5.3. Синтез наноструктур с использованием аппаратуры стм и смас

Электрон сам по себе от атома никуда не уходит, но если атом поместить в электрическое поле Е, то электрон может уйти от атома. Под действием внешнего электрического поля Е электрон может туннелировать сквозь потенциальный барьер. Если два атома окажутся достаточно близко друг от друга, то электрон может туннелировать между ними через вакуум или потенциальный барьер. Туннелирование происходит в поле, напряженность которого Е имеет очень большую величину ~ 10⁸…10⁹ В/см. Такие электрические поля можно создать в системе из двух электродов один из которых – острая игла с радиусом закругления r. Если между этими электродами приложить напряжение U, то Е ~ U/r, так что при r = 10^-5 см поле, необходимое для туннелирования, может быть получено при U = 10³ В.

Первый силовой туннельный микроскоп (СТМ) создан в 1982 г. Интерес к СТМ объясняется в первую очередь тем, что этот прибор дает возможность разрешать детали поверхности высотой в сотые доли ангстрем (≈ 10^–10 см) и единицы ангстрем (≈ 10^–8 см) – вдоль нее. СТМ позволяет получать весьма богатую информацию о микрорельефе поверхности, локальной работе выхода электронов, спектре электронных состояний с атомным пространственным разрешением, распределении потенциалов при протекании тока через образец. Добавим к тому же, что СТМ позволяет проводить сборку кластеров вещества из отдельных атомов и молекул.

Если острие укреплено на пьезоэлементе, который изменяет свои размеры под действием управляющего напряжения U, то при подведении его к поверхности образца возникает туннельный ток I. При сканировании острия вдоль поверхности образца с помощью системы обратной связи этот ток можно установить постоянным Iт (так называемый режим постоянного туннельного тока). Тогда зависимость U (х, у) отражает рельеф поверхности, если ее электронные свойства (т.е. работа выхода электронов) однородны.

Разрешение на плоскости зависит от многих факторов, в том числе от структуры острия. Если верхнюю часть острия представить в виде сферы радиусом 10^–5 см, то вклад в туннельный ток будет давать площадка с радиусом 50 Å, т.е. ожидаемое разрешение будет на том же уровне. Однако если в качестве острия используется монокристаллический вольфрам, продольная ось которого совпадает с направлением, то кончик острия имеет форму пирамиды, завершающейся одной или тремя атомами. Экспериментально показано, что предельное разрешение обеспечивается, если туннелирование осуществляется с единственного атома.

Сканирующий микроскоп на атомных силах (СМАС)

В последнее время появились устройства, с помощью которых можно наблюдать отдельные атомы. Таким прибором является сканирующий микроскоп на атомных силах. Между острием и образцом действуют механические силы притяжения и отталкивания (в зависимости от величины зазора) порядка 10⁸…10⁹ Н. Эти силы возникают вследствие взаимодействия Ван-дер-Ваальса между атомами, которые отстоят друг от друга на расстоянии нескольких ангстрем. Эти силы, хотя и малы, поддаются измерению макроскопическим инструментом.

Конструктивно СМАС представляет собой тандем из двух пьезокерамических сканеров, один из которых связан с образцом, а другой – с острием СТМ. Между ними располагается плоская пружина с металлическим или диэлектрическим острием (крупинка алмаза), отклонение которой от положения равновесия контролируется по туннельному току, который протекает между тыльной стороной пружины и острием СТМ.

В качестве зонда атомно-силового микроскопа можно использовать микроминиатюрную упругую пластинку, на свободном конце которой методом фотолитографии формируют острие (кантилевер) из твердого материала (алмаз, нитрид кремния). При перемещении зонда вдоль поверхности регистрируют отклонение кантилевера либо осуществляют перемещение зонда таким образом, чтобы прогиб кантилевера (или сила взаимодействия между зазором и образцом) оставался постоянным. В последнем случае получаемые изображения соответствуют контурам постоянной силы.

Синтез наноструктур с использованием

аппаратуры СТМ и СМАС

Создание наноструктур становится технологически важной областью исследования. Здесь же мы обсудим возможности использования СТМ и СМАС в нанолитографии, а также для создания полевых транзисторов на основе углеродных нанотрубок и магнитных наноточек для хранения памяти.

Взаимодействие, возникающее между заостренной вершиной датчика СТМ и абсорбированным атомом, можно использовать для передвижения атома на новое место его расположения на поверхности. В качестве подложки обычно используются металлические поверхности, на которых выступы и неровности достаточно малы, и, следовательно, необходимы меньшие силы для движения адсорбированных атомов. Однако одним из недостатков металлических поверхностей является то, что при комнатной температуре атомы могут легко перемещаться путем диффузии. В этом случае манипуляции с атомами с помощью СТМ осуществляются при низких температурах, когда тепловая диффузия атомов сведена к минимуму. При этом СТМ может быть использована как для горизонтального, так и для вертикального перемещения атомов, закрепленных на острие датчика.

Семейство наноструктур на основе углерода (молекулы С60 и др., а также углеродные нанотрубки) являются привлекательными объектами, которыми можно управлять при комнатной температуре, используя СТМ и СМАС. Индивидуальные молекулы С60, адсорбированные на металлические или полупроводниковые поверхности, можно перемещать с помощью датчика СТМ путем уменьшения расстояния между вершиной датчика и молекулой С60 и последующего перемещения вместе с вершиной датчика. Нанотрубками можно управлять, используя контакт щупа АСМ с нанотрубкой. Такие манипуляции возможны вследствие того, что взаимодействие между нанотрубкой и подложкой стабилизируется высоко деформированными нанотрубными конфигурациями. В случае графитовой подложки обнаружено, что силы скольжения очень резко увеличиваются при совпадении гексагональной сетки графита и поверхности нанотрубки.

Индивидуальные нанотрубки могут быть позиционированы на электрической подкладке с использованием СМАС. Этот прием применяется для измерения электрических характеристик нанотрубок. Интересно отметить, что проводимость одностенных нанотрубок уменьшается при деформации нанотрубок острийным щупом СМАС. Считается, что уменьшение проводимости связано с изменением сил связи при деформации. Функциональные устройства типа одноэлектронных и полевых транзисторов на основе нанотрубок могут быть сконструированы с помощью СМАС.

Индивидуальные поверхностные атомы могут быть удалены и размещены на новом месте путем прямого контакта вершинной части образца с атомом, расположенном на верхней части датчика СТМ, при пропускании туннельного тока высоких значений или подаче пульсирующего напряжения на датчик. Большое число атомов Si можно удалить, используя высокие туннельные токи (30…50 нА) для того, чтобы создать упорядоченные канавки на поверхности Si.

В общем случае возможно использование СМАС с высокой механической силой (10 пН) для механической обработки поверхности. Например, сделать канавку шириной 35 нм в пленке золота и борозды шириной 10 нм в монокристаллах MoO3. С точки зрения прочностных свойств материалов СМАС используется для получения узких дорожек: 10 нм для GaAs, 20 нм для GaSb / InAs и 30 нм на GaAs / AlGaAs для создания модулей полевых транзисторов.

Перспективна также техника создания множества упорядоченных холмиков, которые можно использовать как хранилище магнитных данных на основе суперпарамагнитного эффекта с плотностью порядка 100 Гбит/дюйм². Считывание информации с такой высокой плотностью возможно только при сканировании острой вершиной датчика СМАС.

Кроме того поверхность может быть обработана с помощью локального нагрева, получаемого на верхней части щупа СТМ при использовании энергии с высокой плотностью. Такой процесс нагрева применяется для кристаллизации аморфных материалов или расплавления металлических стекол.

Литографические процессы с применением СТМ и АСМ предполагают использование механизмов создания локального электрического поля, тока или закрытого контакта. Недавно создан инструмент, имеющий восемь АСМ, позволяющих нанести параллельные полоски покрытий с шириной 50 нм, и хорошее разрешение.

Эксперименты показали, что возможно анодное окисление при подаче отрицательного напряжения смещения на вершину щупа СМАС. В этой химической реакции высокое электрическое поле вершины датчика приводит к образованию анионов кислорода в окружающей среде, которые формируют (Si–O)-связи на поверхности. Площадь окисления зависит от влажности окружающей среды, минимум которой 20 % приводит к образованию линии шириной 10 нм. При использовании углеродных нанотрубок в качестве датчиков СМАС получены оксидные линии шириной 10 нм при скорости сканирования 0,5 мм/с.

Использование СМАС для создания окисных слоев необходимо для производства таких устройств, как полевые и одноэлектродные транзисторы. В 1995 г. был получен полевой транзистор на основе металл-оксидного полупроводника (MOSFET) на кремнии с эффективной длиной канала около 100 нм.

В стандартной электронно-лучевой литографии электроны с энергиями 10…100 кэВ фокусируются в виде узкого луча и используются для облучения чувствительного к электронам резиста. Горизонтальное разрешение обычного резиста ограничено (> 10 нм) вследствие возбуждения вторичных электронов. В литографии при использовании СТМ или проводящих СМАС низкоэнергетические электроны с высокой плотностью излучаются из острой вершины датчика в непосредственной близости от резиста, и поэтому СТМ-литография имеет значительно меньшее обратное рассеяние электронов и, следовательно, может достичь более высокого разрешения. Однако при этом должны использоваться очень тонкие пленки резиста, поскольку низкоэнергетические электроны имеют очень короткую глубину проникновения. Ультратонкие пленки резиста можно получить, используя процесс самоорганизации монослойных пленок.

СТМ и СМАС может использоваться в качестве аппаратуры для наномасштабной литографии при создании планарных наноприборов с размерами около 10 нм и менее.

ЛЕКЦИЯ 15.