Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Процедура местного окисления: трехмерное представление процесса нанолитографии местного окисления. Импульс напряжения, приложенный между наконечником АСМ и сканируемой поверхностью, приводит к образованию жидкого мениска, который ограничивает нанометрическую реакцию окисления.

Нанолитография с локальным окислением (LON) - это метод нанопроизводства на основе наконечников . Он основан на пространственном ограничении реакции окисления под острым концом атомно-силового микроскопа .

Первыми материалами, на которых был продемонстрирован LON, были Si (111) и поликристаллический тантал . Впоследствии, методика была распространена на III - V полупроводники , карбид кремния , металлы , такие как титан , тантал, алюминий , молибден , никель и ниобий ; тонкие пленки манганита в форме перовскита ; диэлектрики, такие как нитрид кремния , самоорганизующиеся монослои органосилана , дендритныемакромолекулы и углеродистые пленки. [1]

История [ править ]

Локальное окисление поверхности с помощью техники сканирующего зонда было впервые обнаружено Дагатой и его сотрудниками в 1990 году, которые локально преобразовали кремниевую поверхность с водородными концевыми группами в диоксид кремния путем приложения напряжения смещения между кончиком сканирующего туннельного микроскопа и сама поверхность. [2] В 1993 году Дэй и Алли продемонстрировали возможность проведения экспериментов по локальному окислению с помощью атомно-силового микроскопа , что открыло путь к применению этой техники к большому количеству материалов. [3]

Основной принцип [ править ]

Этапы процесса локального окисления в бесконтактном режиме. I: Зонд сканирует образец в бесконтактном режиме, колеблясь с постоянной амплитудой. II: При подаче импульса напряжения жидкий мениск между зондом и образцом индуцируется электрическим полем. Этот жидкий мениск действует как электрохимическая ячейка нанометрового размера, в которой протекает реакция окисления. III: Когда импульс напряжения выключен, обратная связь АСМ отводит наконечник от образца, растягивая мениск жидкости. IV: После разрыва мениска наконечник восстанавливает свою первоначальную амплитуду колебаний и продолжает сканирование.

В настоящее время эксперименты по локальному окислению проводятся с использованием атомно-силового микроскопа, работающего в контактном или бесконтактном режиме, с дополнительными цепями для подачи импульсов напряжения между зондом и образцом. Процесс местного окисления опосредуется образованием водяного мениска . [4]

Для выполнения нанолитографии с местным окислением относительная влажность в камере АСМ поддерживается от 30% до 60%. Импульс напряжения прикладывается между проводящим наконечником АСМ и образцом. Приложенное напряжение вызывает образование водяного мостика между зондом и образцом всякий раз, когда амплитуда импульса напряжения превышает определенное пороговое напряжение. Когда образуется жидкий мениск , приложенный импульс напряжения вызывает реакцию окисления , разрывая ковалентные связи в молекулах воды . Жидкий мостик обеспечивает оксианионы ( OH - , O -), необходимого для образования оксида, и ограничивает боковое расширение окисляемой области.

Химические реакции, которые управляют локальным окислением в металлической подложке (M), следующие: [5]

в то время как водород выделяется на наконечнике АСМ в результате реакции восстановления:

Когда импульс напряжения выключен, обратная связь АСМ заставляет кантилевер восстанавливать свою первоначальную амплитуду колебаний, вынимая наконечник из образца и разрушая мениск жидкости. Наконец, АСМ продолжает сканирование образца, что позволяет отображать наноструктуру MO n, изготовленную в процессе местного окисления, с тем же наконечником, который использовался для ее изготовления.

Метод формирования жидких мостиков настолько точен, что легко получить диаметр водяного мениска 20 нм или меньше. Это привело к воспроизводимому созданию структур размером менее 10 нм на кремнии и других металлических поверхностях.

Экспериментальная установка [ править ]

Эксперименты по локальному окислению можно проводить практически с любым атомно-силовым микроскопом . Ключевым требованием является возможность подачи импульсов напряжения между зондом и образцом. Рекомендуется поместить микроскоп в камеру с контролируемой атмосферой. В простейшем случае окислителем является водяной пар , который естественным образом присутствует в воздухе . Контроль относительной влажности обычно помогает получить более воспроизводимые результаты. Размер изготовленных деталей зависит от ряда параметров, таких как расстояние между образцом и зондом, амплитуда и длительность импульса напряжения, а также относительная влажность атмосферы.

Приложения [ править ]

Первый абзац « Дон Кихота» Сервантеса, написанный на кремниевом чипе. Техника местного окисления позволила бы написать всю книгу (более 1000 страниц) на поверхности размером с кончик человеческого волоса .

Разработка литографий в нанометровом масштабе является центром интенсивной исследовательской деятельности, потому что прогресс в области нанотехнологий зависит от способности изготавливать, размещать и соединять структуры нанометрового масштаба.

Узор [ править ]

Нанолитография местного окисления позволяет создавать самые разные мотивы, такие как точки, линии и буквы, с нанометровой точностью. В 2005 году исследователи из Испанского национального исследовательского совета в Мадриде написали первые десять строк « Дон Кихота» Сервантеса на нескольких квадратных микрометрах кремния. [1] Эта универсальность рисунка может быть использована для хранения информации или для разработки устойчивых к травлению наномасок для изготовления наноустройств, а также для многих других приложений.

Хранение данных [ править ]

Число π с двадцатью десятичными знаками: 3,1415926535 8979323846, записанное в двоичном коде методом локального окисления на поверхности кремния.

Можно хранить информацию, используя точечные наноструктуры, созданные в результате локального окисления поверхности. Это хранилище использует двоичный код, учитывая наличие наноструктуры как 1 и ее отсутствие как 0. Таким образом, информация может храниться на небольшой поверхности с одной точкой SiO 2, составляющей бит . В 1999 г. Купер и др. продемонстрировали, что данный метод позволяет получить плотность информации 1,6 Тбит / дюйм 2 . [6] Однако с помощью этого метода можно создать только запоминающие устройства , предназначенные только для чтения .

Молекулярный рост матрицы и предпочтительное осаждение [ править ]

Используя определенные функционализации, можно осаждать молекулы и наночастицы только в очень маленьких доменах на поверхности подложки. LON - это мощный метод изготовления доменов такого типа для преимущественного роста.
Две полоски SiO 2 были изготовлены с помощью LON на подложке, функционализированной APTES. После нанесения 0,1 мМ раствора Mn 12 магниты из одной молекулы осаждаются только в областях, определяемых АСМ.

Локальное окисление кремниевых поверхностей с помощью бесконтактной атомно-силовой микроскопии является новым и многообещающим методом формирования рисунка на поверхности в нанометровом масштабе благодаря очень точному контролю размера элемента. Функции, созданные с помощью этого метода, можно использовать для роста матрицы и предпочтительного осаждения различных молекул, таких как одиночные молекулы-магниты , биомолекулы и конъюгированные органические молекулы . Этот метод нанопозиционирования является важным инструментом для создания новых наноустройств на основе новых свойств, проявляемых некоторыми наночастицами и молекулами. Возможные применения одномолекулярных магнитов (SMM), таких как Mn12, в качестве битов для хранения информации илиКубиты для квантовых вычислений требуют методов для позиционирования и / или манипулирования этими молекулами с помощью наноразмеров. [7] структурирование из Mn 12 молекул на поверхности кремния достигается за счет первой дериватизации эту поверхность с самоорганизующейся монослой из APTES , который выходит из него завершенного амино- группами (-NH 2 ). Такое прекращение электростатически отталкивает молекулы Mn12. Впоследствии структура диоксида кремния определяется LON. Молекулы SMM преимущественно осаждаются на оксидных мотивах из-за электростатического притяжения. Электростатическое притяжение между оксидом кремния, полученным с помощью LON, и Mn 12 молекул достигает предпочтительного осаждения этих молекул с точностью до нанометра.

Изготовление наноустройств [ править ]

Для изготовления SiNW с использованием подхода нанотехнологии «сверху-вниз» с помощью LON изготавливается наномаска на подложке из кремния на изоляторе. После травления КНИ под наномаску определяется КНН. Затем наномаска удаляется с помощью высокочастотного травления, и, наконец, SiNW подключается ко всей цепи с помощью электронно-лучевой литографии.
Нанотранзистор SiNW, изготовленный с термином «NANO». Этот рисунок демонстрирует хороший электрический отклик, основанный только на свойствах КНН.

Используя нанолитографию местного окисления в качестве инструмента для изготовления устойчивых к травлению наномасок, можно изготавливать электронные устройства нанометрового размера, такие как полевые транзисторы , одноэлектронные транзисторы , джозефсоновские переходы , квантовые кольца или сквиды . [5] LON также позволяет изготавливать кремниевые нанопроволоки (SiNW) сверху вниз, начиная с кремниевых пластин на изоляторе (SOI) . [8] Нанолитография местного окисления способствует нанометрической точности изготовления устройства. Это сверху внизТехнология изготовления позволяет изготавливать большое количество КНН различной формы, от угловой до круглой. Это также позволяет точно позиционировать кремниевые нанопроволоки в желаемом положении, облегчая их интеграцию ; действительно, этот метод совместим со стандартной технологией обработки кремниевых КМОП . Монокристаллические кремниевые нанопроволоки уже продемонстрировали большой потенциал в качестве сверхчувствительных сенсоров , обнаруживая изменения в проводимости нанопроволоки при наличии определенного аналита. [9] Нанолитография местного окисления, таким образом, является многообещающим методом, позволяющим реализовать массив биосенсоров.

Ссылки [ править ]

  1. ^ а б Гарсия, R; Мартинес, Р.В.; Мартинес, Дж (2005). "Нанохимия и нанолитографии сканирующего зонда" (PDF) . Chem. Soc. Откр. 35 (1): 29–38. DOI : 10.1039 / b501599p . PMID  16365640 .
  2. ^ Дагата, JA; Schneir, J; Harary, HH; Эванс, CJ; Postek, MT; Беннетт Дж. (1990). «Модификация кремния, пассивированного водородом, с помощью сканирующего туннельного микроскопа, работающего на воздухе» . Прил. Phys. Lett. 56 (20): 2001. Bibcode : 1990ApPhL..56.2001D . DOI : 10.1063 / 1.102999 .
  3. ^ День, HC; Аллее, Д.Р. (1993). «Селективное окисление кремния с помощью сканирующего силового микроскопа». Прил. Phys. Lett. 62 (21): 2691. Bibcode : 1993ApPhL..62.2691D . DOI : 10.1063 / 1.109259 .
  4. ^ Гарсия, R; Calleja, M; Рорер, H (1999). «Формирование структуры кремниевых поверхностей с помощью бесконтактной атомно-силовой микроскопии: образование водяных мостиков нанометрового размера под действием поля» (PDF) . J. Appl. Phys. 86 (4): 1898. Bibcode : 1999JAP .... 86.1898G . DOI : 10.1063 / 1.370985 . hdl : 10261/22353 .
  5. ^ a b Tello, Марта; Гарсия, Фернандо; Гарсия, Рикардо (2004). Бхушан, Бхарат; Фукс, Харальд (ред.). Прикладные методы сканирования зондом IV - Промышленное применение . Берлин: Springer. стр.  137 -158. ISBN 3-540-26912-6.
  6. ^ Купер, ЭБ; Manalis, SR; Клык, H; Дай, Н ; Мацумото, К. (1999). «Терабит на квадратный дюйм для хранения данных с помощью атомно-силового микроскопа». Прил. Phys. Lett. 75 (22): 3566. Bibcode : 1999ApPhL..75.3566C . DOI : 10.1063 / 1.125390 .
  7. ^ Коронадо, E; Эпштейн, AJ (2009). «Молекулярная спинтроника и квантовые вычисления». J. Mater. Chem. 19 (12): 1670–1671. DOI : 10.1039 / b901955n .
  8. ^ Мартинес, Дж; Мартинес, Р. В.; Гарсия, Р. (2008). "Кремниевые нанопроволочные транзисторы с шириной канала 4 нм, изготовленные методом нанолитографии атомно-силового микроскопа". Nano Lett. 8 (11): 3636–3639. Bibcode : 2008NanoL ... 8.3636M . DOI : 10.1021 / nl801599k . PMID 18826289 .  
  9. ^ Цуй, Y; Вэй, Q; Парк, H; Либер, CM (1999). "Наносенсоры на основе нанопроволоки для высокочувствительного и селективного обнаружения биологических и химических видов". Наука . 293 (5533): 1289–92. Bibcode : 2001Sci ... 293.1289C . DOI : 10.1126 / science.1062711 . PMID 11509722 . 

Внешние ссылки [ править ]

  • Страница локальной нанолитографии окисления в исследовательской группе Гарсиа в CSIC
  • Исследовательская группа Майлза в Бристольском университете
  • Группа Куэйта в Стэнфордском университете