- •Содержание
- •Тема 1. Введение. Твердое тело. Силы
- •1.1 Введение 9
- •Тема 2. Строение твердого тела 23
- •Тема 3. Дефекты. Роль дефектов в твердом теле 57
- •3.2. Точечные дефекты решетки 57
- •Тема 4. Диаграммы состояния двухкомпонентных
- •Тема 5. Некоторые положения квантовой механики 99
- •Тема 6. Элементы зонной теории твердого тела. Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций квантовой механики 119
- •Тема 7. Полупроводники. Собственный полупро-
- •Тема 8 . Размерное квантование и квантово-размер-
- •Тема 9. Основные положения термодинамики, механизмы роста пленок и образование зародышей 192
- •Тема 10. Технология получения, механизмы и режимы роста гетероэпитаксиальных структур 232
- •Тема 11. Методы получения нанообъектов и квантово-размерных структур 267
- •Тема 12. Методы исследования наноматериалов 341
- •Тема 1. Введение. Твердое тело. Силы взаимодействия. Типы связи.
- •1.1. Введение
- •1.2. Твердое тело. Силы взаимодействия. Типы связи.
- •Тема 2. Строение твердого тела. Цели и задачи изучения темы:
- •2.1. Кристалл.
- •2.2. Решетка Бравэ. Трансляция. Элементарная ячейка.
- •2.3.Элементы симметрии.
- •2.4. Группы симметрии. Сингонии.
- •2.5. Плотнейшие упаковки частиц в структурах.
- •2.6. Жидкие кристаллы.
- •2.7.Наночастицы с гранецентрированной решеткой. Кубоктаэдр.
- •Элементы симметрии.
- •Тема 3. Дефекты. Роль дефектов в твердом теле.
- •3.1. Дефекты кристаллических решеток.
- •3.2. Точечные дефекты решетки
- •3.3. Линейные дефекты кристаллической решетки.
- •3.4 Поверхностные дефекты кристаллической решетки.
- •3.5. Объёмные дефекты кристаллической решетки.
- •3.6. Энергетические дефекты кристаллической решетки.
- •3.7. Твёрдые растворы
- •Поверхностные дефекты кристаллической решетки.
- •Тема 4. Диаграммы состояния двухкомпонентных систем.
- •4.1. Типы диаграмм состояния.
- •Тема 5. Некоторые положения квантовой механики.
- •5.1.Возникновение квантовой механики.
- •5.2. Волновая функция ψ. Плотность вероятности.
- •5.3. Соотношение неопределенности Гейзенберга.
- •5.4. Общее уравнение Шредингера. Уравнение Шредингера для стационарных состояний.
- •5.5. Принцип причинности в квантовой механике.
- •5.6. Движение свободной частицы
- •5.7. Частица в одномерной прямоугольной «потенциальной яме» с бесконечно высокими «стенками».
- •5.8. Прохождение частицы сквозь потенциальный барьер. Туннельный эффект
- •5.9. Линейный гармонический осциллятор в квантовой механике.
- •Принцип причинности в квантовой механике.
- •Движение свободной частицы.
- •Тема 6. Элементы зонной теории твердого тела. Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций квантовой механики.
- •6.1. Взгляд на строение атома и твердого тела с позиций кванто-вой механики.
- •6.1.1. Современный взгляд на строение и свойства
- •6.1.2. Взгляд на строение атома с позиций квантовой механики.
- •6.2. Элементы зонной теории.
- •6.2.1.Основные положения зонной теории.
- •6.2.2. Волновая функция электрона в периодическом поле.
- •6.2. 3. Зоны Бриллюэна.
- •6.2.4. Методы расчета энергетической структуры кристаллов.
- •6.2.4.1. Приближение сильносвязанных электронов.
- •6.2.4.2. Приближение свободных электронов. Энергетический спектр электронов в прямоугольной потенциальной яме.
- •6.2.4.3. Приближение слабосвязанных электронов.
- •6.2.5. Модель Кронига – Пенни.
- •6.2.6. Заполнение зон электронами. Металлы, диэлектрики, полупроводники.
- •Тема 7. Полупроводники. Собственный полупроводник. Генерация и рекомбинация носителей зарядов. Уровень Ферми. Эффективная масса носителя заряда. Примесный полупроводник. Цели и задачи изучения темы:
- •7.1. Полупроводники.
- •7.2.Собственные и примесные полупроводники. Носители заряда в полупроводниках.
- •7.3. Энергия Ферми.
- •7.4. Генерация и рекомбинация носителей зарядов.
- •7.5. Собственная проводимость полупроводника.
- •7.6. Примесные полупроводники.
- •7.6.1. Примесные уровни.
- •7.6.2. Примесная проводимость полупроводников.
- •7.6.3. Полупроводник р-типа.
- •7 .6.4. Сильно легированный полупроводник. Роль беспорядка в кристалле.
- •7.7. Температурная зависимость проводимости примесных полупроводников.
- •7.8. Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике.
- •А плотность дырочного дрейфового тока
- •Вопросы для повторения:
- •Резюме по теме:
- •Тема 8 . Размерное квантование и квантово-размерные структуры.
- •8.1. Принцип размерного квантования
- •8.2. Условия наблюдения квантовых размерных эффектов.
- •8.3. Структуры с двумерным электронным газом.
- •8.4. Структуры с одномерным электронным газом (квантовые нити).
- •8.5. Структуры с нуль-мерным электронным газом
- •8.6. Структуры с вертикальным переносом.
- •Тема 9. Основные положения термодинамики, механизмы роста пленок и образование зародышей.
- •9.1. Основные понятия термодинамики.
- •9.2. Три начала термодинамики.
- •9.3. Термодинамические потенциалы.
- •9.4. Термодинамическая теория фазовых равновесий.
- •9.4.1. Термодинамические системы.
- •9.4.2. Условия фазового равновесия.
- •9.4.3. Фазовые переходы.
- •9.5. Принцип локального равновесия.
- •9.6. Самоорганизация систем.
- •9.7. Поверхностные явления.
- •9.7.1. Поверхностная энергия.
- •9.7.2. Поверхностное натяжение.
- •9.7.3. Капиллярные явления.
- •9.7.4. Адсорбция, десорбция и испарение с поверхности.
- •9.8. Массоперенос и ионизация на поверхности.
- •9.8.1. Массоперенос и ионизация на поверхности.
- •9.8.2. Межфазные характеристики.
- •9.9. Механизмы роста пленок на реальных подложках.
- •Тема 10. Технология получения, механизмы и режимы роста гетероэпитаксиальных структур.
- •10.1. Гетерогенные процессы формирования наноструктур
- •10.1.1. Молекулярно-лучевая эпитаксия.
- •10.2. Газовая эпитаксия из металлоорганических соединений.
- •10.3. Метод нанолитографии.
- •10.4. Самоорганизация квантовых точек и нитей.
- •10.4.1. Режимы роста гетероэпитаксиальных структур.
- •10.4.2. Рост наноструктур на фасетированных поверхностях.
- •10.4.3. Трехмерные массивы когерентно-напряженных островков.
- •10.4.4. Поверхностные структуры плоских упругих доменов.
- •1 0.4.5. Структуры с периодической модуляцией состава в эпи-таксиальных пленках твердых растворов полупроводников.
- •1 0.5. Изготовление наноструктур и наноприборов с помощью стм и асм.
- •Тема 11. Методы получения нанообъектов и квантоворазмерных структур.
- •11.1. Коллоидная и золь-гельная технология.
- •11.1.1. Формирование структур на основе коллоидных растворов.
- •11.1.2. Организация и самоорганизация коллоидных структур.
- •11.1.3. Оптические и электронные свойства коллоидных кластеров.
- •11.1.4. Коллоидные кристаллы. Формирование упорядоченных наноструктур.
- •11.1.5. Золь-гель технология.
- •11.1.6. Методы молекулярного наслаивания и
- •11.1.7. Методы получения металлов и диэлектриков.
- •11.2. Методы получения упорядоченных наноструктур. Гетероструктуры.
- •11.2.1. Гетероструктуры – основа получения наноструктур.
- •11.2.2. Формирование полупроводниковых и металлических нановолокон и спиралей.
- •11.2.3 Самоорганизация при эпитаксиальном росте.
- •12.2.3.1. Наногофрированные структуры.
- •11.2.3.2. Самоорганизация гетероэпитаксиальных структур.
- •11.3. Пучковые методы нанолитографии.
- •11.3.1. Литографические методы формирования структур.
- •11.3.2. Оптическая литография.
- •11.3.3. Рентгеновская литография.
- •11.3.4. Электронная литография.
- •11.3.5. Ионная литография.
- •11.3.6. Возможности пучковых методов нанолитографии в наноэлектронике.
- •11.3.7. Нанопечатная литография.
- •11.3.8. Ионный синтез квантовых наноструктур.
- •11.4. Рост на активированных поверхностях. Нановискеры.
- •11.5. Методы зондовой нанотехнологии.
- •11.5.1. Физические основы зондовой нанотехнологии.
- •11.5.2. Контактное формирование нанорельефа.
- •11.5.3. Бесконтактное формирование нанорельефа.
- •11.5.4. Локальная глубинная модификация поверхности.
- •11.5.5. Межэлектродный массоперенос.
- •11.5.6. Локальное анодное окисление.
- •11.5.8. Совместное использование лазера и стм
- •Тема 12. Методы исследования наноматериалов.
- •12.1. Введение.
- •12.2. Методы исследования химического состава поверхности.
- •12.2.1. Масс-спектроскопия.
- •12.2.3. Ионная масс-спектроскопия.
- •12.2.4. Фотоэлектронная спектроскопия.
- •12.2.5. Радиоспектроскопия.
- •12.3. Исследования физической структуры поверхности.
- •12.3.1. Рентгеноструктурный анализ.
- •12.3.2. Рентгеновская спектроскопия и дифракция.
- •1 2.3.2.1. Рассеяние на аморфных и частично упорядоченных объектах. Малоугловое рентгеновское рассеяние.
- •12.3.2.2. Рентгеновская спектроскопия поглощения: exafs, xans, nexafs.
- •12.3.3. Анализ поверхности электронным пучком.
- •12.3.4. Полевая эмиссионная микроскопия.
- •12.3.5. Сканирующая зондовая микроскопия.
- •12.3.5.1. Сканирующая туннельная микроскопия.
- •12.3.5.2. Атомно-силовая микроскопия.
- •12.3.6. Магнито – силовая микроскопия.
- •12.3.7. Электронная микроскопия.
- •12.3.8. Эллипсометрия.
- •12.4. Спектроскопия.
- •12.4.1. Инфракрасная и рамановская спектроскопия.
- •12.4.2. Фотоэмиссия и рентгеновская спектроскопия.
- •12.5. Методы исследования кинетических свойств объема и поверхности наноматериалов и наноструктур.
- •12.5.1. Исследование удельного сопротивления.
- •12.5.2. Диагностика поверхностных состояний.
- •12.5.3. Кинетические параметры.
11.5.8. Совместное использование лазера и стм
в нанолитографии.
При всех своих преимуществах СТМ как литографический прибор имеет некоторые недостатки. Чтобы сообщить туннелирующим электронам энергию, достаточную для модификации молекул резиста, необходимо прикладывать высокое ускоряющее напряжение и поддерживать ток выше некоторого критического значения. Типичное значение энергии деструкции молекул резиста типа РММА составляет примерно 25 эВ. Чтобы достичь таких энергий, приходится, увеличивая напряжение, смещаться из области туннелирования в область автоэмиссии, что затрудняет работу в воздушной среде. В то же время большое значение тока может привести к нежелательным эффектам, например, разогреву резиста и острия иглы, накоплению заряда в резисте. Избавиться от этого недостатка можно путем совместного использования лазера и СТМ. При совместном использовании прецизионного, но маломощного СТМ и мощного лазера с широким пучком на лазер возлагается функция возбуждения молекул резиста, которые затем могут быть легко разрушены под действием туннельного тока.
При облучении резиста светом видимой части спектра или мягким ультрафиолетовым светом энергии фотонов, которая в этом случае составляет 2 ÷ 20 эВ, недостаточно для фотодеструкции или фотоионизации полимерных молекул. Постоянно приложенное напряжение к игле СТМ сообщает электро-нам недостающую энергию, что вызывает деструкцию молекул резиста. Выби-рая соответствующим образом рабочую частоту лазера, получаем возможность селективного возбуждения и разрыва связей в молекулах резиста. Существует несколько факторов, способствующих реализации описанного метода. Во-пер-вых, поглощение острием иглы СТМ электромагнитного поля (фотонов) приводит к фотоэмиссии электронов. Поскольку значение туннельного тока поддерживается постоянным, то данный эффект вызывает увеличение средней энергии туннелирующих электронов, которые теперь способны вызвать ударную ионизацию молекул резиста. Во-вторых, вблизи острия иглы СТМ имеет место эффект усиления электромагнитного поля на несколько поряд-ков, что дает возможность не только использовать лазер меньшей мощности, но и локализовать это влияние в активной области вблизи острия иглы СТМ.
Рассмотренный выше метод литографии предъявляет повышенные требования к стабильности лазерного излучения ввиду сильного влияния последнего на характер туннелирования электронов.
Если обобщить все сказанное о применении СТМ в нанолитографии, то в итоге можно сформулировать следующее: формирование и сборка наноструктур с помощью сканирующего зонда по существу перспективна, но есть два ограничения – она относительно дорогая и относительно медленная. Хотя достигнуты значительные успехи в построении машин, в том числе и СТМ, использующих сотни или даже тысячи зондов одновременно, создание наноструктур с применением методов зондового сканирования все еще очень похоже на ручную сборку.
Вопросы для повторения
Дать определение коллоидного раствора (золя). Что такое мицелла ?
Расскажите о золь-гельной технологии.
Что представляет собой Методы молекулярного наслаивания и
атомно-слоевой эпитаксии.
Расскажите о методе формирования арсенид-галлиевых нано-трубок.
Как получить нановолокна?
Как получить наногофрированные структуры?
Расскажите о процессе самоорганизации гетероэпитаксиальных структур. Приведите примеры.
В чем сущность процессов зондовой технологии? Поясните примером.
В чем сущность процесса контактного формирования нано-рельефа?
Расскажите о технологии межэлектродного переноса.
Как можно получить «квантовый загон»?
Расскажите о технологии локального анодного окисления.
Что представляет собой СТМ-литография?
Что такое литографический процесс и чем определяется разрешающая способность?
Расскажите о методе оптической литографии.
Что такое рентгеновская литография? Какие у нее преимущества и недостатки?
Что такое электронная литография? Как получить максимальную разрешающую способность?
Расскажите о процессе ионной литографии. В чем ее преимущество перед другими литографическими процессами?
Охарактеризуйте возможности пучковых методов литографии.
Что такое нанопечатная литография?
Расскажите о методе ионного синтеза.
Резюме по теме
В процессе изучения темы мы ознакомились с различными методами получения нанообъектов и наноструктур.
Литература
И.П. Суздалев, Физико-химия нанокластеров, наноструктур и наноматериалов, М., КомКнига, 2006,с.592.
В.К. Неволин, Зондовые нанотехнологии в электронике. М.: Техносфера, 2005,с.152.
В. Л. Миронов, Основы сканирующей зондовой микроскопии. М., Техносфера, 2004, с.144.
Ч. Пул, Ф. Оуэн Нанотехнологии, М., Техносфера, 2007, с.375.
А.Я. Шик, Л.Г. Бакуева, С.Ф. Мусихин, С.А. Рыков, Физика низкоразмерных систем, Санкт-Петербург, Наука, 2001, с.160.
А.А. Щука, Наноэлектроника, М., Физматкнига, 2007, с.464.