Модификация поверхности золота и оксида никеля импульсом напряжения в сканирующем туннельном микроскопе

• Автор: Резанов, Андрей Николаевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2001
• Место защиты: Санкт-Петербург
• Количество страниц: 133 с. : ил

СОДЕРЖАНИЕ:
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
Г Л А В А 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СТМ (краткий обзор).
1.1. Теоретические основы работы СТМ.
1.2. Технические основы работы СТМ.
Г ЛАВ А 2. ИЗМЕНЕНИЕ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА В СТМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЁ СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (обзор основных механизмов и характерных особенностей).
2.1. Введение.
2.2. Основные особенности локальной модификации поверхности сильным электрическим полем.
2.3. Влияние внешних и внутренних факторов на процесс модификации импульсом напряжения. Причины трудности объяснения механизма модификации.
2.4. Возможные механизмы локальной модификации исследуемой поверхности сильным электрическим полем.
2.4.1. Термический разогрев поверхности образца (резистивный нагрев).
2.4.2. Десорбция (испарение) полем.
2.4.3. Стимулированное полем перемещение частиц вдоль поверхности.
2.4.4. Механизм формирования контакта острия с поверхностью. Термическое расширение острия как возможная причина образования контакта.
2.4.5. Стимулированные химические реакции.
2.5. Заключение.
Г Л А В А 3. МЕТОДИКА И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА.
3.1. Описание экспериментальной установки.
3.2. Калибровка узла микросканирования и узла сближения.
3.3. Выбор материала для исследований.
3.4. Методика приготовления образцов и игл.
3.5. Условия получения воспроизводимых наноструктур на поверхности. Методика изображения и модификации поверхности. Учёт возможных погрешностей и артефактов.
Г Л А В А 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ.
4.1. Вид изменения морфологии поверхности импульсом напряжения.
4.2. Воспроизводимость и вероятностный характер образующихся наноструктур.
4.3. Влияние характеристик электронной схемы СТМ на процесс модификации поверхности.
4.4. Влияние физико-химических свойств материала острия на модификацию поверхности импульсом напряжения в СТМ.
4.5. Возможный путь управления процессом модификации. Влияние физикохимических свойств материала подложки.
4.6. Особенности процесса модификации в системе оксид - проводник.
4.7. Особенности процесса модификации поверхности халькогенида свинца (РЬТе).
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ.
ЛИТЕРАТУРА.

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
Актуальность темы.
С древнейших времён и до настоящего времени технология часто становилась катализатором, который делал возможным и определял прогресс человеческой цивилизации. Прогресс в технологии обычно связан с развитием оборудования и методов, что обеспечивает новые пути осуществления человеческого воздействия на природу. В последнее время в связи с развитием принципиально новых технологических процессов и созданием принципиально новых твёрдофазных материалов с разнообразными физико-химическими свойствами, повсеместным стремлением к миниатюризации приборов и интеграции максимального количества быстродействующих активных элементов на поверхности одного кристалла в единый функциональный элемент (интегральную схему) роль поверхности становится определяющей, и поэтому существенно возрастает потребность детального исследования поверхностного состава веществ и протекающих в этой области процессов и явлений, так как на свойствах именно тонких поверхностных слоев вещества основана работа многочисленных типов приборов электронной промышленности и вычислительной техники.
Всё это, в совокупности, стимулировало изобретение (Биниг и Роер [1], 1979*1982 годы) и применение в многочисленных исследованиях уникального прибора для изучения поверхностного состава твёрдых тел - сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Уникальность его состоит в том, что на сегодняшний день он даёт наиболее подробную информацию о свойствах поверхности твёрдого тела в различных средах на истинно атомном уровне. Это обуславливается уникальным разрешением СТМ по сравнению с другими существующими методами исследования поверхности: до нескольких сотых ангстрема по нормали к поверхности исследуемого образца и единицы ангстрема вдоль неё

Научную и технологическую значимость этого совершенно нового прибора трудно переоценить. Его работа целиком основана на квантово-механических закономерностях, и вследствие этого возможности СТМ близки к фундаментальным физическим пределам. С помощью СТМ-микроскопии получили развитие совершенно новые методы исследования поверхности твёрдых тел, позволяющие исследовать их атомную и электронную структуру и получать их микротопографию с атомным разрешением, что было недоступно для существовавших до этого традиционных методов исследования поверхности [3].
Из множества неоспоримых преимуществ исследования поверхности с помощью СТМ перед другими способами поверхностно-чувствительного контроля изучения твёрдого тела

особенно важно выделить следующие:
1) Возможность быстрого и часто без специальной подготовки образца получения реального трёхмерного изображения поверхности со сверхвысоким пространственным разрешением (вплоть до атомного) по всем трём координатам с независимым увеличением по любой из них [4].
2) Возможность работы в широком температурном диапазоне (от нескольких сотен градусов до гелиевых температур) и практически в любой непроводящей среде, включая вакуум, обычные атмосферные условия, а также газ и жидкость [5-7].
3) Поверхность анализируется с использованием низкоэнергетического пучка электронов (около нескольких мэВ) без непосредственного контакта с ней, вследствие чего практически не вносится каких-либо искажений в исследуемый материал и реализуется неразрушающий характер анализа поверхности [8].
4) Совмещение в одном приборе метрологических и технологических функций: возможность осуществления наряду с неразрушающим анализом поверхности целенаправленных изменений формы, приповерхностной структуры и электрофизических свойств материала с очень высокой локальностью (вплоть до воздействия на одиночный атом). Этому способствует возможность создания условий в СТМ для получения экстремальных мощностных характеристик, возникающих вследствие сильной локализации электрического поля и электронного тока под иглой СТМ, которые приводят к существенным изменениям как структуры, так и электрофизических характеристик этой локальной области нанометровых размеров [9-11].
5) Уникальная возможность одновременного исследования на поверхности твёрдых тел как естественных структур, так и искусственно созданных.
6) Наличие свободного доступа к поверхности, что позволяет изучать происходящие на ней физико-химические процессы как за счёт совмещения всего набора процессов по формированию, контролю и функциональному тестированию структур в одном месте, так и за счёт объединения СТМ с другими методиками анализа и подготовки поверхности.
Во многих областях науки, техники и современных технологий сканирующие туннельные микроскопы уже используются с большим успехом, и число результатов их применений быстро увеличивается [5,11-18]. Сканирующая туннельная микроскопия является одним из новых, быстро развивающихся методов анализа и изменения структуры поверхности твёрдого тела.
Основные области применения СТМ в настоящее время представляются такими [3-4,12-14]:
1. Физика и химия поверхности на атомном уровне; именно здесь достигнуты наибо-
ясности. Это осложняется ещё и тем, что при этом методе предполагаемые механизмы могут меняться в зависимости от используемого во время процесса модификации поверхности расстояния игла-образец, туннельных параметров (например, полярности [57]), а также и от окружающей физической среды [7,10-11], влияние которой на процесс модификации обычно достаточно велико. Многие виды материалов разными авторами изучались при различных окружающих условиях, и на основе этого похожие исследования на одних и тех же материалах получили объяснение в рамках различных механизмов.
Наиболее определённой средой для модификации является вакуум. Преимущество вакуумной системы заключается в том факте, что исследуемые поверхности могут приготавливаться и использоваться в хорошо определённом состоянии, очищенном или преднамеренно “загрязнённом” адсорбированными газами, эпитаксиально растущими слоями и т.д. С другой стороны, вакуумная среда не очень удобна для практического использования.
Поэтому достаточно большое количество исследований по модификаций поверхности осуществляется в атмосферных условиях. Атмосфера, в свою очередь, является наиболее неопределённой средой для модификации. Основное неудобство в этом случае состоит в том, что большинство поверхностей обычно покрываются слоем окисла, если они подвергаются действию воздуха. Даже если этого не происходит, то неизбежно будет присутствовать “жидкий” слой загрязнения, маскирующий истинные свойства поверхности. Этот слой состоит из воды и других компонентов воздуха, а также следов веществ, с которыми образец находился в контакте в процессе изготовления. Толщина такого слоя может меняться в пределах 2-50 нм в зависимости от многих обстоятельств, например, от влажности воздуха. В некоторых случаях, предполагается, что даже может реализовываться ситуация, когда покрытые жидкой плёнкой игла и образец образуют между собой жидкий мостик и с учётом этого рассматривается механизм модификации [45,58]. Поэтому при модификации поверхности на воздухе в СТМ существует много неопределённых переменных, самые характерные из них - влажность и загрязнения. Вследствие такой неопределённости их влияние на процесс модификации весьма различно. Так, например, с помощью влажности может контролироваться пространственное разрешение получаемых СТМ-изображений поверхности [58], изменяться пороговое напряжение Упор за счёт сдвига кривой вероятности при изменении влажности [59] и др. Для устранения такой неопределённости целесообразно использовать в качестве образцов химически инертные материалы, устойчивые к действию воздуха, воды и большинства химических реагентов и обладающие вследствие этого слабой адсорбционной способностью.
Немаловажное значение при модификации играют такие параметры как истинная