Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

лекция 14 в10

492 views

Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

лекция 14 в10

  1. 1. 1Сканирующая зондовая микроскопияЛекция № 14Примеры нанолитографии спомощью сканирующего зондовогомикроскопаСодержание лекции1.Примеры нанолитографии с помощью сканирующего зондового микроскопа.2.Резистивная микроскопия поверхности углеродных материалов.3.Локальное анодное окисление.
  2. 2. 2Преимущества и недостатки зондовойнанолитографии- Нет ограничения поразрешению, как вфотолитографии- Универсальность- Низкаяпроизводительность- Малое время жизнизондовЗондовая литография — мощный и универсальный метод для лаборатории.Применение зондовойлитографии в промышленности? ?
  3. 3. 3Разрешение зондовой нанолитографииМетоды зондовой нанолитографии позволяют достичь абсолютного предела попространственному разрешению: структуры могут собираться из отдельных атомовРис. 3.1. В вакууме с помощью СТМ возможно манипуляцияотдельными атомами.Заимствовано из S Chen et al 2012 Nanotechnology 23 275301Рис. 3.2. Стандартные методылитографии позволяютобеспечить размерысоздаваемых структур науровне 10 нм.10 нм
  4. 4. 4Нанолитография погружным перомРис. 4.1. Принцип нанолитографии погружным перомРис. 4.2. Текст из лекции Р. Феймана,созданный с помощью методананолитографии погружным перомПодложкаЗондАСМНаправлениеписьмаМениск воды
  5. 5. 5Нанопечать жидкими черниламиРис. 5.1. Схема выполнения нанопечати жидкими черниламиПокровное стеклоПленка из хромаПодводящаятрубкаДержателькапилляраЗаостренныйкапилляр
  6. 6. 6НаноиндентированиеРис. 6.1. АСМ-изображения выборочных шагов ввыполнении наноструктуры, содержащей тринесвязанных части, путем АСМ-литографии иманипулирования. (А) Исходные позиции двух нанокрис-таллов МО3, кристалл 1 и кристалл 2 (предпочтительныенаправления скольжения указаны двухсторон-ними стрелками). (B) 52-нанометровая насечка сделана вкристалле 2 с помощью нанообработки. (С)58-нанометровый свободный прямоугольник (задвижка)сделан в кристалле 1, и кристалл 2 передвинутк кристаллу 1. (D) Кристалл 1 сориентирован относительнонасечки в кристалле 2. (F) Задвижка слома-на после приложения силы в 41 нН по направлению к осинасечки. Заимствовано из Kim, Lieber, Science 272 (1996)1158.Рис. 6.2. Компьютерная модельинтерфейса между MoO3-MoS2
  7. 7. 7НанопришивкаРис. 7.1. Схема, показывающая процесс нанопришивкиПодложкаПодложка ПодложкаЗонд АСМ Зонд АСММолекулы,образующиесамособирающиесямонослои
  8. 8. 8НаноплавлениеРис. 8.1. Схема процесса наноплавления Рис. 8.2. Питы различных размеров и формы,созданные методом наноплавления. Заимствованоиз G. Binnig, M. Despont, U. Drechsler, W. Häberle, M.Lutwyche et al. Appl. Phys. Lett. 74, 1329 (1999);Подложка с полимерной пленкойДля создания пита зонднагреваетсяпит
  9. 9. 9Манипулирование атомами и молекуламиРис. 9.1. Манипулирование атомом с помощьюзонда СТМ.Рис. 9.2. Атомы железа на поверхности меди (111).Заимствовано с almaden.ibm.comПодложкаПеремещениеатомаДвижениезонда АСМ
  10. 10. 10Манипулирование наноструктурамиРис. 10.1. Перемещение фрагмента нанотрубки вдоль поверхности слюды под действием зонда АСМ.
  11. 11. 11НанопинцетРис. 11.1. Принцип действия нанопинцета снаконечниками из углеродных нанотрубок.Наконечники прижимаются друг к другу приподаче напряжения между ними 8.5 В. Слевапоказана зависимость расстояния междунаконечниками от приложенного напряжения.Заимствовано из Philip Kim, Charles M. LieberScience 10 December 1999: vol. 286 no. 54472148-2150Рис. 11.2. Захват шарикаполистирола с помощьюнанопинцета.Заимствовано из Philip Kim,Charles M. LieberScience 10 December 1999:vol. 286 no. 5447 2148-2150
  12. 12. 12НанохимияРис. 12.2. Слева – изображение полосы из адатомов кремния на гидрированной поверхности Si(100)-2×1.Справа – полоска из атомов галия.Заимствовано из Michael A.Walsh and Mark C. Hersam. Annu. Rev. Phys. Chem. 2009. 60:193–216КремнийЗонд СТМНIНIНIНIНIНIНIНIGaGaGaGaРис. 12.1. Схема разрушения резиста из атомов водорода на поверхности кремния в атмосфере атомов галлия.
  13. 13. 13Десорбция самособирающихся слоевПример реакции десорбции алкантиольных самособирающихся слоев наповерхности золота:CH3(CH2) nS-Аu + 2H2O → Au + CH3 (CH2) nSO2H + 3e-+3H+.Рис. 13.1. Схема процесса десорбции самособирающихся монослоев. Процесс десорбции не протекаетпри нулевой влажности и отсутствии мениска воды.ПодложкаЗонд АСМПодложкаЗонд АСММениск воды
  14. 14. 14Химическое осаждение из газовой фазыРис. 14.1. Показано трехмерное изображение кластера меди, полученное при разложении прекурсора приследующих параметрах: V=−16 В, I=0.01 нА, F=2.6×1012молекул см−2с−1, t=7 мин.Заимствовано из I. Lyubinetskya, S. Mezhennyb, W.J. Choykec, J.T. Yates Jr. Surface Science Volume 459, Issues1–2, 1 July 2000, Pages L451–L456.В СТМ в области зазора действует большое электрическое поле. При попадании взазор металлорганических веществ, они могут разлагаться, приводя к осаждениюметалла на поверхности.
  15. 15. 15Облучение светомРис. 15.1. Схема фотолитографии с использованием малойапертуры.Рис. 15.2. Фотонная структура с периодомрешетки 333 нм, полученная методомфотолитографии с использованиемближнепольного оптического микроскопа.Заимствовано из David Richards and FrancoCacialli. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A 2004 362,771-786Оптическоеволокно сотражающимпокрытиемОбразецФоторезистСвет
  16. 16. 16Перспективы зондовой литографииПроект Millipede предполагал создание запоминающих устройств с плотностью записиинформации более чем 1 гигабит на квадратный миллиметр.Рис. 16.1. Иллюстрация к проекту IBM Millipede. В рамках проекта создается массив кантилеверов спомощью которых можно осуществлять запись и считывание информации.
  17. 17. 17Принципы сканирующей резистивной микроскопииРис. 17.1. Схема устройства СРМ (сканирующего резистивного микроскопа)
  18. 18. 18Зонды для сканирующей резистивной микроскопииСтандартно используются кремниевые зонды с проводящим покрытием(Au, Pt, алмазное покрытие).Рис. 18.1. Схема кантилевера с проводящимпокрытиемРис. 18.2. Пример изготовления цельнометаллическогозонда. Острие из платиново-иридиевой проволоки,заостренное с помощью фокусированного ионного пучка.Заимствовано из REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS78, 113706 2007 Lynda Cockins, Yoichi Miyahara, RomainStomp, and Peter GrutterМеталлическое напылениедля увеличения отражениясветаПокрытие,обеспечивающеепроводимость зонда
  19. 19. 19Преимущества сканирующей резистивноймикроскопииТопографическоеизображениеТоковоеизображениеПрофиль топографическогоизображенияПрофиль токового изображенияРис. 19.1. АСМ-изображение слева и СРМ-изображение справа для поверхности графита, содержащегоучасток оксида графита. Справа показаны соответствующие профили поверхности.
  20. 20. 20Разнообразие углеродных материаловАллотропия - существование химического элемента в виде двух илиболее простых веществ, различных по строению и свойствам.Полиморфизм – существование вещества в различных кристаллическихструктурах.spsp2sp3CCC CCC C( ))(КарбинАлмазГрафенФуллеренГрафитНанотрубка
  21. 21. 21Сканирующая резистивная микроскопияповерхности графитаГенезисдефектовВид дефектов Размерность дефектов Методынаблюдения0 1 2В процессесинтезаВключения другихфазПоры;ВздутияВолокна; Вздутия СТМ, АСМ,СРМДефектыстроения атомнойрешётки,связанные сразрывами связейС-СКраевые ивинтовыедислокации свекторомБюргерса,перпендикулярнымбазиснойплоскостиСТМ, АСМ,СРМТочечныедефектыМежзёренныеграницыСТМ, СРМВ процессесинтеза или впроцессе сколаДефекты упаковкислоёвДислокационныерядыДислокационныесетки;МуарыСТМ, СРМВ процессесколаДефектыстроения атомнойрешётки,связанные сразрывами связейС-СЗвёздообраз-ные структурыСтупени скола СТМ, АСМ,СРМ
  22. 22. 22Контраст атомных террас на поверхности графитаРис. 22.1. Топографическое и токовые изображения поверхности графитаАСМСРМПроход слева-направоСРМПроход справа-налево
  23. 23. 23Дефекты упаковки слоев в графите и ихнаблюдение с помощью сканирующей резистивноймикроскопииРис. 23.1. АСМ-изображение и СРМ-изображение одного и того же участка поверхности графитаСРМ-изображениеАСМ-изображение
  24. 24. 24МуарыРис. 24.2. Муар.Период муара D = (5.3 ± 0.3) нмПериод графита d = 2.46 ÅD = d/(2sin(θ/2)) => θ = (2.7 ± 0.2)oРис. 24.1. Схема образования муара при повороте верхнегослоя графита.Заимствовано из Pong W.T., Durkan C // J. Phys.D: Appl. Phys. - 2005. - Vol. 38. - P. R329.
  25. 25. 25Дислокационные рядыb1 b2... aba ... abc ... aba... abс ...(ромбоэдрическая фаза)... ab ...(гексагональная фаза)b1b2а
  26. 26. 26Дислокационные сеткиРис. 26.1. СРМ-изображения одной и той же дислокационной сетки на поверхности графита.Контраст сетки меняется в процессе сканирования.
  27. 27. 27Пленки алмазоподобного углеродаСопротивление контакта зонда с алмазоподобной пленкой – более 1 ГОм.Рис. 27.1. Топографические изображения алмазоподобной пленки.
  28. 28. 28Особенности локального анодного окисленияРис. 28.1. Схема, показывающая процесс локального анодного окисления.Образец - анодЗондАСМкатодМениск воды(электролит)М + nН2О → МОn + nH2↑Оксид2Н++ 2e -→ 2H2↑М + nН2О - ne -→МOn + 2nH +
  29. 29. 29Роль окружающей среды в процессе локальногоанодного окисленияУсловия Схема процесса E, эВ Utr, ВВ вакууме Csol → Cgas 7.43 8.5Csol → C+gasНа воздухе C+H2O → CO↑ + H2 ↑ 1.82 2.5S. Kondo, M. Lutwyche, Y. Wada. APL 75 (1994) 39-44Для многих материалов напряжения, необходимые для начала процессаокисления, в вакууме и на воздухе различаются в несколько раз. Нижеприведен пример для окисления графита.
  30. 30. 30Локальное анодное окисление углеродныхматериаловВозможные химические реакции, протекающие при локальном анодномокислении поверхности углеродных материаловС(графит) + H2О (ж.) + 1.82 эВ → CO(газ) + H2(газ),С(графит) + 2H2О (ж.) + 1.85 эВ → CO2(газ) + 2H2(газ),Рис. 30.1. Наилучшее разрешение (2.5 нм) методом ЛАО на поверхности углеродныхматериалов было получено с помощью СТМ. Размер кадра 120х120 нм2.Заимствовано из LEVENTE TAPASZTO, GERGELY DOBRIK, PHILIPPE LAMBIN AND LA´SZLO´ P. BIRO. Nature nanotechnology | VOL 3 | JULY 2008, 397-401
  31. 31. 31Полное и частичное окисление углеродныхматериаловРис. 31.1. Полное окисление графита с образованиемполости.Напряжение, В:-8.5 -8 -7.5 -7 -6.5 -6 -5.5 -5Рис. 31.2. Частичное окисление графита с образованиемвыступающих линий.
  32. 32. 32Оксиды графита и графенаГрафит → Оксид графита → Оксиды углерода (CO, CO2)Двухслойный графитD = 3.35 ǺОксид графита D = 6-11 ǺН2ОН2ОН2ОН2ООН ОН ОООНОСООН
  33. 33. 33Восстановление оксидов графита и графенаРис. 33.1. Температура зонда 330°C, скорость сканирования 2 μм/с.Восстановленные области имели проводимость на 4 порядка больше, чем исходный материал.Заимствовано из Zh. Wei et al., Science, 328, 2012, 1373
  34. 34. 34Локальное анодное окисление металловРис. 34.1. Методом ЛАО была создана оксидная линия на пленке из титана, параллельно измерялосьсопротивление пленки.Заимствовано из R. Held, T. Heinzel, P. Studerus, K. Ensslin. Physica E 2 (1998) 748-752.
  35. 35. 35Локальное анодное окисление полупроводниковЛокальное анодное окисление было выполнено на различныхполупроводниках: пассивированный водородом кремний, GaAs, GaN и др.Рис. 35.1. Доказательство формирования оксида как на поверхности, так и в глубине полупроводника.Заимствовано из A. FUHRER, A. DORN, S. LÜSCHER, T. HEINZEL, K. ENSSLIN Superlattices andMicrostructures, Vol. 31, No. 1, 2002
  36. 36. 36Структуры с двумерным электронным газомРис. 2.1. Зонная диаграмма для структуры AlGaAs/GaAs с двумерным газом.Заимствовано из http://www.phys.unsw.edu.au/QED/research/2D_scattering.htm
  37. 37. 37Создание наноструктур с помощью локальногоанодного окисленияРис. 37.1. Кольцевой интерферометр, созданный наповерхности гетероструктуры AlGaAs/GaAs. Заимствовано изE. B. Olshanetsky, Z. D. Kvon, D. V. Sheglov, A. V. Latyshev, A. I.Toropov. International Journal of Modern Physics B 2004Рис. 37.2. Наблюдение осцилляций Ааронова-Бома.Заимствовано из E. B. Olshanetsky, Z. D. Kvon, D. V.Sheglov, A. V. Latyshev, A. I. Toropov. InternationalJournal of Modern Physics B 2004

×