Развитие и применение методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования свойств точечных контактов

• Автор: Дремов, Вячеслав Всеволодович
• Шифр специальности: 05.27.01
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Черноголовка
• Количество страниц: 111 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ЗОЛОТОГО
ТОЧЕЧНОГО КОНТАКТА
1.1. Методы измерения свойств точечных контактов
1.2. Релейная схема
ГЛАВА 2. STM
2.1.Принципы построения сканирующего туннельного микроскопа
2.2. Методика изготовления вольфрамовых игл
2.3. Использование STM для изучения пассивированного кремния
2.4. Исследование проводимости точечного контакта в STM
2.5. Проводимость точечного контакта в классических теориях
2.6. Одномерная квантовая проводимость
2.7. Вольтамперные характеристики точечных контактов
2.8. Эмиссия
ГЛАВА 3. Атомносиловая микроскопия
3.1. Принципы построения AFM
3.2. Метод изготовления W кантилевера
3.3. Метод точечных контактов в AFM
3.4. Описание алгоритма
3.5. Применение метода точечных контактов
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ
СПИСОК ЦИТИРУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

ВВЕДЕНИЕ.
С момента создания сканирующего туннельного микроскопа (STM) (Binning et.al. 1982) [1], атомно-силового микроскопа (AFM) (Binning et.al.1986) [2] и разнообразных методик на их основе, названных в целом сканирующей зондовой микроскопией (SPM) (Savid, 1991) [3], появились широкие возможности исследования различных объектов нанометровых размеров. Впечатляющий прогресс в развитии физики низкоразмерных систем, представляющих неоспоримый как научный, так и практический интерес, во многом обусловлен появлением революционных зондовых методик. Ими же определен и наметившийся прорыв в понимании конструкций и свойств таких важнейших биосистем, как ДНК и тубулины мозга. Можно сказать, что практически во всех успешно развивающихся направлениях человеческих знаний ключевую роль играет применение зондовых микроскопов.
Физические явления, лежащие в основе работы SPM, имеют или чисто квантовую природу, или находятся на границе между классической и квантовой физикой, поэтому изучение возможностей этих методик часто приводит к более глубокому пониманию свойств самого зонда как объекта с пониженной размерностью. Это приводит с одной стороны к развитию все более совершенных методик SPM, а с другой - дает новый стимул к изучению самих свойств низкоразмерных систем, таких как одномерные проводники и квантовые точки. Появление SPM, по сути, предопределило возникновение таких новых областей науки, как нанохимия и на ее основе нанолитография, расширив литографические возможности вплоть до Юнм.

В последние годы сканирующий зондовый микроскоп стал не только исследовательским, но и технологическим инструментом. Его успешно используют для создания новых уникальных физических приборов, таких как одноэлектронный транзистор, спиновый транзистор, а так же для изготовления носителей памяти с гигантскими плотностями записи (до Ю10 бит/см2). К настоящему моменту ещё не все возможности сканирующей зондовой микроскопии изучены, не все существующие методы нашли своё применение.
Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью развития новых методов сканирующей зондовой микроскопии и использования их для фундаментальных и прикладных исследований широкого круга объектов и явлений, представляющих интерес для современной наноэлектроники и технологии создания приборов на квантовых эффектах. Целью диссертационной работы является развитие новых методов сканирующей зондовой микроскопии и использования их для исследования свойств точечного контакта зондов с поверхностью образцов. На пути к поставленной цели проведён ряд экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе. Все эксперименты были направлены на решение следующих задач:
1. На первоначальном этапе работы главной задачей была разработка и изготовление STM для работы в газовых или в жидкостных средах, а так же разработка и изготовление комбинированного прибора AFM/STM.
Последовательно с катодом включалось сопротивление -100 Ом. Напряжение на этом сопротивлении пропорциональное току травления использовалось для контроля процесса.
Вольфрамовая проволока погружалась на 2 мм в раствор. Время травления порядка 12 минут.
Когда нижняя часть проволоки обрывается, площадь поверхности погруженной части резко уменьшается, ток травления падает. С помощью простейшей электронной схемы, отслеживающей величину тока, прекращается подача напряжения на анод. В электронной схеме, аналогичной описанным в литературе (см., например, [15]) используется скоростной компаратор, соединенный с реле. Когда происходит резкое падение тока ниже уровня, заданного на компараторе, компаратор своим выходным транзистором замыкает электроды за время около 5 мксек, а затем, спустя 2 мсек, срабатывает реле, и цепь полностью разрывается. Именно подбор этих временных задержек определяет остроту получающихся игл. Установлено, что первое время, время закоротки, не должно превышать 5 мксек. Это время определяется только быстродействием компаратора. Когда происходит отрыв нижней части проволоки в условиях, описанных ранее, конечный радиус перешейка получается порядка 10 нм. Это определяется весом оторвавшейся части. Нами установлено, что если погрузить в раствор проволоку на глубину, меньшую, чем полтора миллиметра, обрыва не происходит, нижняя часть скорее вся растворится, чем отпадет. Поэтому 2 мм, погружаемые в раствор, обеспечивают минимальный вес отрывающейся части проволоки, а