьером с высотой, равной работе Ф выхода электрона из металла в вакуум. Типичное значение Ф для чистого

4

Рис. 5.1

металла составляет 5 эВ. Ширина туннельного барьера равна расстоянию Z «игла — подложка».

Когда между иглой и подложкой появляется наноматериал, зонная диаграмма меняется, как показано на рис. 5.3. Если наноматериал близок по свойствам к сплошному слою твердого диэлектрика, то рядом с потенциальным вакуумным барьером на диаграмме появляется барьер, образованный дном зоны проводимости диэлектрика. Обычно его высота на несколько электрон-вольт меньше высоты вакуумного барьера. В этом случае при толщине вакуумного зазора порядка 10 нм электроны могут перейти между иглой и подложкой только поверх обоих барьеров. Если же нано-

Рис. 5.2

5

Рис. 5.3

материал близок по свойствам к жидкому слою полярных молекул типа воды, то на зонной диаграмме могут появиться узкие потенциальные ямы, содержащие резонансные уровни Ерез. По таким уровням может происходить резонансно-туннельный переход электрона между иглой и подложкой. При переходах энергия Е электрона должна совпадать с энергией Ерез в очередной яме по пути следования между иглой и подложкой. Выравнивание энергий может происходить за счет приложения напряжения U между иглой и подложкой.

При подаче напряжения U в диапазоне от 0,1 до 10 В между «чистыми» иглой и подложкой появляется ток I с характерным значением в диапазоне от пикоампер до десятков наноампер. Значение тока I и форма ВАХ I(U) сильно меняются в зависимости от диапазона применяемых напряжений U, радиуса R острия иглы и расстояния Z «игла — подложка». Различают четыре характерных режима: 1) туннелирование через трапецеидальный барьер; 2) резонансное туннелирование; 3) надбарьерный перенос (тепловая или термоэлектронная эмиссия); 4) туннелирование через треугольный барьер (полевая эмиссия).

Туннелирование через трапецеидальный барьер. Такое туннелирование происходит при напряжениях U меньших примерно 1 В и при зазоре Z около 1 нм (рис. 5.4). Здесь электроны в металле с характерной кинетической энергией ЕF около 5 эВ проходят под барьером высотой около 5 эВ на свободные состояния в противопо-

6

ложном металлическом электроде. Приложенное напряжение наклоняет плоскую вершину барьера так, что он становится трапецеидальным. Для этого режима перекос барьера eU (е — заряд электрона) меньше его исходной высоты Ф. Этот режим является традиционным для СТМ-спектроскопии в чистых условиях, т. е. в сверхвысоком вакууме, когда высота барьера Ф порядка 5 эВ. Характерным признаком режима является экспоненциальная зависимость тока I от зазора Z «игла — подложка». Ход этой зависимости I(Z) определяется эффективной высотой барьера Ф. Зависимость I(Z) и форма ВАХ рассматриваются в работе № 6. На воздухе эффективная высота барьера всегда меньше 5 эВ, поэтому более вероятны другие механизмы, например, надбарьерный переход.

Резонансное туннелирование. Этот механизм переноса связан с присутствием в туннельном зазоре нанометровых объектов с полупроводниковой зонной структурой (рис. 5.5). Проявляется оно в том, что туннельный барьер при некоторых энергиях становится «прозрачным» до такой степени, что электроны с подходящей энергией «беспрепятственно» его преодолевают. Точнее говоря, вероятность преодоления барьера оказывается близкой к единице при энергиях Е электрона в узком диапазоне шириной Г (примерно 1 мэВ) около некоторого значения Е0. Эта энергия резонанса Е0 обычно на 0,1 эВ выше энергии дна зоны проводимости ЕС полупроводниковой наночастицы и примерно на 0,5 эВ выше уровня Ферми соседнего металла в отсутствие напряжения U. Приложенное напряжение U сдвигает резонансный уровень Е0 в сторону малых энергий, т. е. приближает Е0 к ЕF, из-за чего ток растет по экспоненте. Этот режим характерен для СТС при наличии полупроводнико-

7

электрона из иглы при увеличении напряжения U выше работы выхода Ф с одновременным увеличением зазора Z примерно до 10 нм (рис. 5.6) в чистых условиях, т. е. при сверхвысоком вакууме. Большой зазор делает туннелирование маловероятным. Напряжение уменьшает эффективную высоту барьера, и вероятность выхода электрона из иглы поверх барьера увеличивается. Число таких электронов с энергией выше барьера определяется «хвостом» распределения Ферми — Дирака. Этот «хвост» с хорошей точностью совпадает с распределением Больцмана. Оказавшись поверх потенциального барьера, электроны ускоренно пролетают зазор в 10 нм между иглой и подложкой без столкновений (баллистический пролет) и достигают подложки с кинетической энергией около 5 эВ. Этот режим удобен для изучения нанометровых слоев диэлектрика в чистых условиях.

На воздухе поверхности иглы и подложки покрыты пленкой конденсированной влаги. Толщина этой пленки может достигать сотен нм, а ее эффективная работа выхода Ф может быть много меньше, чем у идеальных диэлектриков (вплоть до 0,1 эВ). Если высота барьера Ф уменьшается примерно до 1 эВ, то надбарьерный переход становится более вероятен, чем туннелирование. Это происходит не только при больших зазорах Z порядка 10 нм, но и при малых (порядка 1 нм). Как и резонансное туннелирование, этот механизм переноса приводит к экспоненциальным зависимостям тока от напряжения.

Туннелирование через треугольный барьер (полевая эмиссия). Это туннелирование происходит, когда напряжение U на игле

8

тока. При напряжениях U около 10 В режим эмиссии электронов применяется для СТМ-нанотехнологии, а также при начальном сближении иглы с подложкой в условиях сверхвысокого вакуума, как было рассмотрено в работе № 4.

При снятии ВАХ на воздухе типичные осциллограммы тока I и напряжения U выглядят так, как показано на рис. 5.8. В цикле снятия ВАХ сначала напряжение U между иглой и подложкой равно заданному рабочему напряжению обратной связи UОС (например, 0,5 В). При этом система обратной связи (ОС) СТМ поддерживает ток I равным заранее заданному значению IОС (например, 0,5 нА). Затем ОС отключается и напряжение U линейно меняется в заранее заданных пределах (например, от Umin = –1 В до Umax = +1 В) в течение заданного времени (например, 10 мс). Значения измеренного тока I сохраняются в памяти ПЭВМ в массиве ВАХ (рис. 5.9). После прохождения заданных значений U обратная связь восстанавливается на заданное время (например, на 10 мс), после чего процедура снятия ВАХ повторяется.

9

I(t)

Imax

Если измеренная ВАХ близка по форме к экспоненте (кривая 1 на рис. 5.10), т. е. сильно искривляется при увеличении напряжения U в окрестности 1 В, то можно выбирать из двух механизмов: надбарьерный перенос и резонансное туннелирование. Если же ВАХ более плавная (кривые 2 и 3 на рис. 5.10), то можно рассмотреть туннелирование через трапецеидальный барьер (см. работу № 6).

На воздухе типичные ВАХ имеют экспоненциальный вид (как на рис. 5.8). При плохой повторяемости ВАХ, измеряемых через время порядка 10 мс, можно применить усреднение. Такую сред-

10