1 0.5. Изготовление наноструктур и наноприборов с помощью стм и асм.

Описанные в предыдущих разделах методы получения наноструктур в той или иной мере используют элементы хорошо развитой традиционной технологии. В то же время развитие техники привело к появлению оборудо-вания, которое позволяет непосредственно изготовить наноструктуры. Эти возможности появились после изобретения сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) и атомно-силового микроскопа (АСМ).

С помощью иглы СТМ возможно перемещать отдельные атомы и располагать их в нужной последовательности. Если атом, который необходимо переместить, соединен с поверхностью образца ковалентной связью, то электрического поля, создаваемого иглой СТМ, может оказаться достаточно для разрыва этой связи. В результате такого акта атомной эмиссии атом будет прицеплен к кончику иглы. Затем иглу СТМ переме-щают в другую точку поверхности, меняют знак напряжения смещения между иглой и поверхностью образца и помещают атом обратно на поверхность. Так, например, группой исследователей из IBM на поверхности кристалла никеля была изготовлена из отдельных атомов ксенона надпись «IBM». Однако любая созданная таким образом наноструктура может легко разрушаться из-за миграции атомов по поверхности. Именно по этой причине упомянутая выше надпись «IBM» была изготовлена только при гелиевой температуре. Тем не менее, работы в этом направлении нанотехнологии продолжаются при комнатной температуре.

Другой способ использования СТМ в нанотехнологии состоит в том, что между зондом и подложкой прикладывают достаточно большое напряжение, под действием которого материал с кончика зонда начинает напыляться на подложку. При перемещении зонда атомы попадают на поверхность и образуют нить нанометрового масштаба. Предложен также способ разложения металлоорганических соединений при прохождении тока между иглой СТМ и подложкой. В результате металл осаждается на подложку, и таким образом при движении иглы тоже образуют тонкую металлическую нить субмикронного размера. В результате становится возможным изготавливать из нанопроволок рисунки сложной формы, созда-вать элементы наноструктур. Для одновременного изготовления большого количества наноструктур на одной подложке разрабатывают наноманипу-ляторы, содержащие большое число микро-СТМ. Управление наномани-пуляторами производится с помощью компьютера, они способны одновре-менно с изготовлением прибора вести наблюдение за поверхностью, на которой производится сборка наноструктур.

Применение зонда АСМ позволяет использовать непроводящие подложки, он может перемещать атомы чисто механически. Это позволяет разработать новый тип нанолитографии – с применением АСМ. Таким способом был изготовлен МОП-транзистор с общим размером 100 нм и с рабочей областью 60 нм.

Изготовление наноструктур и наноприборов с помощью СТМ и АСМ можно назвать механическим синтезом (механосинтезом). Эти работы находятся в самой начальной стадии развития, и потребуется еще много усилий для доведения методов механосинтеза до уровня промышленного производства.

Другое направление развития в изготовлении компонентов для электроники нанометрового масштаба – это химический синтез (химическая самосборка), в котором используются супермолекулярные структуры. Химическая самосборка – это спонтанная ориентация ряда молекул в энергетически выгодную супермолекулярную структуру. На этой основе возможно изготовление элементов молекулярной электроники, в которых, например, выполнение операций переключения производится за счет перемещения атома. Были выполнены успешные опыты по использованию биологиче­ских молекул для изготовления наноразмерных объектов. В них использовали малые органические молекулы с функциональной группой на одном конце, с помощью которой они прикрепляются к подложке в один ряд (так называемые самособранные монослои (SAM – Self-Assembled Mono-layers)). Они могут быть использованы вместо фоторезиста для защиты поверхности от травящих растворов. В SAM удается получить отверстия нанометрового масштаба и изготовить рисунок, который невозможно создать при помощи обычной литографии. Известны эксперименты по изготовлению упорядоченных нанокластеров CdS с использованием пептидов. Экспери-менты в направлении химического синтеза также находятся в самой начальной стадии развития. Интерес к этому виду нанотехнологии обусловлен тем, что химическая самосборка дает возможность параллельной сборки чрезвычайно большого количества совершенно одинаковых элементов. Для нее также характерен процесс исправления ошибок: в процессе сборки система сама имеет тенденцию освобождать растущую структуру от каких-либо молекул «ошибочного типа» или в «ошибочном положении».

Вопросы для повторения:

1. Что такое молекулярно-лучевая эпитаксия? Чем отличается гетеро-эпитаксия?

2. Перечислите основные узлы установки молекулярно-лучевой эпитаксии.

3. Перечислите важнейшие моменты эпитаксиального роста на примере роста слоев GaAs.

4. Изложите основные принципы применения газовой эпитаксии из металлоорганических соединений.

5. Режимы роста гетероэпитаксиальных структур.

6. Как происходит рост наноструктур на фасетированных поверхностях?

7. Механизм образования трехмерных массивов когерентно-напряженных островков.

8. Получение структуры с модуляцией состава твердого раствора.

9. Изготовление наноструктур и наноприборов с помощью СТМ и АСМ.

Резюме по теме

В процессе изучения темы мы ознакомились с некоторыми аспектами технологии молекулярно-лучевой эпитаксии и газофазной эпитаксии, а также с механизмами роста гетероэпитаксиальных структур.

Литература

1. А.Я. Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков, Физика низкоразмерных систем, Санкт-Петербург, Наука, 2001, с.160.

2. М. Херман, Полупроводниковые сверхрешетки, М., Мир, 1989.

3. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры, под.ред. Л.Ченга и К. Плога, М., Мир, 1989, с.582.

4. З.Ю. Готра, Технология микроэлектронных устройств, М., Радио и связь, 1991.

5. R. Nőtzel, Self-organization growth of quantum –dot structures, Semicond. Sci. Technol. V.11, 1996, p.1365.

6. Н.Н. Леденцов, В.М. Устинов, В.А. Щукин, и др., Гетероструктуры с квантовыми точками: получение, свойства, лазеры., ФТП, Т.32, 1998, с. 385.

7. V.A. Shchkin, D. Bimberg, Spontaneous ordering of nanostructures on crystal surfaces, Rev. Mod. Phys, V.71, 1999, p.1125.

8. I. Daruka, A.L. Barabasi, Dislocation- free islands formation in heteroepitacsial grown: a study at equilibrium, Phys.Rev.Lett. V.79, 1997, p.3708.

9. А.Г. Хачатрян, Теория фазовых превращений и структура фазовых превращений, М., Наука, 1974.

10. С.А. Рыков, Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур, Под.ред. А.Я. Шика, Сп.б.: Наука, 2001.