Аппаратура и методы синтеза твердотельных наноструктур

1. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ СИНТЕЗА ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ НАНОСТРУКТУР

2. унт

• УНТ имеют отношение длины к диаметру ~ 1000, так что их можно
рассматривать как квазиодномерные структуры [6]. Бездефектные
УНТ представляют собой цилиндрические структуры из свернутых
графеновых слоев, состоящих из атомов углерода, расположенных по
углам сочленения шестиугольников (гексагонов).
• УНТ могут состоять из двух отдельных поверхностей с различными
физическими и химическими свойствами. Первая -боковая
(цилиндрическая) часть трубки, вторая - закрытый торец, по форме
напоминающий половину молекулы фуллерена.
• В зависимости от способа свертывания графенов существует три
формы цилиндрических УНТ: ахиральные типа "кресло" (две стороны
каждого гексагона ориентированы перпендикулярно оси УНТ),
ахиральные типа "зигзаг" (при параллельном положении к оси) и
хиральные (любая пара сторон гексагона расположена к оси УНТ под
углом, отличным от 0 или 90°). На рис. 1.2 указанные отличия
наглядно представлены [7].

3.

4.

5.

6.

7. СВОЙСТВА УГЛЕРОДНЫХ НАНОМАТЕРИАЛОВ

Экспериментальные значения модуля упругости УНТ, полученные различными авторами
1.1. Экспериментальные значения модуля упругости УНТ, полученные различными авторами
№
Е, ТПа
Литература
1
1,3 ± 0,45
[27]
2
0,81 ±
0,41
[28 - 30]
3
0,027
[28 - 30]
4
1,8 ± 0,9
[31]
5
1,28 ±
0,59
[32]
Многослойные
2 6 . 7 6 нм
6
1...1,2
[33]
Многослойные УНТ
7
0,45 ± 0,2
[34]
Жгуты длиной 2 мм и диаметром 10
3
8
3,5
[35]
9
0,01
[36]
10
1,23 ± 0,0 9
[37]
Объект
Однослойные УНТ
Многослойные УНТ,
синтезированные электродуговым
методом
Многослойные УНТ, синтезированные
методом CVD
Многослойные УНТ
УНТ диаметром
мкм, содержащие УНТ с внутренним
диаметром 12 нм и внешним
диаметром 30 нм
Многослойные УНТ диаметром 10...100
нм
Однослойные УНТ, выращенные
методом CVD
Многослойные УНТ с внутренним
диаметром 3,2 нм и внешним
диаметром 14,3 нм, выращенные
методом CVD
Метод
измерения
Частота
колебаний
Упругая
деформация
Упругая
деформация
Тепловые
колебания
Частота
колебаний
Примечание
Сильно
разупорядоченная
структура
300 < Т < 1100 К;
отмечена тенденция
роста Е с уменьшением
диаметра УНТ
Прямое
измерение
Обработка
результатов
измерений
изгибной
деформации
Отмечена тенденция роста
Е с увеличением степени
кристалличности УНТ

8.

предельный модуль Юнга

9.

10.

11. МЕХАНИЗМ РОСТА УГЛЕРОДНЫХ НАНОСТРУКТУР

процесс протекает благодаря диффузии углерода от одного участка поверхности
каталитической частицы, на котором разлагается углеводород, к другому, на котором
происходит высаждение углерода, причем слой металла вблизи поверхности роста
УНВ находится в состоянии насыщения углеродом

12.

13.

14.

15.

16. СИНТЕЗ НАНОСТРУКТУР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АППАРАТУРЫ СТМ И СМАС

. ОСНОВЫ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ
Работа сканирующего туннельного микроскопа (СТМ) основана на туннельном эффекте, который связан с принципом
неопределенности, гласящим, что микрочастицы не имеют точных размеров. Например, для атома, размеры которого определяются
электронным облаком, не существует такой точной границы, чтобы можно сказать, что все электроны находятся внутри, а снаружи их нет.
Но все же возле ядра застать электроны можно почти наверняка, а при удалении от ядра эта вероятность быстро падает примерно по
закону

17.

Изменение волновой функции электрона:
а - в кулоновской потенциальной яме атома; б - под действием внешнего электрического поля Е электрон может
туннелировать сквозь потенциальный барьер; в - если два атома окажутся достаточно близко друг от друга, то
электрон может туннелировать между ними через вакуум или потенциальный барьер; г туннелирование между металлом и цветным атомом на поверхности

18.

Общий принцип туннельной проводимости
(Туннельная проводимость экспоненциально уменьшается с увеличением расстояния
между поверхностями. В вакууме проводимость уменьшается примерно в 10 раз при
увеличении расстояния на 1А)

19. Сканирующий туннельный микроскоп СТМ

Наиболее распространены две
конструкции: трипод, собранный из
трех ортогональных столбиков,
показанный на рис. 2.3, и трубчатый
элемент, удлиняющийся вдоль оси Z и
изгибающийся в двух взаимно
перпендикулярных направлениях где
для сканирования острия 2
используется трубчатый пьезоэлемент
1, внешний электрод которого
разделен на четыре сектора.
Наиболее распространены две
конструкции: трипод, собранный из
трех ортогональных столбиков,
показанный на рис. 2.3, и трубчатый
элемент, удлиняющийся вдоль оси Z и
изгибающийся в двух взаимно
перпендикулярных направлениях где
для сканирования острия 2
используется трубчатый пьезоэлемент
1, внешний электрод которого
разделен на четыре сектора.
Схема СТМ для измерения под слоем
жидкости, подаваемой по капилляру:
капилляр, по которому подается жидкость

20. Сканирующий микроскоп на атомных силах (СМАС)

Между острием и образцом
действуют механические силы
притяжения и отталкивания (в
зависимости от величины зазора)
порядка 108...109 Н. Эти силы не
электрического происхождения, а
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.
Например, пружина с жесткостью 1
Н/м под действием таких сил
отклоняется на несколько
нанометров. Такие силы изменяются
с расстоянием r, хотя не по
экспоненте, но все же достаточно
быстро. К примеру, для двух
удаленных атомов изменение силы
взаимного притяжения можно
выразить как U ~ 1 / r6
СТМ для контроля положения чувствительного
элемента; 5 - пьезоэлемент для модуляции
положения острия СМАС; 6, 7 - пьезосканеры
СМАС и СТМ,
соответственно; 8 - прокладка из витона; 9 корпус из алюминия

21. Синтез наноструктур с использованием аппаратуры СТМ и СМАС

Горизонтальное перемещение атомов
включает в себя следующие операции
[3]:
" вытягивание" и перенос
адсорбированного атома или молекулы
с одного места адсорбции в другое.
Атом или молекула размещается на
вершине датчика вследствие наличия
между ними сил притяжения;
"толкание", когда адсорбированный
атом совершает скачкообразное
движение, находясь на переднем
фронте вершины датчика, при этом
используется отталкивающее
взаимодействие;
3) скольжение, когда адсорбированный
объект, захваченный вершиной
датчика, совершает непрерывное
движение
("волочение" и "скольжение") и (г)
молекулы СО ("толкание") вдоль
направления [110] на поверхности
Cu (211). Вершина датчика движется
слева направо

22. . ИСПОЛЬЗОВАНИЕ СТМ ДЛЯ ПЕРЕСТРОЕНИЯ АТОМОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

В случае Si (111) при увеличении
напряжения смещения вершинный
атом образца отделяется и
приходит в полное
соприкосновение с щупом СТМ.
Только при низких напряжениях
смещения удаляются
адсорбированные атомы Si, тогда
как вершинные атомы трех
поверхностных слоев для своего
отрыва (удаления) требуют более
высокого напряжения (> 2 В).
Большое число атомов Si можно
удалить, используя высокие
туннельные токи (30.50 нА) для
того, чтобы создать упорядоченные
канавки на поверхности Si (111) 7 х
7 [13] (см. рис. 2.8).

23.

Механические процессы, возникающие
при контакте вершины щупа с образцом,
могут быть использованы для
образования структур типа холмиков и
пустот. Например, холмики шириной 20
нм были образованы на поверхности
золота при использовании пульсирующего
напряжения между вершиной щупа СТМ и
поверхностью образца [14]. 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 [15]. С точки
зрения прочностных свойств материалов
СМАС используется для получения узких
дорожек: 10 нм для GaAs [16], 20 нм для
GaSb / InAs [17] и 30 нм на GaAs / AlGaAs
для создания модулей полевых
транзисторов

24. . Перенос материала или изменение его структуры  

. Перенос материала или изменение его структуры
• Испарение под действием электрического поля имеет место
тогда, когда поверхностные атомы ионизируются и удаляются
высоким электрическим полем. Исторически этот процесс
осуществлялся с использованием вершины одноэлектродного
ионного микроскопа (ОИМ). Однако совсем недавно испарение
вершины датчика наблюдалось при более низких полях с
использованием двухэлектродных вершин образцов СТМ.
Поскольку испарение, обусловленное высокими полями,
обычно осуществляется из вершин острия, выбор материала
острия очень важен. Золотые острия имеют преимущество
перед вольфрамовыми или платино-иридиевыми вершинами,
так как золото имеет более низкое пороговое поле испарения и
к тому же не окисляется. Подсчет критических полей для
испарения различных ионов золота показывает, что для
геометрии СТМ [22] преимущественными являются испарения
Au2+, тогда как для геометрии ОИМ - Au+

25. . ОКИСЛЕНИЕ КРЕМНИЯ И МЕТАЛЛОВ

Одним из широко исследованных процессов для "пробной" сканирующей
нанолитографии является анодное окисление поверхности с помощью вершины
датчика-щупа. В этом процессе напряжение смещения вершины датчика СТМ и СМАС
(от - 5 В до 15 В) приводит при наличии обычной влажности к локальному окислению
поверхности кремния или металла. Совсем недавно проводящая вершина датчика
СМАС преимущественно использовалась для получения картины поверхности без
дальнейшего окисления. Однако 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 ^г-0)-связи
на поверхности [27]. Как и ожидалось, площадь окисления зависит от влажности
окружающей среды, минимум которой 20 % приводит к образованию линии шириной
10 нм. При оптимальных условиях реакция окисления осуществляется за 100 нс при
максимальной скорости окисления 10 см/с полоски шириной 30 нм. Результирующая
высота окисла является функцией приложенного напряжения к вершине датчика (в
несколько А окисла/вольт) и времени экспонирования. Зависимость высота окисла от
времени h (t) может быть представлена обратно логарифмической функцией времени
h(t) — 1 / log(t) или прямо логарифмической h(t) ~ 1 / log(t)