Введение к работе
Актуальность работы
С развитием нанотехнологий в микро- и наноэлектронике, в гетерогенном катализе, микромеханике, трибологии и других областях знаний значительное место занимают исследования различных явлений, происходящих на поверхности твердого тела. При этом поверхность рассматривается как основа для формирования и исследования латерально-ограниченных объектов нанометрового размера, основные свойства которых могут существенно отличаться от свойств макрокристаллов того же вещества.
В низкоразмерных системах, в частности в наноструктурах, количество вещества на поверхности и в объеме становятся соизмеримыми, поэтому роль поверхности как более активной составляющей существенно возрастает. Поверхностные наноструктуры с их особыми свойствами играют значительную роль в таких объектах, как сверхрешетки, высокодисперсные системы – адсорбенты и катализаторы, наполнители композиционных материалов, пленочные и мембранные системы, являющихся элементами изделий и оборудования электронной техники.
Современная электроника, двигаясь по пути миниатюризации, подходит к пределу характерных размеров основных элементов в 20 нм, при которых резервы дальнейшего улучшения параметров на основе дрейфово-диффузионного переноса носителей практически исчерпываются и определяющими становятся квантово-размерные и туннельные эффекты. При этом существенно усиливается влияние границ раздела отдельных элементов микросхем.
Актуальность проводимых исследований обусловлена перспективами применения наноэлементов, полученных методами сканирующей туннельной микроскопии, в качестве активных и пассивных элементов устройств электроники, сенсоров различного назначения, потенциальным переходом нанотехнологий от лабораторных исследований к промышленному выпуску.
Низкие энергии туннелирующих электронов (десятки милиэлектронвольт) в режиме измерения в совокупности с возможностью получения высокой напряженности электрического поля (108 В/см) и плотности электронного тока (>109 А/см2) в локальной области на поверхности в сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) позволяют совмещать метрологические и технологические функции, делая СТМ уникальным методом, позволяющим формировать и исследовать наноструктуры.
Современная сканирующая зондовая литография в основном представлена контактными методами пластической деформации: формирование или выравнивание рельефа подложки, селективное оксидирование. В то же время методам бесконтактной локальной модификации поверхности уделяется недостаточно внимания в связи со сложностью получения заведомо сконфигурированных геометрических областей, обусловленной дальнодействующим характером электростатических сил.
Также весьма важным для применения сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ) в широкомасштабных научных исследованиях является отслеживание и систематизация возможных механизмов возникновения артефактов, т.е. аппаратных эффектов, приводящих к наблюдению ложных или искаженных свойств исследуемого объекта.
В рамках данной работы проводились экспериментальные и теоретические исследования бесконтактного метода локальной модификации поверхности проводящих подложек методом сканирующей туннельной микроскопии.
Цели и задачи работы
Целью настоящей работы является создание воспроизводимой контролируемой наноструктуры на поверхности твердого тела методом сканирующей туннельной микроскопии для элементов изделий и оборудования электронной техники.
Для достижения поставленных целей в работе поставлены и решены следующие задачи:
- анализ искажений и ограничений методов сканирующей зондовой микроскопии и разработка методики, учитывающей их влияние на формирование нанобъектов и наноструктур;
- исследование процессов и определение режимов бесконтактного формирования нанообъектов и наноструктур на поверхности тонких пленок методами сканирующей зондовой микроскопии;
- исследование влияния параметров туннельного зазора на формирование нанорельефа на поверхности тонких пленок;
- проведение комплекса экспериментальных исследований локальной модификации поверхности тонких пленок;
- изучение структуры модифицированных участков поверхности;
- разработка методики создания, контроля и визуализации процессов бесконтактного формирования наноструктур на поверхности тонких металлических пленок на воздухе.
Научная новизна работы
-
Впервые разработана методика бесконтактной управляемой модификации поверхности тонких металлических пленок, применяемых в производстве электронных приборов, с образованием воспроизводимых объектов и структур нанометрового диапазона методом сканирующей туннельной микроскопии на воздухе.
-
Установлены основные физические процессы и факторы формирования нанометровых структур, приводящие к локальному изменению свойств поверхности образца под зондом СТМ и образованию нанорельефа, на основе которых предложены расчетные зависимости определения плотности токов электронной эмиссии, локального повышения температуры, электрического поля для массопереноса и пластической деформации для управляемого формирования заданного нанорельефа поверхности.
-
Установлены взаимосвязи между основными физическими характеристиками процесса взаимодействия зонд-поверхность (сила туннельного тока, напряжение между зондом и подложкой, скорость и шаг взаимодействия) и характером модификации поверхности подложки, что позволило обеспечить воспроизводимое контролируемое формирование объектов и структур нанометрового диапазона.
-
На основе сравнительных экспериментальных исследований шаговых поверхностных структур методами сканирующей зондовой и растровой электронной микроскопии установлены и описаны эффекты занижения высоты профиля в СТМ режиме и эффект уширения профиля в режиме атомно-силовой микроскопии (АСМ).
-
Впервые определены основные закономерности влияния воздушного адсорбата на интерпретацию СТМ изображений: пятна адсорбата с размерами, соизмеримыми с расстоянием между зондом и образцом, воспроизводятся как возвышенности, а изображение сплошных участков скопления адсорбата сопровождается понижением рельефа относительно «чистой» поверхности. Установлен эффект формирования локализованных центров размером
50-100 нм, образованных скоплениями поляризованных молекул адсорбата под действием сильного электрического поля в межэлектродном зазоре. -
Разработана методика локального удаления воздушного адсорбата с исследуемого участка поверхности при импульсном бесконтактном взаимодействии электродов СТМ, что обеспечивает значительное улучшение качества и достоверности получаемого изображения поверхности.
Практическая значимость работы
-
Предложенные методики позволяют осуществить технологические процессы бесконтактного формирования поверхностных наноструктур с заданной геометрией и размерами (5-20 нм) и сплошной модификации поверхности с образованием нанообъектов высокой плотности и увеличением поверхностной площади материала (до 40%), предназначенные для:
создания элементной базы наноэлектроники – наноконтактов и нанопроводников, квантовых точек и одноэлектронных транзисторов;
повышения эффективности работы катализаторов и сенсоров путем увеличения поверхностной площади поверхностно-активных материалов для материалов;
улучшения характеристик и выходных параметров лазеров и дисплеев на основе квантовых точек (низкие энергопотребление и интенсивность шума, нечувствительность к колебаниям температур).
-
Установленные закономерности и эффекты, приводящие к наблюдению ложных или искаженных свойств исследуемого объекта, позволяют правильно интерпретировать и использовать полученную с помощью СЗМ информацию.
Достоверность результатов
Достоверность проведенных теоретических исследований и представленных в работе экспериментальных результатов обеспечивается строгим математическим обоснованием предлагаемых подходов, результатами компьютерного моделирования, использованием современных экспериментальных методик, а также согласованностью полученных результатов с теоретическими и экспериментальными данными, имеющимися в российской и зарубежной литературе.
Реализация результатов работы
Результаты диссертации использованы в ФБГНУ «Научно-исследовательский институт перспективных материалов и технологий» при проведении экспериментальных исследований материалов методами сканирующей туннельной и атомно-силовой микроскопии и внедрены в учебный процесс МИЭМ, где используются при чтении лекций и проведении лабораторных работ по дисциплинам «Технология материалов и изделий электронной техники», «Устройства и элементы наномеханики».
Основные положения, выносимые на защиту
-
Результаты экспериментальных исследований бесконтактного формирования наноструктур на поверхности тонких пленок золота и платины в воздушной среде.
-
Пороговые значения туннельного тока и приложенного поля, соответствующие необратимым изменениям рельефа поверхности тонких металлических пленок при СТМ воздействии на воздухе.
-
Основные закономерности бесконтактного формирования наноструктур: формирование выступов при отрицательной полярности на образце, впадин – при положительной полярности на образце.
-
Методика бесконтактной управляемой модификации поверхности тонких металлических пленок с образованием объектов нанометрового диапазона с заданной геометрией расположения методом сканирующей туннельной микроскопии на воздухе.
-
Результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния искажений и воздушного адсорбата на интерпретацию СЗМ информации: эффекты занижения высоты профиля в СТМ режиме и уширения профиля в АСМ режиме, основные закономерности отображения воздушного адсорбата СТМ изображениях.
-
Методика локального удаления адсорбата с исследуемого участка поверхности при импульсном бесконтактном взаимодействии СТМ электродов.
Методы исследования
Для решения поставленных задач использовались основные положения квантовой механики и математической физики.
Выполненные теоретико-экспериментальные исследования и практические расчеты базируются на использовании методов вычислительной математики, современных методов программирования и компьютерного моделирования.
Результаты представленных в диссертации экспериментальных исследований получены с использованием методов сканирующей туннельной, атомно-силовой и растровой электронной микроскопии.
Апробация работы
Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях:
"Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых специалистов МИЭМ" (Москва, 2007-2012 гг.),
Научно-техническая конференция "Вакуумная наука и техника" (Сочи, 2009-2010 гг.),
Международная научно-техническая конференция "Перспективные технологии, оборудование и аналитические системы для материаловедения и наноматериалов" (Алма-Ата, 2009 г.),
2 Всероссийская научная школа для молодежи "Концентрированные потоки энергии в индустрии наносистем, материалов и живых систем" (Москва, 2009 г.),
Международная научно-техническая конференция "Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте" (Одесса, 2010 г.),
VI Всероссийская конференция с элементами научной школы для молодежи "Кадровое обеспечение развития инновационной деятельности в России" (Москва, 2010 г.),
1-ая и 2-ая Всероссийская школа-семинар студентов, аспирантов и молодых ученых по тематическому направлению деятельности национальной нанотехнологической сети "Функциональные наноматериалы для космической техники" (Москва, 2010-2011 гг.).
Публикации по теме работы
По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 3 статьи в научно-технических журналах и сборниках, 11 тезисов докладов и материалов конференций по итогам научных мероприятий, 1 патент РФ на полезную модель. По результатам работы разработано 4 учебно - методических пособия.
Структура и объем работы
Диссертация изложена на 115 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 120 наименований, содержит 34 иллюстрации, 3 таблицы.
Похожие диссертации на Экспериментальное исследование бесконтактного формирования поверхностных наноструктур методом сканирующей туннельной микроскопии
