Создание локальных заряженных областей в сегнетоэлектриках

Оригинальностью отличается подход, предложенный в работе [39] и основанный на предварительном создании с помощью AСM электрически заряженных областей, имеющих характерные размеры порядка нанометров, в специальных диэлектрических материалах, способных сохранять заряд длительные промежутки времени, например, политетрафлюороэтилене). Такие области в последующем могут быть использованы для закрепления молекул газа на поверхности диэлектрика (селективной адсорбции) за счет сил электростатической природы. Авторам удалось получать различные конфигурации электрических зарядов (а затем и адсорбированных молекул) с разрешением около 100 нм за счет прикладывания потенциала к проводящему зонду микроскопа величиной 15-60 В в течение микросекунды.

В последние годы значительное внимание уделялось возможности локальной зарядки тонких слоев диэлектриков [40-50]. Реализации данных исследований в значительной степени способствовало появления в начале девяностых годов новой моды атомно-силовой микроскопии – микроскопии электростатических сил (МЭС) [51-53]. В МЭС методе локальная зарядка слоев диэлектриков осуществляется за счет приложения относительно небольшого напряжения до 10 V между образцом и близко подведенной к его поверхности (на расстояние в несколько нанометров) или временно введенной в контакт с поверхностью зондирующей пирамидой АСМ. Контроль эффекта зарядки также осуществляется с помощью пирамиды АСМ, характер последующего движения которой над поверхностью слоя диэлектрика чувствителен к кулоновскому взаимодействию с заряженными местами поверхности. Миниатюрность пирамиды и нано острота ее вершины обеспечивают разрешение в плоскости сканирования на уровне вплоть до 10 нм.

Возможность локальной зарядки слоев диэлектриков и поведение внедренных зарядов вызывали и вызывают большой интерес по целому ряду причин. Вызывает интерес возможность получения устойчивой зарядки очень малых областей с размерами менее сотни нанометров, что могло бы привести к созданию зарядовых систем памяти сверхвысокой плотности. Был получен эффект зарядовой памяти в транзисторах в gate – слоях окислов и созданы транзисторы с эффектом памяти [54-56]. Дальнейшая миниатюризация полупроводниковых приборов в субмикронный диапозон с соответствующим уменьшением размеров слоев окислов поставила очень остро вопрос изучения поведения зарядов в нано мылых обьемах.

Поскольку основным материалом полупроводниковой электроники является Si, то, первоначально, и исследования были сконцентрированы на зарядовых эффектах в двуокиси кремния [40-44]. Уже первые исследования показали, что имеет место довольно быстрое спадание амплитуды зарядки за время от минут до нескольких часов. Разброс в значениях времен спада можно было связать с отличием качества слоев окислов в разных работах. Делалось предположение об уходе заряда в проводящую подложку кремния, так как считалось, что носители туннелируют через барьер на границе окисел-подложка, понижаемый за счет прикладываемого напряжения, и аккумулируются с другой стороны барьера вблизи подложки. Однако, позже было замечено существенное размытие пятен зарядки в плоскости слоя окисла со временем [45], что, в первую очередь, и обуславливало уменьшение амплитуды зарядки. Последние результаты позволили предположить, что созданные носители первоначально дрейфуют в собственном поле, а затем их разбегание уже определяется диффузией. Уход носителей из слоя окисла наступает преимущественно на втором этапе диффузии. Отметим, что начальные размеры пятен зарядки в SiO₂, как правило, составляли сотни нанометров, а после уширения пятен могли уже составлять и микроны.

Таким образом, в частности для повышения локальности эффектов зарядки, потребовался поиск новых окислов с меньшей остаточной проводимостью слоев, а также структур, где бы уход носителей в подложку был бы дополнительно затруднен. Известны исследования в этом плане окислов СeO₂ [46], слоев SiO₂ с включением металлических наноксластеров Со [47]. В последнее время появился интерес к изучению окислов ZrO₂, HfO₂ и Al₂O₃. Совсем недавно появились две работы о зарядке окислов SiO₂ с включением нанокристаллов Si, полученных имплантацией ионов Si+ с последующим отжигом [49], а также незарощенных нанокристаллов Si на поверхности окисленного Si [50]. В первой работе начальный размер зарядового пятна составлял около 350 нм и, вопреки ожиданиям, со временем не увеличивался, а уменьшался. Во второй работе размер зарядового пятна соответствовал диаметру Si островка – 100 нм и не изменялся со временем. В обоих случаях амплитуда зарядки спадала со временем за десятки минут, быстрее в случае имплантированных слоев SiO₂ с нано кристаллами Si.

Рисунок 55 АСМ - изображения поверхности оксида кремния и изображение сигнала фазы того же участка.

Заключение

Таким образом, в данном пособии кратко изложены основы сканирующей зондовой микроскопии – одного из самых современных методов исследования свойств поверхности. Рассмотрены принципы работы основных типов зондовых микроскопов (сканирующего туннельного микроскопа, атомно-силового микроскопа), наиболее широко используемых в научных исследованиях в области материаловедения.

Авторы надеются, что творческое освоение изложенного в пособии материала, позволят пытливому читателю получить знания, а затем и приобрести умения по использованию сканирующей зондовой микроскопии для исследования поверхности с высоким пространственным разрешением и решения актуальных задач нанотехнологии.

Список литературы

1. Рыков С.А. Сканирующая зондовая микроскопия полупроводниковых материалов и наноструктур / Под ред. А.Я. Шика. – СПб.: Наука, 2001. 52 с.

2. "Ультразвук. Маленькая энциклопедия". (Под ред. И.П.Голямина) // М.: "Советская энциклопедия", 1979, 400 с.

3. Миронов В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии // Нижний Новгород, 2004, 114 с.

4. P.M.Williams, K.M.Shakesheff et al. – Blind reconstruction of scanning probe image data. // J. Vac. Sci. Technol. B 14 (2) p. 1557-1562 (1996).

5. А.А.Бухараев, Н.В.Бердунов, Д.В.Овчинников, К.М.Салихов – ССМ метрология микро- и наноструктур. // Микроэлектроника, т. 26, № 3, с. 163 -175 (1997).

6. G.Binnig, C.F.Quate, Ch.Gerber – Atomic force microscope. // Phys. Rev. Lett., v. 56, № 9, p. 930 – 933 (1986).

7. http://www.ntmdt.ru/

8. R.Matey, J.Blanc – Scanning capacitance microscopy. // J. Appl. Phys., v. 57, № 5, p. 1437 – 1444 (1985).

9. M.Nonnenmacher, M.P.O’Boyle, H.K.Wikramasinghe – Keivin probe force microscopy. // Appl. Phys. Lett., 58 (25), 2921 – 2923 (1991).

10.B. Stiller, P. Karageorgiev, et al. - Scanning Kelvin microscopy as a tool for visualization of optically induced molecular switching in azobenzene self assembling films. // Surf. Interface Anal. 30, 549-551, (2000).

11.Y. Martin and H. K. Wickramasinghe - Magnetic imaging by ''force microscopy'' with 1000 Å resolution. // Appl. Phys. Lett. v. 50, № 20, p. 1455-1457 (1987).

12.D.Rugar, H.Mamin, P.Guethner et al. – Magnetic force microscopy: General principles and application to longitudinal recording media. // J. Appl. Phys., v. 68, № 3, p.1169 – 1182 (1990).

13.И.Е.Тамм – "Основы теории электричества", М.: "Наука", 1976, 616 с.

14.A.M. Алексеев, Ю.В.Веревкин, Н.В.Востоков, В.Н.Петряков, Н.И.Полушкин, А.Ф.Попков, Н.Н.Салащенко – Наблюдение лазерно-индуцированных локальных модификаций магнитного порядка в слоях переходных металлов // Письма в ЖЭТФ, 73, 214 (2001).

15.H. Sugimura, N. Kitamura, H. Masuhara Modification of n-Si(100) surface by scanning tunneling microscope tip-induced anodization under nitrogen atmosphere // Jap. J. Appl. Phys., 1994, v.33(2), N 1B, p. L143-L145

16.W. Moon, T. Yoshinobu, H. Iwasaki Fabrication of nanopit arrays on Si (111) // Jap. J. Appl. Phys., 1999, v. 38, N 1B, p. 483-486

17.K. Araki et al. Novel fabrication method of Si nanostructures using atomic force microscope (AFM) field-enhanced oxidation and anisotropic wet chemical etching // Jap. J. Appl. Phys., 1996, v.35(1), N 12B, p. 6679-6682

18.J. Shirakashi et al. Nb/Nb oxide-based planar-type metal/insulator/metal (MIM) diodes fabricated by atomic force microscope (AFM) nano-oxidation process // Jap. J. Appl. Phys., 1997, v.36(2), N 8B, p. L1120-L1122

19.E. B. Cooper, S. R. Manalis Terabit-per-square-inch data storage with the atomic force microscope // Appl. Phys. Lett., V. 75, № 22, 1999, p. 3566-3568.

20.M. Tachiki et al. Nanofabrication on hydrogen-terminated diamond surface by atomic force microscope probe-induced oxidation // Jap. J. Appl. Phys., 2000, v.39 (1), N 7B, p. 4631-4632

21.E.S. Snow, P.M. Campbell, B.V. Shanabrook // Appl. Phys. Lett., 1993, v.63, p. 2001

22.S. Sasa et al. Novel nanofabrication process for InAs/AlGaSb heterostructures utilizing atomic force microscope oxidation // Jap. J. Appl. Phys., 1999, v.38(1), N 2B, p. 1064-1066

23.Y. Matsuzaki et al. Improvement in aspect ratio of p-GaAs oxide fabricated by atomic force microscope (AFM)-based nanolithography using pulsed voltage // Jap. J. Appl. Phys., 2001, v.40(1), N 6B, p.

24.K.Wiesauer and G.Springholz, J. Of Appl. Phys. 88(12) (2000), 7289-7297

25.K. Sudoh, H. Iwasaki Nanopit formation and manipulation of steps on Si(001) at high temperatures with a scanning tunneling microscope // Jap. J. Appl. Phys., 2000, v.39(1), N 7B, p. 4621-4623

26.N. Li, T. Yoshinobu, H. Iwasaki Low energy electron beam stimulated surface reaction: selective etching of SiO₂/Si using scanning tunneling microscope // Jap. J. Appl. Phys., 1998, v.37(2), N 8B, p. L995-L998

27.N. Li, T. Yoshinobu, H. Iwasaki Low energy electron stimulated etching of thin Si-oxide layer in nanometer scale using scanning tunneling microscope // Jap. J. Appl. Phys., 1999, v.38(2), N 3A, p. L252-L254

28.B. L. Weeks et al. High-pressure nanolithography using low-energy electrons from a scanning tunneling microscope // Nanotechnology, 2002, v. 1, p.38-42

29.G. Bertsche, W. Clauss, D.P. Kern Surface modifications of YBa₂Cu₃O_7-_d thin films using a STM in air and in UHV // Microelectronic engineering, 1997, v.35, p. 265-268

30.H. Rauscher, F. Behrendt, R. Behm Fabrication of surface nanostructures by scanning tunneling microscope induced decomposition of SiH₄ and SiH₂Cl₂ // J. Vac. Sci. Technol., 1997, v. B15, N4, p.1373-1377

31.S. Rubel, X.-D. Wang, A. L. Lozanne Nanofabrication with a scanning tunneling microscope using chemical vapor deposition // J. Vac. Sci. Technol. B, 1995, v. 13(3), p. 1332-1336

32.J.K. Kang, C.B. Musgrave The effect of an electric field on the chemical vapor deposition of (100) diamond // Nanotechnology, 2001, v. 12, N3, p.258-264

33.M. Takai et al. Selective metal deposition using metal-covered scanning tunneling microscope tips // Microelectronic engineering, 1997, v.35, p. 353-356

34.U.Ramsperger, T.Uchihashi and H.Nejoh, Appl. Phys. Lett. 78(1), (2001), 85-87

35.K.-H. Park et al. Selective manipulation of Ag nanoclusters on a passivated silicon surface using a scanning tunneling microscope // Jap. J. Appl. Phys., 2000, v.39(1), N 7B, p. 4629-4630

36.G. Meyer et al. Manipulation of atoms and molecules with low-temperature scanning tunneling microscope // Jap. J. Appl. Phys., 2001, v.40(1), N 6B, p.4409-4413

37.M.C. Hersam, N.P. Guisinger, J.W. Lyding Silicon based molecular nanotechnology // Nanotechnology, 2000, v. 11, N 2, p.70-76

38.G. Meyer, L. Bartels, K-H. Reider Atom manipulation with the scanning tunneling microscope: nanostructuring anf femtochemistry // Jap. J. Appl. Phys., 1998, v.37(1), N 12B, p. 7143-7147

39.Y.Lu, Y.Yin, Y. Xia // Advanced Materials, 2001, 13, N1, p 34-37

40.B.D.Terris, J.E.Stern, D.Rugar, H.J.Mamin // J.Vac. Sci. Technol., 1990, A 8, p. 374

41.R.C.Barret, C.F.Quate // J. Appl. Phys., 1991, 70, p. 2725

42.M.Dreyer, R.Wiesendanger // Appl. Phys. A: Solid Surf., 1995, 61,p. 357

43.H.Tomiye, T.Yao // Jpn. J.Appl., 1998, Vol. 37, p. 3812

44.J.W.Hong, S.M.Shin, C.J.Kang, Sang-il Park // Appl. Phys. Lett., 1999, 75, p. 1760

45.G.H.Buh, H.J.Chung, Y.Kuk // Appl. Phys. Lett., 2001, 79, p. 2010

46.J.T.Jones, P.M.Bridger, O.J.Marsh, T.G.McGill // Appl. Phys.lett., 1999, 75, p. 1326

47.D.M.Schaadt, E.T. Yu, S.Sankar, A.E.Berkovitz // Appl. Phys. Lett., 1999, 74, p. 472

48.Seizo Morita, Yasuhiro Sugawara // Thin Solid Films, 2001, 393, p. 310

49.E.A.Boer, R.C.Flagan, L.D.Bell, H.Atwater // Appl. Phys. Lett., 2001, 79, p. 791

50.E.A.Boer, L.D.Bell, M.L.Ostraat, R.C.Flagan // Appl. Phys. Lett., 2001, 78, p. 3133

51.Y.Martin, D.W.Abraham, H.K.Wickramasinghe // Appl. Phys. Lett., 1988, 52, p. 1103

52.B.D.Terris, J.E.Stern, D.Rugar, H.J.Mamin // Phys. Rev. Lett., 1989, 63, p. 2669

53.C.Schonenberger, S.F.Alvarado // Phys. Rev.Lett., 1990, p. 3162

54.Sandip Tiwari, Farthan Rana, Kelvin Chan // Appl. Phys. Lett., 1996, 68, p. 1377

55.Yi Shi, Hiroki Ishikuro, Toshiro Hiramoto // J. of Appl. Phys., 1998, 84, p. 2358

56.Yih Lin, Y.Zhang, J.Singh, R.York, U.Mishra // J. of Appl. Phys., 2001, 89, p.1856

57.www.whisker.ru

58.K.-H. Park et al. Selective manipulation of Ag nanoclusters on a passivated silicon surface using a scanning tunneling microscope // Jap. J. Appl. Phys., 2000, v.39 (1), N 7B, p. 4629-4630

Содержание

Введение.. 3

1. Общие сведения о сканирующих зондовых микроскопах.. 5

1.1. Принцип работы сканирующих зондовых микроскопов. 5

1.2. Основные элементы, входящие в состав современных сканирующих зондовых микроскопов 6

1.2.1. Сканирующие элементы (сканеры) зондовых микроскопов. 6

1.2.2. Устройства прецизионного перемещения зонда и образца. 10

1.2.3. Защитные приспособления для зондовых микроскопов. 11

1.3. Формирование и обработка СЗМ изображений. 13

2. Сканирующая туннельная микроскопия.. 27

2.1 Физические основы туннелирования. 27

2.2. Зонды для сканирующих туннельных микроскопов. 32