Исследование механизмов создания наноструктур на поверхности твердого тела с помощью сканирующего туннельного микроскопа и микроскопа атомных сил Ермаков, Алексей Викторович

Введение к работе

Актуальность работы. Разработка надежных, хорошо контролируемых методов создания наноструктур на поверхности твердых тел является ключевой задачей для создания быстродействующих устройств по сверхплотной записи и хранению информации, необходимых для обеспечения высоких скоростей передачи информации в компьютерных сетях, а также для новых технологий производства элементов микроэлектроники.

Сканирующие туннельные микроскопы (СТМ) позволяют модифицировать поверхность, создавая топографические особенности размером от нескольких ангстрем до нескольких сотен ангстрем, что показывает возможность записи информации с плотностью в сотни тысяч раз превышающей плотность, достигаемую используемыми в настоящее время оптическими и магнитными методами записи.

Модификация поверхности с помощью СТМ производится либо посредством индентации, либо посредством подачи повышенной разности потенциалов между острием и образцом или импульсов напряжения на острие, что приводит к реализации различных физических и физико-химических процессов, модифицирующих поверхность в области непосредственно под острием. В настоящее время модификация поверхности указанными способами исследована для ряда избранных материалов в различных средах. Определены параметры процесса модификации, предложены механизмы, показана устойчивость структур в течение длительного времени. Однако, при разработке методов модификации необходимо учитывать также такие факторы, как устойчивость созданной структуры к многократному считыванию и скорость процессов записи и считывания, которые в большинстве случаев остались не исследованными. В связи с вышесказанным исследование физико-химических процессов на атомном уровне, позволяющігх создать и сохранить наноструктуры на поверхности твердого тела, является актуальной задачей физики твердого тела.

Разработка способов записи информации требует оптимизации конструкции СТМ для повышения надежности его работы, увеличения области сканирования и повышения быстродействия системы обратной связи, которая является лимитирующим фактором в быстродействии прибора и, следовательно, всего процесса.

Сканирующий туннельный микроскоп может работать только на проводящих поверхностях, что исключает возможность кодирования информации чередованием проводящих и непроводящих участков. Микроскопы атомных сил ( MAC ) работают как на проводящих, так и на диэлектрических поверхностях и при использовании проводящего острия позволяют регистрировать локальное изменение проводимости. В традиционных конструкциях MAC с мягким сенсором силы это возможно только в контактном режиме работы. Однако, в этом случае силы взаимодействия острия с образцом ( межатомные силы отталкивания ) могут вызвать неупругие деформации и привести к разрушению как острия, так и поверхности. Это полностью исключает использование приборов данных конструкций для считывания информации. Альтернативным подходом является использование пьезоэлектрических сенсоров силы, которые позволяют детектировать силы во всем диапазоне их действия и поддерживать острие на таком расстоянии от поверхности, чтобы не вызывать разрушений. Регистрация сил межатомного взаимодействия с помощью пьезокерамического элемента позволяет объединить функции СТМ и МАС в одном приборе и получать одновременно информацию о топографии поверхности и ее электропроводящих свойствах. В связи с вышесказанным настоящая работа, посвященная исследованию физико-химических процессов, сопровождающих взаимодействие острил с поверхностью твердого тела, и оптимизации режимов работы СТМ и МАС для процессов создания и исследования наноструктур на поверхности твёрдых тел является актуальной.

Нель настоящей работы состояла в исследовании механизмов создания наноструктур на поверхности твердого тела с помощью сканирующего туннельного микроскопа и микроскопа атомных сил. В связи с этим были поставлены следующие задачи:

1. Разработать и создать сканирующий туннельный микроскоп с большим полем сканирования для модификации поверхности и исследования топографических особенностей размером от нескольких ангстрем до Юрм.

2. Разработать и создать микроскоп атомных сил с одновременной регистрацией туннельного тока для исследования поверхностей с различной локальной проводимостью.

3. Провести теоретическое моделирование режима изодинамического сканирования для разработанного МАС/СТМ.

4. Провести исследование процесса локальной модификации тонкой алмазной пленки на кремнии посредством воздействия импульсами напряжения.

5. Исследовать процесс модификации пленки золота на кремнии методом индентации с помощью СТМ.

6. Провести исследование процесса создания палладиевых наноструктур на поверхности Si(lll) с использованием металлорганического комплекса Pd(C₃H₅)(C₅H5) при воздействии СТМ

7. Провести с помощью СТМ исследование изменений структуры поверхности (ОООІ)графита с адсорбированным лантаном при прогреве до различных температур в условиях сверхвысокого вакуума.

Научная новизна.

1. Проведено теоретическое моделирование процесса сканирования в изодинамическом режиме граней золота ( 111 ), ( 011 ), ( 001 ) остриями из вольфрама и хрома с использованием потенциалов межатомного взаимодействия, полученных на основании квантовохимических расчетов.

2. В результате экспериментов по модификации золотой плёнки па кремнии методом индентации с использованием вольфрамового острия показана возможность создания стабильных наноструктур этим методом.

3. Проведено исследование процесса разрушения алмазной пленки на кремнии под действием импульсов напряжения с помощью разработанного МАС Определены пороговое напряжение и продолжительность импульсов.

4. Впервые проведено исследование процесса осаждения палладия на поверхность Si(lll) посредством разложения Pd^HsXCsHs) под действием электронов, эмитированных" с острия СТМ

5. Разработанные оригинальные конструкции пьезодвигателя, системы грубой подводки острия, системы обратной связи позволили создать СТМ с полем сканирования 200 мкм х 200 мкм и разрешающей способностью ЗА по нормали к образцу и ЮА в плоскости образца.

6. Разработан метод детектирования сил межатомного взаимодействия посредством пьезоэффекта пьезокерамического манипулятора. Создан MAC позволяющий одновременную регистрацию туннельного тока при сканировании.

7. Впервые показана возможность получения в системе графит-лантан поверхностной фазы со структурой л/Зх-УзЯЗО⁰ по отношению к элементарной ячейке поверхности (0001) графита, характерной для интеркалятов металлов. Практическая значимость:

1. Разработанный и созданный сканирующий туннельный микроскоп с
большим полем сканирования, работающий на воздухе, нашёл
практическое применение для исследования топографии поверхности
элементов оптики и микроэлектроники в следующих научных и
производственных организациях: НИИ "Полюс", Физико-технический
Институт им АЛХИоффе, Казанский Оптический Институт,
Государственный Оптический Институт им. СЛВавилова.

2. На основе разработанного метода детектирования сил межатомного
взаимодействия с помощью пьезоэффекта в пьезодвигателе сканирующего
туннельного микроскопа был создан атомно-силовой/туннельный
микроскоп, позволяющий производить сканирование в изодинамическом
режиме с одновременной регистрацией туннельного тока. Прибор может
быть использован в микроэлектронной промышленности для измерения
параметров структур.

3. Результаты исследований стабильности и условий создания
наноструктур на поверхности золота методом индентации и локального
разрушения алмазной пленки посредством воздействия импульсами
напряжения могут быть использованы при практическом воплощении
устройств записи и считывания информации на. основе сканирующего
туннельного микроскопа и микроскопа атомных сил.

Ф. Результаты исследований процесса создания палладиевых структур на поверхности Si(lll) посредством разложения Pd(C3Hs)(CjH5) с помощью СТМ могут быть использованы при разработке процессов нанолитографии.

Основные положения, выносимые на зашиту.

1. В результате теоретического моделирования сканирования в изодинамическом режиме кристаллографических граней золота остриями различной формы из W и Сг было показано, что в диапазоне сил притяжения 10"^Ю-3-10"⁹Н при сканировании остриём в форме пирамиды с одним атомом на конце можно получить атомарное разрешение с величиной корругаций 0.1-0.3А. При использовании острия в виде сегмента сферы с радиусом 1000А величина сил притяжения составляет 1040 в диапазоне расстояний остриё-образец 3-7А, что соответствует

интервалу расстояний при получении изображений СТМ в режиме постоянного тока.

2. Модификация диэлектрической алмазной плёнки на поверхности Si(lll) с помощью разработанного микроскопа атомных сил при воздействии импульсами напряжения происходит в результате стимулирования фазового перехода алмаз-графит при напряжённости электрического поля >3-Ю⁷В/см. Получаемые структуры стабильны, обладают высокой электропроводностью и имеют размер в поперечнике ~80нм.

3. Осаждение Pd на поверхности Si(lll) с помощью СТМ из металлорганнческого комплекса Pd(C3H₅)(C₅H5), адсорбированного на поверхности, происходит при напряжении на образце >2,75В под воздействием электронов, эмитированных с острил. Этот метод может быть использован для создания на поверхности Si(lll) палладиевых структур произвольной формы с шириной линии ~30нм.

4. Результаты исследования модификации золотой плёнки на кремнии методом индентации с помощью СТМ показывают, что созданные структуры при диаметре углублений ЗОнм, глубине 15нм и расстоянием между ними не менее 4нм являются устойчивыми.

5. Посредством высокотемпературного отжига(1100О на поверхности графита (0001) с адсорбированным лантаном может быть получена поверхностная фаза иитеркалятоподобного соединения.

Апробания работы.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международной отраслевой выставке «Наука 88» (Москва, 1988), Международной научно-технической выставке «Научприбор 89» (Берлин, ГДР, 1989 г.), Всесоюзной конференции «Поверхность 89» (Черноголовка, 1989 г.), 6-ой Международной конференции по сканирующей туннельной микроскопии СТМ-91 (Интерлакен, Швейцария, 1991) (6* International Conference on Scanning Tunneling Microscopy, STM'91 (Interlaken, Switzerland, 1991)), Второй международной конференции по нанотехнологии и науке (Москва, 1993) (Second International Conference on nanometer scale science and technology (Moscow, Russia, 1993)), Третьем совещании по промышленному применению сканирующей острийной микроскопии (Гейтерсбург, Мериленд, США, 1996) (Third workshop on industrial applications of scanning probe microscopy (Gaithersburg, Md., USA, 1996)) и опубликованы в работах [1-12].

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка цитируемой литературы и приложения. Общий объём диссертации составляет 153 страницы, в том числе 4 таблицы, 42 рисунка, список цитируемой литературы, состоящий из 160 наименований и приложения из 3 таблиц.