9. Зондовые нанотехнологии.

   1. Физические основы зондовой нанотехнологии.

Зондовая нанотехнология представляет собой совокупность методов и спо­собов обработки и изменения свойств материала на уровне отдельных атомов, молекул и эле­ментов нанометровых размеров с помощью острийного зонда с одновременной визуализацией и контролем процесса.

Вообще слово технология произошло от греческих слов techne — искусство, мастерство, умение и logos — слово, учение. В такой трактовке зондовая нанотехнология является вершиной человече­ской мудрости и искусства создания приборов и устройств из отдель­ных атомов и молекул.

В основе зондовой нанотехнологии лежат уникальные приборы с зондом — сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и атомно­силовой микроскоп (ACM).

В сканирующем туннельном микроскопе зонд представляет собой металлический игольчатый электрод с очень тонким острием, за­крепленный на трехкоординатном сканере. Зонд-острие, находя­щийся под электрическим потенциалом, располагается перпендикулярно поверх­ности на таком расстоянии от нее, при котором возникает туннельный ток. Тун­нельный ток зависит от величины зазора между острием и поверхностью, а также от величины электрического потенциала на зонде. Если с помощью цепи обратной связи при сканировании поверхности под­держивать постоянным туннельный ток, то можно получить информацию о релье­фе исследуемой поверхности. Это метод «постоянного тока».

Если в процессе сканирования с по­мощью петли обратной связи поддержи­вать постоянным зазор между острием и поверхностью, то по величине туннельного тока можно получить информацию о поверхности на уровне атомного разрешения.

Сущность зондовой технологии на базе туннельного микроско­па заключается как в визуализации поверхности и объектов на ней, так и в формировании, модификации этой поверхности а на­нометровой области.

В атомно-силовых микроскопах зонд-острие крепится на свобод­ном конце гибкой консоли — кантилевера.

Между атомами вещества сближающихся тел действуют силы межмолекулярного взаимодействия F. На рис. 2.27 показана зависи­мость силы Ван-дер-Вальса от расстояния. Эта сила обращается в нуль при R=d0, где d0 — расстояние между центрами взаимодей­ствующих молекул. На больших расстояниях (R > d0) происходит притяжение между телами с силой, пропорциональной R-7, на ма­лых расстояниях (R<d₀) наблюдается отталкивание с силой, про­порциональной R^-13.

Ван-дер-вальсовские силы притяжения или отталкивания дефор­мируют кантилевер при его взаимодействии с поверхностью. По ре­гистрируемой величине и направлению деформации кантилевера можно судить о рельефе поверхности.

Рис.2.27. Зависимость межмолекулярных сил взаимодействия F от расстояния R.

Методы локального зондового воздействия на поверхность можно использовать для проведения нанолитографических процессов. При этом нужно учитывать ряд физико-химических явлений и эффектов.

Эффект полевой эмиссии. В основе работы туннельного микро­скопа лежит явление автоэлектронной (полевой) эмиссии. Автоэлектронная эмиссия представляет собой явление испускания электронов проводящими телами под действием внешнего элект­рического поля высокой напряженности.

На рис. 2.28 представлена энергетическая диаграмма автоэлектронной эмиссии. На границе металл—вакуум существует потенци­альный барьер величиной (q∙φ), где q — заряд электрона, φ — потен­циал, отсчитанный от уровни Ферми E_F (работа выхода электрона).

Рис. 2.28. Энергетическая диаграмма автоэлектронной эмиссии.

В отсутствие электрического поля распределение потенциала представлено в виде кривой E₁. Потенциальный барьер имеет бесконечную ширину.

При приложении к энергетиче­скому барьеру потенциала созда­ется поле высокой напряженности E ( ≈10⁸ В/см), которое снижает высоту потенциального барьера и уменьшает его протяженность до величины х₂— x₁.

Электроны в виде дебройлей­ской волны туннельно просачива­ются сквозь сниженный и суженный барьер, создавая ток автоэлектронной эмиссии. Величина плотности тока автоэлектронной эмис­сии электронов, подчиняющихся статистике Ферми—Дирака,

где:

m-масса; q – заряд электрона; θ(y) – табулированная функция; φ – работа выхода электрона.

Оценки показывают, что при радиусе закругления острия зонда порядка 10 - 20 нм и при напря­жении 5 В, приложенном к зазору величиной 0,5 нм, плотность тока достигает значений порядка 10⁹ А/см².

Пондеромоторные силы. Под пондеромоториыми силами будем подразумевать механические силы, возникающие в проводниках с током.

В рассматриваемом случае проводниками с током являются зонд и область растекания тока в подложке. На поверхность под зондом действует пондеромоторная сила, которая оценивается как отрица­тельное давление, нормальное к поверхности. Создаваемое механи­ческое напряжение оценивается величиной

σ=ε∙ε₀∙E²/2

где ε — диэлектрическая проницаемость среды между зондом и под­ложкой, ε₀— диэлектрическая проницаемость вакуума, E — на­пряженность электрического поля. Величины пондеромоторных сил таковы, что достигаются значения, при которых начинается пласти­ческая деформация вещества и его разрушение. В полупроводнико­вых образцах возможна локальная глубинная деформация.

Электронный пучок большой плотности производит механическое давление на приповерхностный слой. Это давление в паскалях можно оценить из соотношения

где m, υ, q — масса, скорость и заряд электрона соответственно, Р_q — удельная мощность пучка (Вт/см²), W — энергия в пучке (кэВ).

Поляризационные эффекты и модификация среды в зазоре. В области между зондом и подложкой возникает поляризация молекул среды и их перестройка. Формируются проводящие молекулярные мостики из адсорбированных молекул. Если между острием зонда и поверхностью поместить жидкий диэлектрик, то также быстро фор­мируются проводящие мостики. Величина электрического поля E_m, при котором образуются проводящие мостики, можно вычистить из формулы:

E_m={(μ²+2∙α∙k∙T)^0.5-μ}/α

где α — поляризуемость молекулы; μ — дипольный момент моле­кулы; k — постоянная Больцмана; Т — температура.

Таким образом, при E > E_m поляризованные молекулы в проме­жутке зонд—поверхность будут связаны механизмом диполь-дипольного взаимодействия и ориентированы по направлению поля, формируя мостики.

В атмосферных условиях возможно формирование из адсорбиро­ванных молекул молекулярных мостиков длиной до 100 нм, которые имеют электрические контакты с подложкой и острием. Сформирован­ные таким образом мостики обладают нелинейными электрическими характеристиками и нестандартными резистивными свойствами.

При E < E_m тепловое движение молекул эти мостики разрушает.

(2.18)

Полевое испарение. При высоких значениях напряженности электрического поля наблюдается явление испарения ионов элект­рическим полем. Полевое испарение тесно связано с массопереносом в виде потока положительных ионов. Величина напряженности поля в процессе полевого испарения положительно заряженных ионов определяется выражением:

E_p⁺=

где р — кратность ионизации испаряемого атома, I_к — потенциал ионизации, К — кратность ионизации атома, ζ— энергия испаре­ния атома, φ— работа выхода электрона. Ясно, что энергетически более выгодно испарение многократно ионизированных, чем одно­кратно ионизированных атомов.

Для отрицательно заряженных ионов значение напряженности электрического поля определяется выражением:

E_p^- =

где А_К— сродство к электрону в К-кратном зарядовом состоянии.

Процесс стационарного полевого испарения может происходить при выполнении условия для напряженности электрического поля E_исп > E_p . В противном случае будут возникать молекулярные мос­тики между зондом и подложкой.

Локальные потоки тепла. Плотность туннельного тока может достигать значений 10⁸ А/см². Такие сверхплотные значения тока вызывают на подложке локальный разогрев, который может приве­сти к локальным структурным изменениям вещества.