ОНЭиНТ_Сидорова_Л6(9) (Лекции по ОНЭиНТ)

Московский  государственный  технический  университет  им.  Н.Э.  Баумана  Факультет:  Машиностроительные  технологии  (МТ)  Кафедра:  Электронные  технологии  в  машиностроении  (МТ  11)  Основы  наноэлектроники    и    нанотехнологий  Сидорова    Светлана    Владимировна  2015  Лекция  6    Островковая  пленка  –  несплошная  пленка,  формирование  которой  закончили  на  начальной  стадии.

   Кватновая  точка  –  нанокристалл,  ведущий  себя  как  один  отдельный  атом.  Актуальность  применения  ОНС  • Вертикально  излучающий  лазер  –  оптика  Оптика• Полевой  транзистор  с  квантовыми  точками  в  канале  и  автоэмиссионные  свойства  островковых  структур    –  микроэлектроника  МикроэлектроникаНаноэлектроникаМагнетизм• Датчики  Холла  –  магнетизм  • Затравки  для  направленного  выращивания  УНТ  –  наноэлектроника  Актуальность  применения  ОНС  Миниатюризация2*3 нм – емкость Тбит1012 шт/см в кв.Долговечность1015 цикловзапись/стираниеВысокий КПД85%Лучшаяспектральнаячистота9000 Кд*м в кв.вместо500 Кд*м в кв.Повышениебыстродействия10 нс1020 опер./сНизкоеэнергопотреблениеэнергия переключения0,1 фДжНуклеация  и  агломерация    Агломерация  (агрегация  (англ.  agglomeration  или  aggregation))  —  пространственная  группировка  и  адгезия  дисперсных  частиц,  в  результате  которой  образуются  более  крупные  по  размерам  «вторичные»  частицы.

   Нуклеация  (зародышеобразование)  —  это  первая  по  времени  наступления  стадия  фазового  перехода.  На  ней  образуется  основное  число  устойчиво  растущих  зародышей  новой,  стабильной  фазы  из  исходной  метастабильной  фазы  (пересыщенный  пар).      Образование  зародышей  на  отдельных  молекулах  исходной  фазы  —  гомогенная  нуклеация.    Образование  капель  на  посторонних  вкраплениях  (гетерогенных  центрах  или  ядрах  конденсации)  —  гетерогенная  нуклеация.  Гомогенная  нуклеация  ΔGs=  σ4πr2    ΔGv=  {  n  μ2+  (N-­‐n)  μ1}  -­‐N  μ1=  nΔμ  =  (4πr3/3V)Δμ,  где  r-­‐радиус  зародыша,    σ  -­‐  удельная  поверхностная  энергия,    Δμ=  μ2-­‐μ1-­‐  пересыщение  (перенапряжение),    V  -­‐  атомный  (молекулярный)  объем,    n  -­‐  число  атомов  новой  фазы,  n<<  N  ΔG  =  ΔGs-­‐ΔGv=  =  σ4πr2-­‐(4πr3/3V)  Δμ  При  условии  dΔG/dr=  0    уравнение  Гиббса-­‐Томсона  rc=  2  σV/  Δμ  Работа  (энергия)  3D-­‐нуклеации  ΔGc=  16  πσ3V2/3  Δμ2=  ncΔμ/2.

     Критический  зародыш  –  агрегат  новой  фазы,  который  находится  в  состоянии  метастабильного  равновесия  с  пересыщенной  материнской  фазой;    вероятность  дальнейшего  роста  которого  равна  вероятности  растворения;    для  образования  которого  изменение  свободной  энергии  системы  максимально.

 Гетерогенная  нуклеация  θ≈0,  cos(θ)  =  (σS1-­‐σS2)/  σ12≈1,  σS1  -­‐σS2≈σ12  ΔG=  2πrγ-­‐πr2Δμ/Sa,  где  γ  –  удельная  граничная  энергия.  Уравнение  Гиббса-­‐Томсона:  rc=  γSa/Δμ.  Работа  (энергия)  2D-­‐нуклеации  с  учетом  nc=  πrc2  /  Sa  ΔGc=  πγ2Sa/Δμ=  ncΔμ,  γ=  F(Δμ)  Гетерогенная  нуклеация  Механизмы  нуклеации                1.  Механизм  Вольмера-­‐Вебера  (Volmer-­‐Weber),  образование  3D-­‐зародышей  (фаза1-­‐раствор,  фаза2-­‐зародыш)  cos(θ)  <  1,  σS1<  σS2+  σ12,    ΨMe-­‐S<<  ΨMe-­‐Me  cos(θ)  =  (σS1-­‐σS2)/  σ12  Гетерогенная  нуклеация  Механизмы  нуклеации                2.

 Механизм  Франка-­‐Ван  дер  Мерве  (Frank-­‐Van  der  Merwe),    2D-­‐нуклеация  и  послойный  рост  осадка  cos(θ)  ≈1,  σS1≈σS2+  σ12,    ΨMe-­‐S>>  ΨMe-­‐Me,  dMe≈dS  cos(θ)  =  (σS1-­‐σS2)/  σ12  Гетерогенная  нуклеация  Механизмы  нуклеации                  3.  Механизм  Странского-­‐Крастанова  (Stranski-­‐Krastanov),    образование  3D-­‐зародышей  на  монослое  адатомов    или  нескольких  монослоях  2D-­‐осадка  (послойный  +  островковый  рост)  ΨMe-­‐S>  ΨMe-­‐Me,  dMe≠dS  Туннельный  эффект    Туннельный  эффект  (туннелирование)  –  преодоление  микрочастицей  потенциального  барьера  в  случае,  когда  её  полная  энергия  (остающаяся  при  туннелировании  большей  частью  неизменной)  меньше  высоты  барьера.  где$ φ %$волновая$функция$микрочастицы.$Туннельный  эффект  Уравнение  Шрёдингера  для  области  I  и  III  будет  одинаковым  и  имеет  вид:          введя  обозначение:        окончательно  получим:        Аналогично  для  области  II:            где      Токоперенос  в  тонких  пленках  а)                                                                                                                                                                                  б)    Туннелирование  между  островками  при  отсутствии  (а)  и  наличии  (б)  внешнего  электрического  поля    Электропроводность  в  островковых  металлических  пленках  Туннельный  эффект  в  островковых  пленках  состоит  в  том,  что  частица  с  заданной  полной  энергией  имеет  конечную  вероятность  перейти  из  одной  области  пространства  в  другую,  если  они  разделены  областью  классически  недоступной  для  частицы  данной  энергии.

     Если  пленка  состоит  из  островков  одного  металла,  то  термодинамическая  работа  выхода  электрона  из  каждого  островка  одинакова    φ1  =  φ2,  уровни  Ферми  WF1    и  WF2  не  смещены.  Энергетическая  диаграмма  системы  Потенциальный  барьер  имеет  металл–вакуум–металл  в  прямоугольную  форму.    отсутствии  поля  для  пленки  из  островков  одного  металла    Существующие  модели                          роста  пленок  EaEd*EiΔGdes − свободная энергия активации десорбцииΔG sd − свободная энергия активацииповерхностной диффузии адсорбированныхатомов*ΔG − изменение свободной энергии приE a − энергия активации десорбцииадсорбированного атомаE d − энергия активации поверхностной диффузииобразовании критического зародышаT − температура подложкиадсорбированных атомовС − const , содержащая геометрические параметрыR − скорость осажденияk − постоянная Больцмана , 1,38 ⋅ 10ΔG *C=⋅ a02πr * sin θN 0*23kTi− 23Дж / К*Ei − энергия диссоциаци и критического зародышана адсорбиров анные атомы*i − число атомов в критическом зародыше⎛ R ⎞⎟⎟C = a0 yN 0 ⎜⎜⎝ ν 1 N 0 ⎠Механизмы  роста  пленок  ПаркристаллПКПаржидкость(кристалл)ПЖ(К)ФИЛЬМ  Модель  расчета  времени  формирования  ОНС  t ( T) :=Nmax( T)Ji( T)Время  образования  максимального  количества  зародышей,  с  Максимальное  количество  образовавшихся  ⎛ Ed ⎞ зародышей,  когда  скорость  образования  равна  RNmax( T) := N0 ⋅ ⋅ exp⎜⎟ν1⎝ k⋅ T ⎠ нулю,  шт/м2  i⎡ ⎡⎣( i + 1)Ea + Ei − Ed⎤⎦ ⎤ Скорость  образования  ⎛⎞Ji( T) := R⋅ a0⋅ y⋅ N0⋅ ⎜⋅ exp⎢⎥ критических  ⎟k⋅ T⎣⎦ зародышей,  шт/м2с  ⎝ ν1⋅ N0 ⎠RВарьируемые  параметры:  Число  атомов  в  критическом  зародыше  –  i  [3…7]  шт.

   Температура  подложки  –  T  [293…1273]  К  Модель  расчета  времени  формирования  ОНС  а)б)Число  атомов  в  критическом  зародыше  –  7  шт.  1,2,3,4  –  скорость  осаждения  10Е-­‐5  кг/м^2с;  1`,2`,3`,4`  –  скорость  осаждения  10Е-­‐9  кг/м^2с.  1,1`  –  исходные  значения  энергий  Еd  и  Ea;  2,  2`  –  значения  Еd  увеличено,  Ea  г)в)прежнее;  3,  3`  –  значения  Еa  увеличено,  Ed   Взаимосвязь  времени  образования  максимального  количества  прежнее;  4,  4`  –  увеличены  значения  зародышей  критического  размера  и  температуры  подложки:  энергий  Еd  и  Ea.    1,1`  –  исходные  значения  ΔЕd  и  ΔEa;    2,  2`  –  ΔЕd  >  ΔEa;  3,  3`  –  ΔЕa  >  ΔEd;  4,  4`  –  значения  энергий  ΔЕd  и  ΔEa  увеличены  Температура подложки 293…1273 К при энергиях частиц 0,14…4 эВ в зависимости от метода.Методика  получения  ОНС  Экспериментальный стенд1. Подготовка подложки.2.  Формирование контактныхплощадок.3.  Подключение измерительныхустройств, подготовка к началуэксперимента.4.  Измерение R, I в процессенанесения пленки.5.  Обработка результатовэксперимента.Схема контроля измененияэлектрического токав зависимости от временинапыленияСхема процессаформированияостровковых наноструктурАналитическое  оборудование  Измеритель  иммитанса    GW  INSTEK  LCR-­‐816.

   Аналитическое  оборудование  Пикоамперметр  Keithley  мод.  6485  Экспериментальные  исследования  получения  ОНС   1  –  испаритель;    2  –  поток  Сu;    3  –  измерительные  пластины;  4  –  контактные  площадки;    5  –  подложка;  6  –  нагреватель    а)############################################################б)#Оснастка#с#закрепленной#подложкой#до#(а)#и#после#(б)#проведения#эксперимента##Аналитическое  оборудование  Сканирующий  зондовый  микроскоп  Solver  NEXT,  NT-­‐MDT  Исследование  полученных  базовых  образцов  на  АСМ  Чистый ситалл(R=∞, Iфон= 10-10 А)Ситалл+Cu 20 секРазмер поля сканирования – 5х5 мкмИнтервал времени нанесения Cu на ситалл – t = [5…40] сек, ∆t = 5 секСиталл+Cu 40 секРезультаты  экспериментов  по  контролю  роста  ОНС  Топология  поверхности  образцов  (АСМ)  При токе формирования ОНС – 250 нАПри токе формирования ОНС – 25 нАРезультаты  экспериментов  по  контролю  роста  ОНС  Сечение  рельефа  поверхности  При токе формирования ОНС – 250 нАПри токе формирования ОНС – 25 нАРезультаты  экспериментов  по  контролю  роста  ОНС  Шероховатость  образца  При токе формирования ОНС – 250 нАПри токе формирования ОНС – 25 нААналитическое  оборудование  Спектрофотометр  Epsilon  Vis-­‐NIR  время  напыления  1  мин  30  сек,  без  нагрева  подложки  время  напыления  1  мин  30  сек,  нагрев  подложки  до  80  град  С  Контрольные  вопросы  1.  Нуклеация.

 Механизмы  гетерогенной  нуклеации.  2.  Гомогенная  нуклеация.  Уравнение  Гиббса-­‐Томсона.  3.  Модели  роста  тонкой  пленки.  4.  Механизмы  роста  тонкой  пленки.  5.  Токоперенос  в  островковых  пленках.  6.  Туннельный  эффект  в  островоквых  пленках.  7.  Электропроводность  в  островковых  пленках.  8.  Основные  сложности  получения  островковых  наноструктур.  Темы  рефератов    (на  следующее  занятие)  21. Военные  нанотехнологии.      22. Нанотоксикология.    23. Нанотехнологии  в  IT-­‐индустрии.

   .