Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Методы литографии и их применение для создания микро- и наноструктур 11
1.1 Основные литографические методы 11
1.2 Методы сканирующей зондовой литографии 12
1.2.1 Принцип сканирующей зондовой литографии 12
1.2.2 Принцип работы атомно-силового микроскопа 12
1.2.3 Виды сканирующей зондовой литографии 17
1.2.4 Локальное анодное окисление: принцип и применение 20
1.2.5 Механическое наноскрайбирование: принцип и применение 28
1.3 Электронно-лучевая литография 30
1.3.1 Принцип электронно-лучевой литографии 30
1.3.2 Резисты для электронно-лучевой литографии 32
1.3.3 Параметры экспонирования 34
1.3.4 Сложности, возникающие во время проведения электронно-лучевой литографии 35
1.3.5 Применение электронно-лучевой литографии 38
1.4 Выводы и постановка задачи 39
Глава 2. Локальное анодное окисление тонких пленок ферромагнитных металлов 41
2.1 Введение 41
2.2 Тонкие пленки ферромагнитных металлов 42
2.2.1 Нанесение 42
2.2.2 Текстура 43
2.3 Методика эспериментов 44
2.3.1 Материалы 44
2.3.2 Инструменты 45
2.3.3 Локальное анодное окисление и параметры его проведения 46
2.3.4 Определение размеров оксидных структур 48
2.4 Влияние параметров локального анодного окисления на размеры оксидных структур 50
2.4.1 Влияние напряжения между зондом и образцом 50
2.4.2 Влияние времени окисления 51
2.4.3 Влияние влажности 53
2.4.4 Влияние амплитуды колебаний зонда 54
2.5 Влияние зонда на размеры оксидных структур 55
2.6 Влияние текстуры пленки никеля на размеры оксидных структур 58
2.7 Выводы 61
Глава 3. Изучение химических и электрических свойств структур, полученных на пленках ферромагнитных металлов с помощью локального анодного окисления 63
3.1 Введение 63
3.2 Вольт-амперные характеристики структур, полученных на пленках ферромагнитных металлов с помощью локального анодного окисления 63
3.3 Оже-спектроскопия структур, полученных на пленках ферромагнитных металлов с помощью локального анодного окисления 67
3.4 Выводы 69
Глава 4. Изучение магниторезистивных свойств структур, полученных на пленках ферромагнитных металлов с помощью наноскрайбирования зондом атомно силового микроскопа 71
4.1 Введение 71
4.2 Магнитосопротивление 71
4.3 Методика эксперимента 73
4.4 Результаты эксперимента 75
4.5 Теоретическое обоснование экспериментальных результатов 79
4.6 Выводы 80
Глава 5. Высокочастотные фононные кристаллы для поверхностных акустических волн на пленках ферромагнитных металлов 82
5.1 Введение 82
5.2 Фононные кристаллы 82
5.3 Исследование возможности создания фононных кристаллов для поверхностных акустических волн с помощью локального анодного окисления 84
5.4 Исследование фононных кристаллов для поверхностных акустических волн, полученных с помощью электронно-лучевой литографии 88
5.4.1 Проектирование 1D фононных кристаллов 88
5.4.2 Разработка технологического процесса получения 1D фононных кристаллов 90
5.4.3 Исследование полученных 1D фононных кристаллов 99
5.4.4 Исследование возможности получения 2D фононных кристаллов 102
5.4.5 Исследование влияния магнитного поля на распространение ПАВ в
структурах Ni/LiNbO3 108
5.5 Выводы 113
Заключение 115
Список сокращений и условных обозначений 117
Список литературы
- Принцип сканирующей зондовой литографии
- Локальное анодное окисление и параметры его проведения
- Вольт-амперные характеристики структур, полученных на пленках ферромагнитных металлов с помощью локального анодного окисления
- Исследование фононных кристаллов для поверхностных акустических волн, полученных с помощью электронно-лучевой литографии
Принцип сканирующей зондовой литографии
АСМ является одним из видов СЗМ и был изобретен в 1986 году Биннингом [18]. Изучение топографии поверхности с помощью СЗМ основано на взаимодействии между микрозондом (кантилевером) и поверхностью образца. Зонды кантилеверного типа показаны на Рисунке 1.1 и выполнены в виде острой иглы (зонда) (1) на особой балке (кантилевере) (2), один конец которой закреплен, а второй свободен. На свободном конце кантилевера находится зонд. Зонды могут иметь различную форму (коническую, пирамидальную и тетраэдальную), а также различные покрытия (Au, Co, TiN, W2C). Острие иглы имеет радиус кривизны десятки нм и длину от 3 до 15 мкм. Чем меньше радиус кривизны зонда, тем большее разрешение можно получить в процессе сканирования. На поверхность кантилевера под иглой нанесено отражающее покрытие, которое является частью системы детектирования. Закреплен кантилевер на твердой подложке (чипе) (3), которая вставляется в держатель на юстировочном столике головки АСМ (Рисунок 1.2) [19]. Наиболее распространенной является прямоугольная форма кантилевера, кантилеверы треугольной формы тоже используются в целях снижения вызывающих деформацию боковых сил [20]. Основными материалами, из которых изготовляют кантилеверы, являются кремний и нитрид кремния, но также доступными являются кантилеверы с зондами из алмаза, оксида кремния и углеродных нанотрубок. Рисунок 1.1. Изображения микрозондов с различной формой: a) прямоугольной, б) треугольной. 1 – зонд, 2 – кантилевер, 3 – чип, полученные с помощью сканирующего
Основной принцип работы АСМ заключается в измерении сил притяжения и отталкивания Ван-дер-Ваальса, возникающих в результате взаимодействия между подложкой и зондом. Величина межатомных сил Ван-дер-Ваальса зависит от расстояния между поверхностью и острием зонда, на Рисунке 1.3 представлена данная зависимость. Правая часть кривой отображает ситуацию, когда атомы острия и поверхности разделены большим расстоянием. По мере сближения они будут сначала очень слабо, а затем все сильнее притягиваться друг к другу. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные облака начнут электростатически отталкиваться. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание будет экспоненциально ослаблять силу притяжения. Эти силы уравновесятся при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем. Когда суммарная межатомная сила станет положительной (отталкивающей), это означает, что атомы вступили в контакт [21].
В отношении контакта между острием зонда и исследуемой поверхностью работа АСМ проходит в одном из трех режимов, соответствующих обозначенным участкам кривой на Рисунке 1.3. Это контактный режим, бесконтактный режим, и их сочетание – полуконтактный режим (или режим “обстукивания”).
В контактном режиме острие сканирующего зонда АСМ приходит в мягкий “физический контакт” с образцом. Межатомная сила в таком режиме работы является отталкивающей. Этот режим не подходит для исследования мягких и упругих образцов из-за возможности их деформации. К тому же, для работы в данном режиме должен быть использован достаточно гибкий кантилевер с высокой резонансной частотой, чтобы он был чувствителен к слабым силам, но в то же время не чувствительным к вибрациям.
В бесконтактном режиме АСМ отслеживает притягивающие Ван-дер-Ваальсовы силы между острием сканирующей иглы и образцом. Зазор между острием и образцом обычно составляет 5– 10 нм. Такой режим позволяет исследовать мягкие и упругие образцы, при этом не загрязняя их при контакте с острием. Так как измеряемые притягивающие силы очень слабы, на результирующее изображение поверхности могут повлиять слои адсорбированной воды и газов. В данном режиме во избежание прилипания зонда к поверхности при сканировании с малой амплитудой используются кантилеверы с высоким коэффициентом упругости.
В полуконтактном режиме зонд колеблется на резонансной частоте кантилевера с такой амплитудой, что при каждом колебании острие касается образца в своей нижней точке. Работа в таком режиме снижает вероятность повреждения образца по сравнению с контактным режимом, а также снижает влияние электростатических сил на зонд, что позволяет получать изображения более высокого разрешения. Амплитуду колебаний зонда задают в зависимости от задачи с помощью величины Set Point (Рисунок 1.4). При уменьшении Set Point амплитуда колебаний также уменьшается, при этом сила взаимодействия между зондом и образцом возрастает. Для проведения сканирования величина Set Point должна быть меньше ( 6 отн. ед. для АСМ Solver P47H), чем при свободных колебаниях ( 10 отн. ед.), а для проведения литографии используются еще более низкие значения Set Point ( 0.2 отн. ед.). свободные колебания (10 on», ед.) режим сканирования (б отн.ед. литография (0.2 1 отн. ед.)
При работе зонда в полуконтактном режиме межатомные силы изменяют фазу колебаний зонда. Данные изменения отображаются на фазовом изображении и показывают различия в механических, адгезивных, упругих свойствах и составе (см. Рисунок 1.5). Маленький фазовый угол на фазовом изображении соответствует материалам с низкими упругими свойствами [22]. Использование фазового изображения при сканировании зондами с магнитным покрытием и процедуры LiftMode позволяет получить информацию о магнитной структуре образца (Рисунок 1.6). Такой режим работы АСМ называется режимом магнитной силовой микроскопии (МСМ).
Топографическое (a) и МСМ (б) изображения магнитной ленты. АСМ состоит из двух основных частей: сканера и детектирующей системы (Рисунок 1.7). Сканер представляет собой пьезоэлектрическую трубку, которая способна отклонять образец в X, Y и Z направлениях. Система детектирования отслеживает отклонения зонда при воздействии на него атомных сил. Она состоит из лазера, отражающей обратной стороны кантилевера и фотодетектора (четырехсекционный фотодиод). Лазерный луч отражается от зонда и попадает в фотодетектор. При изменении отклонения кантилевера происходит смещение луча лазера относительно секций диода и соответственно изменение разностного сигнала с него, которое и показывает амплитуду смещения кантилевера. Исходя из амплитуды смещения, можно судить о силах взаимодействия и соответственно о расстоянии до поверхности.
В работе для проведения процесса сканирующей зондовой литографии использовались АСМ Solver P47 компании NT-MDT и MultiMode компании VEECO (Рисунок 1.8). Обычно микроскоп состоит из виброзащитной системы (1), блока сканера (2), измерительных головок различных типов (3) и блока электроники (4), подключаемого к компьютеру [19, 24].
Локальное анодное окисление и параметры его проведения
Для изучения влияния текстуры пленок Ni на параметры оксидных наноструктур, проводилось сравнение геометрических размеров (высоты h и ширины d) линий на поверхности пленок Ni(111) и Ni(200), сформированных при одинаковых значениях напряжения V и времени окисления Tox. Процесс ЛАО проводился с использованием кантилеверов NSG30 при влажности воздуха =63-70%.
На Рисунках 2.18 a)-б) показаны зависимости параметров h и d от времени окисления Tox, полученные на поверхности пленок Ni(200) и Ni(111) при фиксированном напряжении между кантилевером и пленкой V-10 В. На Рисунках 2.18 в)-е) приведены АСМ изображения оксидных полос на пленках Ni(200) и Ni(111) при Tox1, 2.5 и 5 сек, а так же поперечные сечения полос. Можно видеть, что оксидные наноструктуры на поверхности пленок начинают формироваться (h ) при времени окиcления Tox больше некоторого порогового времени Ttr. Для пленок Ni(200) Tox TtrNi(200) 0.01 сек, тогда как для пленок Ni(111) Tox TtrNi(111)0.2 сек. При этом высота окисла в пленке Ni(111) hNi(111) перестает зависеть от времени Tox при Tox1 сек, тогда как в пленке Ni(200) зависимость hNi(200)(Tox) выходит на насыщение на временах Tox2.5 сек. Высота оксидных полос на пленке Ni(200) при всех временах окисления заметно выше, чем в случае пленок Ni(111) (hNi(200 hNi(111)). При этом не наблюдается заметного различия в ширине полосок на поверхности Ni(200) и Ni(111) (dNi(200)dNi(111)) (Рисунок 2.18 б).
Зависимости геометрических размеров оксидных полос: высоты h (а) и ширины d (б) для пленок Ni(200) (1) и Ni(111) (2) от времени окисления Tox; АСМ изображения (в, г) и профили сечений оксидных линий (д, е) на поверхности пленок Ni(200) (в, д) и Ni(111) (г, е), полученных при времени окисления Tox 1, 2.5 и 5 сек. Сечения оксидных линий на рисунках (в) и (г) получены вдоль линии Ox, обозначенной на АСМ изображениях.
На Рисунке 2.19 показаны зависимости от напряжения V геометрических размеров оксидных линий на поверхности пленок Ni(111) и Ni(200) при фиксированном времени окисления Tox1 сек. Можно видеть, что пороговое напряжение Vtr, при котором становится заметным формирование окисла в случае пленок Ni(200) составляет VtrNi(200)-4 В, тогда как для пленок
Таким образом, ЛАО пленок Ni(111) по сравнению с Ni(200) происходит при больших пороговых величинах разности потенциалов между кантилевером и пленкой (VtrNi(111) VtrNi(200)) и времени окисления (Ttr(111) Ttr(200)), а высота оксидных наноструктур при этом оказывается меньше hNi(111) hNi(200). Эти результаты указывают на большую эффективность ЛАО пленок Ni(200) по сравнению с Ni(111), что согласуется с известными результатами по исследованию окисления Ni [134-135] и, по аналогии с [135], может быть объяснено ростом скорости реакции окисления поверхности (200) за счет меньшей плотности упаковки атомов на поверхности Ni(200) по сравнению с поверхностью Ni(111).
К этому следует добавить, что поверхностная энергия пленок Ni(200) больше, чем пленок Ni(111) ((100) (111)) [146] , что способствует большей смачиваемости пленок Ni(200). Кроме того, модуль упругости Юнга в направлении [100] E[100] 121,3 ГПа оказывается вдвое меньше по сравнению с E[111] 262,2 ГПа [147]. Высокая эластичность Ni в направлении [100], с одной стороны, обеспечивает сам факт роста пленок Ni(200)/SiO2/Si(111), поскольку позволяет скомпенсировать за счет меньших величин энергии упругих деформаций проигрыш в поверхностной энергии [148]. С другой стороны, большая эластичность пленок Ni(200) может способствовать проникновению ионов кислорода на большую глубину, чем в пленках Ni(111) и, тем самым, обеспечивать выполнение условия hNi(200) hNi(111) для оксидных наноструктур. Отметим, что кристаллографическая ориентация оказывает влияние не только на скорость окисления, но и на скорость травления [149], что можно использовать для усиления контраста оксидных наноструктур на поверхности Ni(200) по сравнению с Ni(111). Факт отсутствия заметной разницы в ширине окисленных полосок dNi(200)dNi(111) можно связать с локальностью окисления, за счет чего граница области окисления может играть роль дефекта, который может подавлять влияние кристаллографической ориентации на скорость окисления по плоскости. А также с тем обстоятельством, что размеры в плоскости во многом связаны с размером водяного мениска под зондом, которые, по-видимому в слабой степени определяются различной поверхностной энергией пленок Ni(111) и Ni(200).
В заключение можно сказать, что мы успешно изучили ЛАО пленок ферромагнитных металлов. Мы изучили влияние большого количества параметров проведения ЛАО на геометрические размеры получаемых оксидных наноструктур и определили зависимости размеров от этих параметров для пленок Ni, Fe, Co и FeCo. Было выявлено, что наиболее четкие оксидные линии и с наилучшей воспроизводимостью могут быть получены на пленках Ni и FeCo. Окисление пленок Fe было очень эффективным, но становилось трудно контролируемым при больших напряжениях зонд-образец и длительностях окисления. Окисление пленок Co демонстрировало плохую эффективность и воспроизводимость результатов при напряжениях на зонде ниже -10 В. Таким образом, наилучшими пленками для получения с помощью ЛАО оксидных линий, а также других оксидных структур с заданными размерами, оказались пленки Ni и FeCo. Мы определили оптимальные параметры окисления для получения на данных пленках линий с заданными параметрами. Например, в Таблице 2.7 приведены параметры ЛАО для получения оксидных линий шириной 500 нм и 250 нм.
FeCo 3 Исследования показали, что на формирования оксидных наноструктур методом ЛАО оказывает влияние текстура окисляемой пленки. Было обнаружено, что высота h оксидных наноструктур для пленок Ni(200) больше, чем для пленок Ni(111) при одинаковых значениях времени окисления Tox и напряжении V между кантилевером и пленкой. Так же выявлено, что пороговое значение разности потенциалов между кантилевером и пленкой Vtr для пленок Ni(111) превышает значение Vtr для пленок Ni(200). Таким образом, показано, что эффективность ЛАО пленок Ni(200) выше по сравнению с Ni(111). Состояние зонда АСМ также влияет на процесс ЛАО. Был предложено использовать механическое удаление загрязнений на зонде, возникающих во время процесса окисления. Таким образом, было показано, что с помощью текстуры окисляемой пленки и своевременным очищением зонда после окисления можно управлять эффективностью процесса создания наноструктур с помощью ЛАО, также продлевать время использования кантилевера. Глава 3. Изучение химических и электрических свойств структур, полученных на пленках ферромагнитных металлов с помощью локального анодного окисления 3.1 Введение
Технология локального анодного окисления была рассмотрена в главах 1 и 2. Здесь важно отметить, что при подаче напряжения на кантилевер в водяном мениске, между кантилевером и поверхностью окисляемого проводящего материала, образуются ионы кислорода. Ионы кислорода туннелируют в приповерхностный слой пленки, где вступают в химическую реакцию окисления атомов пленки и в результате формируют наноксидные структуры. Но не всегда приложение напряжения к проводящему кантилеверу реализуется локальное анодное окисление. В некоторых случаях, по видимому реализуется распыление проводщего покрытия кантилевера. Поэтому для использования технологии локального анодного окисления для создания туннельных барьеров представляется важным изучение электрических и химических свойств оксидных наноструктур. В данной главе приводятся результаты таких исследований для структур полученных по технологии, описанной в главах 1 и 2. Приводятся результаты исследований электрических свойств оксидных линий на пленках Ni и FeCo путем измерения вольт-амперных характеристик (ВАХ) металлических микрополосок до и после ЛАО. Для наноструктур, сформированных методом ЛАО на поверхности пленки Ni, методом Оже-спектроскопии проведено исследование химического состава наноструктур.
Вольт-амперные характеристики структур, полученных на пленках ферромагнитных металлов с помощью локального анодного окисления
Было решено для ЭЛЛ использовать электронный пучок с высокой энергией (Ebeam=100 кэВ), так как такой луч позволяет добиться высокого разрешения и избежать большого влияния эффекта близости. В соответствие с размерами структур для каждой из них были выбраны подходящий размер пятна пучка электронов (разрешение) и ток пучка Ibeam. Для снижения эффекта близости подбирались разные дозы экспонирования D. Такие шаги, позволили оптимизировать в целом параметры технологического процесса ЭЛЛ, а также подобрать подходящие резист, дозы экспонирования и процесс проявки.
В работе использовались два наиболее распространенных литографических метода создания структур: литография травления и взрывная литография. В первую очередь были опробованы стандартные процессы литографии травления и взрывной литографии с двухслойной системой резистов для создания микроструктур, разработанные в Институте электроники, микроэлектроники и нанотехнологий (IEMN, Лилль, Франция). Процесс литографии травления оказался неподходящим, из-за трудностей в подборе подходящего травителя. Процесс взрывной литографии с двумя резистами обнаружил проблему адгезии резиста к подложке. В конечном итоге наиболее оптимальным в нашем случае оказался процесс взрывной литографии с одним резистом, были подобраны параметры проведения этого процесса и получены структуры, близкие по размерам к запроектированным. Ниже приведены детальные описания всех опробованных технологических процессов.
Полученные структуры из резиста представлены на Рисунке 5.9. Можно видеть, что Ni линии и электроды ВШП шириной WE=500 нм, полученные при дозе экспонирования D=24 мкКл/см2, однородны и имеют гладкие границы. Эффект близости, исказивший электроды ВШП около контактных площадок (Рисунок 5.9 б), может быть исправлен использованием при экспонировании площадок меньшей дозы. Линии же шириной WE=250 нм не были проявлены до конца, одновременно началось склеивание структур в тех местах, которые были хорошо проявлены (Рисунок 5.9 в).
Травление через сформированные ЭЛЛ маски проводилось для двух образцов в течение 5 минут в двух различных травящих растворах: H3PO4/HNO3/H2O (T=50 C) иHNO3/H2O (1:10). Травитель H3PO4/HNO3/H2O (T=50 C) оказался неподходящим из-за достаточно высокой скорости травления в нем не только Ni, но и резиста. Раствор HNO3/H2O (1:10) оказался подходящим по скорости травления в нем Ni и стойкости к нему резиста. Однако, структуры, полученные с помощью травления в таком растворе, оказались неоднородными с неровными краями, что связано с подтравом пленки Niпод резистом из-за малого размера структур. Подобрать подходящий раствор для травления и получения гладких структур оказалось тяжело. Использование ионного травления также оказалось затруднительным. Поэтому было решено отказаться от литографии травления и перейти к более простому методу получения структур – взрывной литографии.
Для данного метода литографии используют два позитивных резиста. Нижний слой резиста должен быть более чувствительным к экспонированию для того, что бы его проявка происходила быстрее и в результате получился профиль подтрава, облегчающий удаление напыленной пленки во время взрывной литографии. Было решено использовать резист PMMA и его сополимеры. Процесс состоял из следующих шагов:
Нанесение позитивного резиста PMMA 3% 495K. Параметры центрифугирования: скорость 2.500 об/мин, ускорение 1.000 об/мин/сек, время 10 сек. В результате получается слой резиста 75 нм толщиной. Сушка резиста в течение 600 сек при температуре 180 C.
При использовании гладких подложек, таких как LiNbO3 часто возникают проблемы с адгезией к ним резиста. Стандартными приемами для решения данной проблемы являются дегидратация подложки и использование адгезивного агента. Дегидратация улучшает адгезию резиста к подложке, так как резист начинает взаимодействовать непосредственно с поверхностью подложки, а не с адсорбированной на ней водой. Адгезивные агенты используются для того, что бы сделать поверхность гидрофобной и улучшить химическое взаимодействие подложки с резистом. В нашей работе в качестве адгезивного агента использовался гекса метил дисилазан (HMDS). К сожалению, данные методы не помогли избежать проблемы адгезии резиста при проведении процесса создания структур методом взрывной литографии с двухслойной системой. В связи с этим было трудно подобрать подходящую дозу экспонирования: структуры, полученные с использованием низкой дозы оказывались недопроявленными, а при использовании высокой дозы после проявки возникала проблема адгезии структур из резиста к подложке. На Рисунке 5.10 приведено СЭМ изображение, полученное с помощью детектора обратно-рассеянных электронов, структур с плохой адгезией к подложке. Черным цветом на таком изображении отображается резист, а белым –подложка LiNbO3.
Так как стандартные методы улучшения связи резиста и подложки не помогли улучшить адгезию, был сделан вывод, что возникновение проблемы объясняется слишком глубоким для заданных размеров структур профилем подтрава. Уменьшение профиля подтрава возможно уменьшением скорости проявки нижнего слоя резиста, что с свою очередь возможно двумя способами: уменьшением концентрации проявителя или заменой нижнего слоя на менее чувствительный к экспонированию резист. В первую очередь было решено снизить концентрацию раствора проявителя на шаге 7 технологического процесса. Ранее для проявки использовался раствор метил изобутил кетона (MIBK) и изопропилового спирта (IPA) – MIBK:IPA (1:2), он был заменен на раствор MIBK:IPA (1:3). Данная мера не устранила проблему (Рисунок 5.11 а). Поэтому было решено заменить на шаге 2 резист Copo 10% (MAA17,5) на Copo 13% (MAA8,5), имеющий более высокий молекулярный вес, а следовательно меньшую скорость растворения в проявителе. Для получения той же толщины резиста 400 нм были использованы следующие параметры центрифугирования: скорость 4.000 об/мин, ускорение 1.000 об/мин/сек, время 12 сек. После проявки был получен меньший профиль подтрава (Рисунок 5.12), что позволило улучшить адгезию структур, но не решило проблему полностью (Рисунок 5.11 б).
Исследование фононных кристаллов для поверхностных акустических волн, полученных с помощью электронно-лучевой литографии
В данной главе исследовалось создание ФК, чувствительных к магнитному полю, с использованием двух литографических методов – электронно-лучевой литографии и локального анодного окисления зондом АСМ. Оба этих метода активно используются в настоящее время для создания наноструктур высокого разрешения. Хотя эти метода и имеют свои недостатки, мы предлагаем использовать оба их метода для создания высокочастотных ФК.
Создание с помощью ЛАО периодических решеток оксидных линий и использование их в качестве ФК не изучено. В то же время эта технология представляется многообещающей для создания ФК из-за своей простоты и дешевизны относительно ЭЛЛ. ЛАО способствует получению нового материала из исходного, а также созданию массивов структур с различными упругими свойствами без дополнительных процедур, таких как травление. Нами были изучены экспериментальная возможность создания с помощью ЛАО периодических решеток оксидных линий на пленках ферромагнитных металлов. Методом ЛАО получены периодические структуры на основе оксидные полос с периодом от 1 до 2 мкм. Показано, оксидные полосы обладаютс более высокими упругими свойствами по сравнению с исходной пленкой Ni. В рамках подхода на основе COSOL Multiphysics проведенное численное моделирование ФК на основе решеток оксидных линий на пленках Ni и исследовано влияние магнитного поля на ширину и положение запрещенной зоны в спектре ФК. Таким образом, проведена подготовительная работа для реализации 1DФК из оксидных линий на ферромагнитных пленках для частот 2 и 4 ГГц. Для их реализации не подходит АСМ система с одним зондом, требуется использование многозондовой системы.
1D ФК на ферромагнитной пленке Ni были реализованы с помощью ЭЛЛ, которая активно используется для этих целей в настоящее время. Был разработан технологический процесс, подходящий как для создания 1D ФК для частот 2 и 4 ГГц, так и для 2D ФК. Полученные 1D
ФК были экспериментально изучены и обнаружено образование с их помощью запрещенных зон в спектре ПАВ. Теоретически возможность сдвига запрещенной зоны по частоте под влиянием внешнего магнитного поля.
Экспериментально исследовано влияние магнитного поля на прохождение ПАВ в структурах со сплошной пленкой никеля и с одномерным фононным кристаллом в виде решетки из нанополосок никеля. Показано, что существует две области магнитных полей, в которых проявляется взаимодействие ПАВ с магнитной подсистемой пленки никеля и фононного кристалла. Первая область полей отвечает полям перемагничивания образца, где взаимодействие связано с E –эффектом. Вторая область полей отвечает намагниченному до насыщения магнитному образцу и может отвечать резонансному взаимодействию ПАВ и обратных объемных спиновых волн пленки никеля.
Изученные фононные структуры на пленках ферромагнитных металлов могут в дальнейшем быть использованы для создания бесконтактно перестраиваемых ПАВ фильтров. было изготовление и изучение свойств наноразмерных структур на ферромагнитных металлических пленках с использованием двух литографических методов: сканирующей зондовой литографии (использовались два вида – зондовое окисления и зондовое скрайбирование) и электронно-лучевой литографии. У каждого метода есть свои достоинства и недостатки, и поэтому для реализации каждого вида структур был выбран свой метод. Все полученные и изученные наноструктуры являются перспективными для использования в устройствах спинтроники и магнитных датчиках.
Получены следующие основные результаты работы:
Изучено влияние на размеры наноструктур, полученных с помощью ЛАО на ферромагнитных металлических пленках Ni, Fe, FeCo, Co, параметров проведения процесса – напряжения между зондом и поверхностью V, времени окисления T, влажности , амплитуды колебаний зонда SP – а также свойств зонда и текстуры окисляемой пленки. Выяснено, что наилучшая воспроизводимость формирования оксидных наноструктур достигается на пленках Ni и FeCo. Установлены пороговые параметры проведения процесса ЛАО (VtrNiVtrFeCo-4 В, trNi trFeCo 30-40%) и оптимальные параметры для получения структур желаемых размеров. Также было выявлено влияние на размеры оксидных наноструктур текстуры исходной пленки Ni, окисление пленки Ni(200) оказалось эффективнее окисления пленки Ni(111). Обнаружено различие в пороговых напряжениях и временах окисления для пленок Ni текстур (200) и (111): VtrNi(111)6 В VtrNi(200)4 В, TtrNi(111)0.2 сек TtrNi(200)0.01 сек.
Обнаружено формирование в процессе ЛАО материала, отличающегося электрическими и химическими характеристиками от исходного. С помощью Оже-спектроскопии определено повышенное содержание кислорода, что свидетельствует об образовании оксида металла в месте проведения окисления. Установлено, что оксидные наноструктуры имеют неметаллические электрические характеристики и могут образовывать туннельные барьеры, высота которых для пленок FeCo (0.1 эВ) оказывается выше, чем для пленок Ni (0.037 эВ).
С помощью зондового скрайбирования получены магниторезистивные нанопроволоки и изучено анизотропное магнитосопротивление данных структур в диапозоне температур 10-300 К. Доказано, что использование данного литографического метода позволяет управлять Показана возможность применения метода ЛАО к созданию периодических решеток из оксидных линий и теоретически доказана возможность использования таких структур в качестве высокочастотных фононных кристаллов для ПАВ.
Разработан технологический процесс на основе ЭЛЛ, для реализации 1D и 2D фононных кристаллов из пленки Ni для частот 1.9-6 ГГц.
Проведено экспериментальное исследование прохождения ПАВ через реализованные 1D фононные кристаллы. Обнаружены запрещенные зоны в спектре ПАВ на частотах 1.9 ГГц и 3.5 ГГц соответственно. Полученные результаты согласуются с результатами численного моделирования.
Обнаружено изменение затухания ПАВ, проходящей через наноструктурированную ферромагнитную пленку Ni, при приложении магнитного поля. Смоделировано влияние магнитного поля на запрещенную зону для ПАВ в фононных кристаллах, полученных с использованием методов ЛАО и ЭЛЛ. Обнаружено смещение запрещенной зоны по частоте до 10 МГц при воздействии постоянного внешнего магнитного поля.
Результаты работы будут использованы для дальнейшего развития технологических процессов получения магниторезистивных наноструктур и фононных кристаллов высоких частот, управляемых магнитным полем. Ожидается практическая реализация фононных кристаллов с помощью ЛАО, а также исследование возможности их создания с помощью зондового скрайбирования. Представляет интерес создание туннельных барьеров с помощью ЛАО на нанопроволоках, полученных зондовым срайбированием. Результаты данной диссертационной работы и будущих исследований ожидается использовать для создания магнитных датчиков, в том числе беспроводных, основанных на различных эффектах, которые будут обладать высокими чувствительностью и точностью, а также малыми габаритами.