Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время широкое развитие получила физика ннзкоразмерных структур. Интерес к этой области обусловлен потребностью дальнейшего усовершенствования элементной базы существующих электронных приборов п создания принципиально новых. Принципы работы таких приборов будут базироваться на физических процессах, имеющих место в элементах с атомными размерами, что, но существу, означает переход от микроэлектроники к наноэлектроннке. Поэтому, наряду с дальнейшим усовершенствованием хорошо известной пленарной технологии, все большее внимание привлекают методики, использующие сканирующие зондовые микроскопы (СЗМ), поскольку использование СЗМ сделало реальным достижение физически минимального размера создаваемых структур — атомного.
В настоящее время существует несколько способов модификации поверхности с использованием сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Основные из них можно условно разделить па три вида: механический, химический н под действием сильного электрического ноля. Последний вид, реализующийся в СТМ при приложении к системе осгрпе-обралец импульса напряжения, привлекает особое внимание.
К настоящему времени проведено довольно большое количество исследований модификации поверхности импульсом напряжения и предложены разнообразные механизмы взаимодействия иглы СТА Г с поверхностью образца, такие как термический разогрев поверхности образца, полевое испарение, поверхностная диффузия, стимулированная нолем, электрический контакт, электронно-стимулированная десорбция, э.тектртми грация, стимулированные полем химические реакции, сублимация, индуцированная туннелированием электронов, и другие. Однако, окончательно понять (ризику процессов, приводящих к изменению морфологии поверхности, пока не удалось.
В связи с этим работы, направленные на углубление понимания физических процессов, протекающих при модификации поверхности, представляются весьма актуальными.
Цель диссертационной работы заключалась в исследовании физических процессов, протекающих при модификации поверхности металла в сканирующем туннельном микроскопе сильным электрическим полем, и изучении механизма, отвечающего за такую модификацию. Цель работы определила следующие основные задачи исследования:
изучение зависимости вероятности образования наноструктур от амплитуды, полярности и длительности импульса напряжения в конкретных экспериментальных условиях и сопоставление с известными из литературы результатами;
изучение зависимости вероятности образования наноструктур от амплитуды имнуліїса напряжения для различных значений величины импеданса туннельного промежутка;
— выяснение и теоретическое обоснование механизма модификации поверхности металла в сканирующем туннельном микроскопе сильным электрическим нолем, исследование физических характеристик, определяющих ход процесса модификации.
Научная новизна работы заключается в том, что в рамках настоящего исследования на основании проведенных экспериментов и теоретических расчетов было получено следующее.
-
Впервые предложен механизм образования контакта между иглой н поверхностью металлическою образца. Он заключается в том, что вследствие протекающего эмиссионного тока в цепи игла-образец происходит разогрев вершины острия, что приводит к термическому расширению остріш и соответствующему уменьшению туннельного промежутка.
-
Проведены расчеты напряженности электрического ноля для системы нгла-образец, при малых расстояниях между электродами, позволившие рассмотреть тепловые режимы острия и поверхности.
-
Проведены эксперименты, подтверждающие, что приложение импульса напряжения приводит к образованию электрического контакта между иглой и образцом.
-
Впервые обнаружена сильная зависимость величины критического напряжения, ниже которого изменение морфологии поверхности не наблюдается, от количества протекающего заряда в цени игла-образец.
-
Проведены расчеты эмиссионных характеристик в случае трапециевидной формы потенциального барьера для электронов. Показано, что энергия, выделяемая на острие при эмиссии электрона за счет эффекта ІІоттлітшп, в случае трапециевидной формы потенциального барьера существенно выше, чем это имеет место в случае автоэлектроннон эмиссии.
Результаты экспериментов и проведенные расчеты позволили сформулировать защищаемые положения.
Основные положения, выносимые на защиту.
-
Защищаются экспериментальные результаты, свидетельствующие о наличии электрического контакта между острием и поверхностью металла при приложении импульса напряжения, амплитуда которого превышает пороговое значение.
-
Определяющим фактором в процессе модификации поверхности металла импульсом напряжения является величина количества заряда протекающего в цени острие-образец.
-
В случае трапециевидной формы барьера энергия, которая выделяется на острие при эмиссии электронов за счет оферента Погтпигама, имеет значительно большую величину но сравнению с выделяющейся при автоэлектронной эмиссии.
-
Распределение ноля в системе острие-образец при расстояниях много меньших радиуса кривизны острия таково, что площади эмиссии н плотности тока как при эмиссии электронов из шлы, так и при эмиссии с образца примерно
равны, чем н объясняется отсутствие существенной зависимости вероятности модификации поверхности металла от полярности импульса напряжения.
5. Механизм образования олектрического контакта между острием и образцом п сканирующем туннельном микроскопе при приложении импульса напряжения заключается и термическом расширении привершинной части острия за счет се разогрева током, протекающем в цепи пгла-образец.
(5. При ультразвуковой очистке поверхности в режиме мягкоii кавитации не происходит каких-либо изменений морфологии поверхности. Появление нарушений наблюдается при жестком режиме.
Степень достоверности полученных результатов. Достоверность полученных результатов определяется хорошим совпадением части из них с известными нз литературы результатами, а также их хорошей повторяемостью. Предлагаемый механизм позволяет непротиворечивым образом объяснить имеющиеся особенности модификации поверхности металла импульсом напряжения в СТМ.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах кафедры электроника твердого тела СПбГУ, па 2-ой международной конференции NANO-II (Москва-1993), па XXII конференции по эмиссионной электроники (Москва-1994), на 2-ой международной конференции Nanomeetiiig-II (Минск 199Г)), на 9-ой международной конференции но вакуумной микроэлектронике (Ст.Петербург-1996), на всероссийском рабочем совещании "Зондовая микроскопия-97" (Нижпнй-Новгород, 1997), на всероссийском рабочем совещании "Зондовая микроскопня-98" (Нпжшш-Новгород, 1998).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 10 научных работах, список которых приведен в конце автореферата [2-11].
Структура и объел! диссертации. Диссертация состоит нз введения, четырех глав, заключения и списка литературы из 89 наименований. Объем работы составляет 134 страницы машинописного текста, включая 54 рисунка.
