Экспериментальное исследование бесконтактного формирования поверхностных наноструктур методом сканирующей туннельной микроскопии

• Автор: Николаевский, Анатолий Владимирович
• Шифр специальности: 05.27.06
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Москва
• Количество страниц: 115 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
Глава 1 Обзор современных методов формирования и применения наноструктур
1.1 Анализ состояния нанотехнологий в электронике
1.2 Анализ методов формирования наноструктур
1.3 Анализ наноструктур и их применения
1.4 Цели и задачи исследования
Выводы по главе
Глава 2 Теоретическое обоснование бесконтактного формирования нанометровых структур методом сканирующей туннельной микроскопии
2.1 Теоретическая модель взаимодействия зонд-образец на воздухе
2.2 Физические эффекты на поверхности тонких пленок при
электрополевом воздействии туннельного зазора
2.3 Физическое обоснование бесконтактного формирования нанорельефа
поверхности подложек
Выводы по главе
Глава 3 Аналих искажающих эффектов изображений при исследовании методом сканирующей туннельной микроскопии
3.1 Анализ источников искажающих эффектов изображений в сканирующей зондовой микроскопии
3.2 Экспериментальное исследование искажающих эффектов изображений в сканирующей зондовой микроскопии
3.3 Экспериментальное исследование влияния адсорбата на изображение поверхности тонких металлических пленок в сканирующей зондовой
микроскопии
Выводы по главе
Глава 4 Экспериментальное исследование процессов бесконтактного формирования наноструктур методом сканирующей туннельной
микроскопии
4.1 Исследование влияния параметров туннельного зазора на бесконтактное формирование поверхностных наноструктур
4.2 Локальная модификация поверхности тонкой пленки платины методом сканирующей туннельной микроскопии
4.3 Обсуждение и анализ результатов модификации поверхности
Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

ВВЕДЕНИЕ
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 милиэлектрон-вольт) 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 зондовых микроскопов 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 (СТМ).
Цели и задачи работы
Целью настоящей работы является получение воспроизводимой контролируемой наноструктуры на поверхности твердого тела методом сканирующей туннельной микроскопии для элементов изделий и оборудования электронной техники.

Вероятность 0(Е-) проникновения электрона через потенциальный барьер высотой I](г) определяется выражением £>(£)» ехр|- ~ | -2т(Е(г) -
Тогда количество электронов Ы туннелирующих через барьер из электрода 1 в электрод 2 можно записать как [61]:
оо ао оо Е,„
А', = Ш-Г&Г-/. Ш ~№ + е У))ЩЕг )(1рхс1рус1р2 = Г ЩЕ_ )п(р2 у!Ег, (2.3)
?>~т о
где п(р_) = —-3- [ [(£')(1 - /2 (£+е¥))<1рхс1ру и £т - максимальная энергия

туннелирующих электронов.
Так как в рассмотренной выше модели рг2 = р2 +ру2, Ег = р2 Пт и полная энергия Е = Ег + Ег, то, сделав замену переменных рх = рг<ю$в, ру = ргъпв, получим:
1 2л<х>
п(р2) = 3 3 ///,(£)(!-Л(А + еУ))рг(1рг(1в
Ч7Г П
=-)мт-/лЕ+еГУ№г (2.4)
Подставив (4) в (3), получим:
Ет оо
°{Е:УЕт:+Ег){-/2{Е: + Ег + еУ))с!Ег (2.5)
2/г п
Количество электронов N2, туннелирующих из электрода 2 в электрод 1, вычисляется аналогичным образом. В соответствии с последним выражением прозрачность потенциального барьера в данном случае будет такая же, как если бы к электроду 1 был подан положительный потенциал V, относительно электрода 2. В этом случае
Бя оо
м2 = I ОД ушЛ (Е2 + Ег +еГ)( 1 - / (Е, + Е, )) 2/Г П