1. 1
Сканирующая зондовая микроскопия
Лекция № 14
Примеры нанолитографии с
помощью сканирующего зондового
микроскопа
Содержание лекции
1.Примеры нанолитографии с помощью сканирующего зондового микроскопа.
2.Резистивная микроскопия поверхности углеродных материалов.
3.Локальное анодное окисление.
2. 2Преимущества и недостатки зондовой
нанолитографии
- Нет ограничения по
разрешению, как в
фотолитографии
- Универсальность
- Низкая
производительность
- Малое время жизни
зондов
Зондовая литография — мощный и универсальный метод для лаборатории.
Применение зондовой
литографии в промышленности? ?
3. 3
Разрешение зондовой нанолитографии
Методы зондовой нанолитографии позволяют достичь абсолютного предела по
пространственному разрешению: структуры могут собираться из отдельных атомов
Рис. 3.1. В вакууме с помощью СТМ возможно манипуляция
отдельными атомами.
Заимствовано из S Chen et al 2012 Nanotechnology 23 275301
Рис. 3.2. Стандартные методы
литографии позволяют
обеспечить размеры
создаваемых структур на
уровне 10 нм.
10 нм
4. 4
Нанолитография погружным пером
Рис. 4.1. Принцип нанолитографии погружным пером
Рис. 4.2. Текст из лекции Р. Феймана,
созданный с помощью метода
нанолитографии погружным пером
Подложка
Зонд
АСМ
Направление
письма
Мениск воды
6. 6
Наноиндентирование
Рис. 6.1. АСМ-изображения выборочных шагов в
выполнении наноструктуры, содержащей три
несвязанных части, путем АСМ-литографии и
манипулирования. (А) Исходные позиции двух нанокрис-
таллов МО3, кристалл 1 и кристалл 2 (предпочтительные
направления скольжения указаны двухсторон-
ними стрелками). (B) 52-нанометровая насечка сделана в
кристалле 2 с помощью нанообработки. (С)
58-нанометровый свободный прямоугольник (задвижка)
сделан в кристалле 1, и кристалл 2 передвинут
к кристаллу 1. (D) Кристалл 1 сориентирован относительно
насечки в кристалле 2. (F) Задвижка слома-
на после приложения силы в 41 нН по направлению к оси
насечки. Заимствовано из Kim, Lieber, Science 272 (1996)
1158.
Рис. 6.2. Компьютерная модель
интерфейса между MoO3-MoS2
8. 8
Наноплавление
Рис. 8.1. Схема процесса наноплавления Рис. 8.2. Питы различных размеров и формы,
созданные методом наноплавления. Заимствовано
из G. Binnig, M. Despont, U. Drechsler, W. Häberle, M.
Lutwyche et al. Appl. Phys. Lett. 74, 1329 (1999);
Подложка с полимерной пленкой
Для создания пита зонд
нагревается
пит
9. 9
Манипулирование атомами и молекулами
Рис. 9.1. Манипулирование атомом с помощью
зонда СТМ.
Рис. 9.2. Атомы железа на поверхности меди (111).
Заимствовано с almaden.ibm.com
Подложка
Перемещение
атома
Движение
зонда АСМ
11. 11
Нанопинцет
Рис. 11.1. Принцип действия нанопинцета с
наконечниками из углеродных нанотрубок.
Наконечники прижимаются друг к другу при
подаче напряжения между ними 8.5 В. Слева
показана зависимость расстояния между
наконечниками от приложенного напряжения.
Заимствовано из Philip Kim, Charles M. Lieber
Science 10 December 1999: vol. 286 no. 5447
2148-2150
Рис. 11.2. Захват шарика
полистирола с помощью
нанопинцета.
Заимствовано из Philip Kim,
Charles M. Lieber
Science 10 December 1999:
vol. 286 no. 5447 2148-2150
12. 12
Нанохимия
Рис. 12.2. Слева – изображение полосы из адатомов кремния на гидрированной поверхности Si(100)-2×1.
Справа – полоска из атомов галия.
Заимствовано из Michael A.Walsh and Mark C. Hersam. Annu. Rev. Phys. Chem. 2009. 60:193–216
Кремний
Зонд СТМ
Н
I
Н
I
Н
I
Н
I
Н
I
Н
I
Н
I
Н
I
Ga
Ga
Ga
Ga
Рис. 12.1. Схема разрушения резиста из атомов водорода на поверхности кремния в атмосфере атомов галлия.
13. 13
Десорбция самособирающихся слоев
Пример реакции десорбции алкантиольных самособирающихся слоев на
поверхности золота:
CH3(CH2) nS-Аu + 2H2O → Au + CH3 (CH2) nSO2H + 3e-
+3H+
.
Рис. 13.1. Схема процесса десорбции самособирающихся монослоев. Процесс десорбции не протекает
при нулевой влажности и отсутствии мениска воды.
Подложка
Зонд АСМ
Подложка
Зонд АСМ
Мениск воды
14. 14
Химическое осаждение из газовой фазы
Рис. 14.1. Показано трехмерное изображение кластера меди, полученное при разложении прекурсора при
следующих параметрах: V=−16 В, I=0.01 нА, F=2.6×1012
молекул см−2
с−1
, t=7 мин.
Заимствовано из I. Lyubinetskya, S. Mezhennyb, W.J. Choykec, J.T. Yates Jr. Surface Science Volume 459, Issues
1–2, 1 July 2000, Pages L451–L456.
В СТМ в области зазора действует большое электрическое поле. При попадании в
зазор металлорганических веществ, они могут разлагаться, приводя к осаждению
металла на поверхности.
15. 15
Облучение светом
Рис. 15.1. Схема фотолитографии с использованием малой
апертуры.
Рис. 15.2. Фотонная структура с периодом
решетки 333 нм, полученная методом
фотолитографии с использованием
ближнепольного оптического микроскопа.
Заимствовано из David Richards and Franco
Cacialli. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 2004 362,
771-786
Оптическое
волокно с
отражающим
покрытием
Образец
Фоторезист
Свет
16. 16
Перспективы зондовой литографии
Проект Millipede предполагал создание запоминающих устройств с плотностью записи
информации более чем 1 гигабит на квадратный миллиметр.
Рис. 16.1. Иллюстрация к проекту IBM Millipede. В рамках проекта создается массив кантилеверов с
помощью которых можно осуществлять запись и считывание информации.
18. 18
Зонды для сканирующей резистивной микроскопии
Стандартно используются кремниевые зонды с проводящим покрытием
(Au, Pt, алмазное покрытие).
Рис. 18.1. Схема кантилевера с проводящим
покрытием
Рис. 18.2. Пример изготовления цельнометаллического
зонда. Острие из платиново-иридиевой проволоки,
заостренное с помощью фокусированного ионного пучка.
Заимствовано из REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS
78, 113706 2007 Lynda Cockins, Yoichi Miyahara, Romain
Stomp, and Peter Grutter
Металлическое напыление
для увеличения отражения
света
Покрытие,
обеспечивающее
проводимость зонда
20. 20
Разнообразие углеродных материалов
Аллотропия - существование химического элемента в виде двух или
более простых веществ, различных по строению и свойствам.
Полиморфизм – существование вещества в различных кристаллических
структурах.
sp
sp2
sp3CCC C
CC C
( )
)(
Карбин
Алмаз
Графен
Фуллерен
ГрафитНанотрубка
21. 21Сканирующая резистивная микроскопия
поверхности графита
Генезис
дефектов
Вид дефектов Размерность дефектов Методы
наблюдения
0 1 2
В процессе
синтеза
Включения других
фаз
Поры;
Вздутия
Волокна; Вздутия СТМ, АСМ,
СРМ
Дефекты
строения атомной
решётки,
связанные с
разрывами связей
С-С
Краевые и
винтовые
дислокации с
вектором
Бюргерса,
перпендикулярным
базисной
плоскости
СТМ, АСМ,
СРМ
Точечные
дефекты
Межзёренные
границы
СТМ, СРМ
В процессе
синтеза или в
процессе скола
Дефекты упаковки
слоёв
Дислокационные
ряды
Дислокационные
сетки;
Муары
СТМ, СРМ
В процессе
скола
Дефекты
строения атомной
решётки,
связанные с
разрывами связей
С-С
Звёздообраз-
ные структуры
Ступени скола СТМ, АСМ,
СРМ
22. 22
Контраст атомных террас на поверхности графита
Рис. 22.1. Топографическое и токовые изображения поверхности графита
АСМ
СРМ
Проход слева-
направо
СРМ
Проход справа-
налево
23. 23Дефекты упаковки слоев в графите и их
наблюдение с помощью сканирующей резистивной
микроскопии
Рис. 23.1. АСМ-изображение и СРМ-изображение одного и того же участка поверхности графита
СРМ-изображениеАСМ-изображение
24. 24
Муары
Рис. 24.2. Муар.
Период муара D = (5.3 ± 0.3) нм
Период графита d = 2.46 Å
D = d/(2sin(θ/2)) => θ = (2.7 ± 0.2)oРис. 24.1. Схема образования муара при повороте верхнего
слоя графита.Заимствовано из Pong W.T., Durkan C // J. Phys.
D: Appl. Phys. - 2005. - Vol. 38. - P. R329.
25. 25Дислокационные ряды
b1 b2
... aba ... abc ... aba
... abс ...
(ромбоэдрическая фаза)
... ab ...
(гексагональная фаза)
b1
b2
а
26. 26
Дислокационные сетки
Рис. 26.1. СРМ-изображения одной и той же дислокационной сетки на поверхности графита.
Контраст сетки меняется в процессе сканирования.
28. 28
Особенности локального анодного окисления
Рис. 28.1. Схема, показывающая процесс локального анодного окисления.
Образец - анод
Зонд
АСМ
катод
Мениск воды
(электролит)
М + nН2О → МОn + nH2↑
Оксид
2Н+
+ 2e -
→ 2H2↑
М + nН2О - ne -
→
МOn + 2nH +
29. 29Роль окружающей среды в процессе локального
анодного окисления
Условия Схема процесса E, эВ Utr, В
В вакууме Csol → Cgas 7.43 8.5
Csol → C+
gas
На воздухе C+H2O → CO↑ + H2 ↑ 1.82 2.5
S. Kondo, M. Lutwyche, Y. Wada. APL 75 (1994) 39-44
Для многих материалов напряжения, необходимые для начала процесса
окисления, в вакууме и на воздухе различаются в несколько раз. Ниже
приведен пример для окисления графита.
30. 30Локальное анодное окисление углеродных
материалов
Возможные химические реакции, протекающие при локальном анодном
окислении поверхности углеродных материалов
С(графит) + H2О (ж.) + 1.82 эВ → CO(газ) + H2(газ),
С(графит) + 2H2О (ж.) + 1.85 эВ → CO2(газ) + 2H2(газ),
Рис. 30.1. Наилучшее разрешение (2.5 нм) методом ЛАО на поверхности углеродных
материалов было получено с помощью СТМ. Размер кадра 120х120 нм2
.
Заимствовано из LEVENTE TAPASZTO, GERGELY DOBRIK, PHILIPPE LAMBIN AND LA
´SZLO´ P. BIRO. Nature nanotechnology | VOL 3 | JULY 2008, 397-401
31. 31Полное и частичное окисление углеродных
материалов
Рис. 31.1. Полное окисление графита с образованием
полости.
Напряжение, В:
-8.5 -8 -7.5 -7 -6.5 -6 -5.5 -5
Рис. 31.2. Частичное окисление графита с образованием
выступающих линий.
32. 32
Оксиды графита и графена
Графит → Оксид графита → Оксиды углерода (CO, CO2)
Двухслойный графит
D = 3.35 Ǻ
Оксид графита D = 6-11 Ǻ
Н2О
Н2О
Н2О
Н2О
ОН ОН О
О
ОН
ОСООН
33. 33
Восстановление оксидов графита и графена
Рис. 33.1. Температура зонда 330°C, скорость сканирования 2 μм/с.
Восстановленные области имели проводимость на 4 порядка больше, чем исходный материал.
Заимствовано из Zh. Wei et al., Science, 328, 2012, 1373
34. 34
Локальное анодное окисление металлов
Рис. 34.1. Методом ЛАО была создана оксидная линия на пленке из титана, параллельно измерялось
сопротивление пленки.
Заимствовано из R. Held, T. Heinzel, P. Studerus, K. Ensslin. Physica E 2 (1998) 748-752.
35. 35
Локальное анодное окисление полупроводников
Локальное анодное окисление было выполнено на различных
полупроводниках: пассивированный водородом кремний, GaAs, GaN и др.
Рис. 35.1. Доказательство формирования оксида как на поверхности, так и в глубине полупроводника.
Заимствовано из A. FUHRER, A. DORN, S. LÜSCHER, T. HEINZEL, K. ENSSLIN Superlattices and
Microstructures, Vol. 31, No. 1, 2002
36. 36
Структуры с двумерным электронным газом
Рис. 2.1. Зонная диаграмма для структуры AlGaAs/GaAs с двумерным газом.
Заимствовано из http://www.phys.unsw.edu.au/QED/research/2D_scattering.htm
37. 37Создание наноструктур с помощью локального
анодного окисления
Рис. 37.1. Кольцевой интерферометр, созданный на
поверхности гетероструктуры AlGaAs/GaAs. Заимствовано из
E. B. Olshanetsky, Z. D. Kvon, D. V. Sheglov, A. V. Latyshev, A. I.
Toropov. International Journal of Modern Physics B 2004
Рис. 37.2. Наблюдение осцилляций Ааронова-Бома.
Заимствовано из E. B. Olshanetsky, Z. D. Kvon, D. V.
Sheglov, A. V. Latyshev, A. I. Toropov. International
Journal of Modern Physics B 2004
