Исследование взаимодействия нанорельефа с поверхностью основы

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЗОНДОВОЙ НАНОТЕХНОЛОГИИ



Методы зондовой нанотехнологии. Зондовая нанотехнология представляет собой совокупность методов и способов обработки, изготовления, изменения состояния, свойств, формы, материала на уровне отдельных атомов и молекул и элементов нанометровых размеров с помощью острийного зонда и с одновременными визуализацией и контролем процесса. 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 атомно-силовой микроскоп (ACM). В СТМ 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, зависящий от величины зазора между острием и поверхностью, а также от величины электрического потенциала. 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 в нанометровой области.
В ACM зонд-острие крепится на свободном конце гибкой консоли кантилевера. Между атомами вещества сближающихся тел действуют силы межмолекулярного взаимодействия F(a). На рис. 4.26 показана зависимость силы Ван-дер Вальса от расстояния. Эта сила обращается в нуль при R = cl₀, где d₀ — расстояние между центрами взаимодействующих молекул. На больших расстояниях (R > d₀) происходит притяжение между телами с силой, пропорциональной /?^-7, на малых расстояниях (R < d₀) наблюдается отталкивание с силой, пропорциональной /С¹³.
Ван-дер-ваальсовые силы притяжения или отталкивания деформируют кантилевер при его взаимодействии с поверхностью. По регистрируемой величине и направлению деформации кантилевера можно судить о рельефе поверхности.
Методы локального зондового воздействия на поверхность можно использовать для проведения нанолитографических процессов. Существуют и другие методы воздействия на поверхность с целью формирования наноприборов и наноустройств.



Рис. 4.26. Зависимость межмолекулярных сил взаимодействия F от расстояния R.

Процессы нанотехнологии на основе зондовых методов базируются на ряде физико-химических явлений и эффектов.

Эффект нолевой эмиссии. В основе работы туннельного микроскопа лежит явление автоэлектронной (полевой) эмиссии. Она представляет собой явление испускания электронов проводящими телами иод действием внешнего электрического ноля высокой напряженности. На рис. 4.27 представлена энергетическая диаграмма автоэлектронной эмиссии. На границе «металл — вакуум» существует потенциальный барьер величиной <уф, где q — заряд электрона; ф — потенциал, отсчитанный от уровня Ферми Е_Р В отсутствие электрического ноля распределение потенциала представлено в виде кривой ?,. Потенциальный барьер имеет бесконечную ширину. При приложении к энергетическому барьеру потенциала создается поле высокой напряженности ?₃ (~ 10⁸ В/см), которое снижает высоту потенциального барьера Е₂ и уменьшает его протяженность до величины х₂ - х_г



Рис. 4.27. Энергетическая диаграмма автоэлектронной эмиссии

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

где С_{ = ^³/8л//ф = 1,55* 10 ⁶/ф; С₂ = ф^{л 2}0(г/) = -6,836* 1О⁷ф^3/20; т —3hq масса; q — заряд электрона; 0 — табулированная функция; ф — работа выхода электрона.
Оценки показывают, что при радиусе закругления острия зонда порядка 10—20 нм и приложенном к зазору величиной 0,5 нм напряжении 5 В плотности тока достигают значений порядка 10⁹ А/см². Такие значения полей сравнимы с внутримолекулярными и атомными.
Пондеромоторные силы. Под пондеромоторными 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 иод зондом действует нонде- ромоторная сила, которая оценивается как отрицательное давление, нормальное к поверхности. Создаваемое механическое напряжение оценивается величиной

где ? — диэлектрическая проницаемость среды между зондом и подложкой; е₀ — диэлектрическая проницаемость вакуума; Е — напряженность электрического поля. Величины пондеромоторных сил таковы, что достигаются значения, при которых начинаются 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, На, можно оценить из следующего соотношения:

где m,v,q — масса, скорость заряд электрона; Р — удельная мощность пучка, Вт/см²; W — энергия в пучке, кэВ.
Поляризационные эффекты и модификация среды в зазоре. В области между зондом и подложкой возникают поляризация молекул среды и их перестройка. Формируются проводящие молекулярные мостики из адсорбированных молекул. Если между острием зонда и поверхностью поместить жидкий диэлектрик, то быстро образуются проводящие мостики. Величину электрического ноля Е_т, при котором это происходит, можно вычислить из следующей формулы:

где а — поляризуемость молекулы; р — дипольный момент молекулы; к — постоянная Больцмана; Т — температура.
Таким образом, при Е > Е_т 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. Таким образом, сформированные мостики обладают нелинейными электрическими характеристиками и нестандартными резистивными свойствами. При Е < Е_т тепловое движение молекул эти мостики разрушает.
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

где р — кратность ионизации испаряемого атома; q — энергия испарения атома; 1_к — потенциал; к — кратность ионизации атома; (р — 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

где А_к — сродство к электрону в ^-кратном зарядовом состоянии.
Процесс стационарного нолевого испарения может происходить при выполнении условия для напряженности электрического поля Е_иси > Е_р. 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 же структурным изменениям вещества.