Диссертация (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба), страница 16

В относительно больших зазорах, по всей видимости, будетреализовываться механизм закрепления на поверхности подложки, в малыхзазорах,напротив,механизмзакреплениянаповерхностизолотыхнаноэлектродов.Для исследования этих двух механизмов закрепления был проведен рядэкспериментов. Разбавленный раствор наночастиц наносился на образцыслюды с пленкой золота 15 нм и образцы из диоксида кремния.

Частицыосаждались на поверхность образцов по мере высушивания содержащего ихраствора в камере при давлении 10-4 мбар в течение двух суток(гравитационныйметод).Наснимкахповерхностиобразцоввидныодиночные частицы, осевшие и на поверхность кремния (Рис. 42а) и назолотую пленку (Рис. 42б).101абРис. 42. а - Снимок РЭМ поверхности диоксида кремния с одиночнымичастицами золота.

б - Снимок РЭМ пленки золота с одиночными частицамизолота.На РЭМ снимках поверхностей золота и диоксида кремния видно, чтобольше наночастиц оседает на поверхности золотой пленки. По всейвидимости, этот механизм закрепления будет преобладать при размещениинаночастиц в зазорах (при размерах зазоров, сравнимых с размераминаночастиц).Для сравнения инерционного и гравитационного методов осаждениябыл проведен ряд экспериментов, в которых раствор с наночастицаминаносился на образцы кремния и слюды, покрытой пленкой золота, и затемсушился либо на медленно вращающейся (со скоростью 800 об/мин)центрифуге за 30 сек (инерционное нанесение), либо в камере при вакууме~10-4 мбар за сутки (гравитационное нанесение).Сравнительный анализ по подсчету среднего количества частиц в кадраходинаковой площади с пересчетом полученных величин на характернуюплощадь области зазора между электродами показал, что на образцах счастицами, осажденными инерционным методом, средняя плотность частицсоставляет от ~0,01 до 0,1 штуки на 1000 нм2.

На образцах, высушенных вкамере, эти значения варьируются в диапазоне от 0,2 до 2. Стоит отметить,что для большей равномерности распределения наночастиц по поверхности102образца раствор с частицами взбалтывался в ультразвуке перед каждымнанесениемвтечениеоднойминуты.Этозначительноповышалоравномерность расположения осажденных нанообъектов.В результате было показано, что для размещения золотой наночастицыв качестве рабочего объекта нанотранзистора наиболее подходящим являетсяметод гравитационного осаждения частиц с высушиванием растворананочастиц при низком давлении в закрытой камере.Проведенные исследования осаждения малых наночастиц золота наповерхностьдиоксида кремния и золотой пленки были необходимы длявыбора оптимального механизма нанесения частиц на поверхность иопределения параметров процесса нанесения.Условия размещениянаночастиц в нанозазорах отличаются от нанесения частиц на относительноровную поверхность.

Однако, как будет показано ниже, в этом случаеудавалось добиваться размещения даже одиночных наночастиц в пределехнанозазора.Определенные на предыдущих этапах оптимальные концентрациирастворов наночастиц были использованы для разработки нужной намметодикиразмещениянаночастицвнанозазорах,являющейсязаключительным этапом создания наносистем молекулярного масштаба.Для этого был проведен ряд экспериментов по осаждению наночастиц внанозазорымеждуэлектродамиисток-стокнанотранзистора,сформированными на первых двух этапах создания наноструктуры (глава2,3). С учетом определенных оптимальных концентраций наночастиц врастворителе и параметров нанесения одиночные наночастицы оседали вобласти зазора в более чем 50% случаев.

Снимки РЭМ с осажденныминаночастицами в зазоры между электродами исток-сток нанотранзистораприведены ниже (рисунок 43 - много частиц, 44 - две частицы, 45 одиночная частица).103Рисунок 43. Большое количество частиц золота в нанозоре междуэлектродами при осаждении гравитационным методом из раствора сконцентрацией наночастиц 0.1 мг/мл.При большой концентрации (0.1 мг/мл) наночастиц в растворителе внанозазор попадает сразу много наночастиц (рисунок 43).

Нанозазорполучается фактически замкнут множеством цепочек наночастиц. Применьшей концентрации наночастиц (0.01 мг/мл) в зазоре размещаются малыегруппы наночастиц (рисунок 44). На снимке РЭМ видно сразу двенаночастицы одинакового размера, попавшие в область зазора. Исходя из ихрасположения в зазоре нельзя заранее точно определить характер транспортаэлектронов в такой системе.

Для этого необходимо было проводитьэлектрические измерения (глава 5).В ходе проведения экспериментов по осаждению наночастиц внанозазоры обнаружено, что предварительный просмотр области осажденияв РЭМ сильно влияет на концентрацию оседающих наночастиц (онастановиться меньше в 100 - 1000 раз). По всей видимости, это связано ссохранением электрического заряда на локальном участке поверхности послепросмотра в РЭМ. Однозначно зафиксировать величину этого локального104заряда невозможно из-за различных режимов просмотра каждого образца,обеспечивающих максимальную контрастность изображения.Поэтому иподобрать параметры осаждения и концентрацию наночастиц в растворителедля областей, экспонированных в РЭМ, также нельзя. Это обстоятельствопривело к тому, что после проведения электромиграции нанопроводов тольконесколько контрольных образцов исследовались в РЭМ, для остальныхизмерялись электрические характеристики, но исследований в РЭМ переднанесением наночастиц не проводилось.Рисунок 44.

Две частицы золота, попавшие в нанозор между электродамиисток-сток нанотранзистора при осаждении гравитационным методом израствора с концентрацией наночастиц 0.01 мг/мл.Самым интересным является попадание в нанозазор одиночнойнаночастицы (рисунок 45). В этом случае транспорт электронов, по всейвидимости, будет идти как раз через наночастицу. Ее расположениеотносительно берегов нанозазора и форма самих берегов, скорее всего, будетоказывать влияние на транспорт электронов.

Однако более подробноисследовать такую систему можно только с помощью прямых электрических105измерений (глава 5).Рисунок 45. Одиночная частица золота, осажденная гравитационнымметодом в нанозор между электродами исток-сток нанотранзистора(концентрация раствора наночастиц 0.01 мг/мл).На снимках РЭМ (рисунки 43,44,45) хорошо видны наночастицы,попавшие в нанозазор между электродами исток-сток нанотранзистора. Всепредставленные наносистемы на основе наночастиц требуют тщательногоизучения их электрических характеристик, так как на качественном уровнепонятнасильнаяразницавструктуреполученныхнаносистем.Электрические характеристики полученных наносистем на основе малых (2 5 нм) частиц золота приведены в главе 5.Стоит отметить, что не только системы на основе одиночныхнаночастиц представляют интерес.

Нанозазоры, замкнутые цепочками изнаночастиц, могут быть полезны для создания модельных гранулированныхсистем (пленок) и исследования электронного транспорта в них. В данномслучаемодельностьтакихсистем106заключаетсяввозможностинепосредственного наблюдении геометрии гранул и взаимного расположенияэтих гранул таких систем в РЭМ. Поэтому электрические характеристикинанозазоров с большим количеством осажденных в них наночастиц такжебыли подробно исследованы.Таким образом, было проведено исследование процесса осаждениянаночастицнаповерхностьзолотыхпленок.Входепроведенияэкспериментов по осаждению золотых частиц, покрытых "шубой" издодекантиолов,производствафирмыSigma-Aldrich,наподложку,представляющую собой пластину слюды со слоем напыленной пленки золотатолщиной 15 нм, была подобрана концентрация молекулярных объектов восаждаемом растворе, оптимальная для получения мономолекулярного (содной частицей в зазоре) транзистора.

Из расчета, что не менее однойчастицы должно приходиться на площадь зазора, равную примерно 1000 нм2,было получено значение D= 0.01 мг/мл.Был проведен анализ инерционного и гравитационного осажденийчастиц с целью выявления наиболее подходящего метода. Подсчет среднегоколичества частиц в кадрах одинаковой площади с пересчетом полученныхвеличин на характерную площадь разрыва между электродами показал болеевысокую эффективность метода, в котором нанесенный на образец растворсушился в камере при низком давлении.

Плотность частиц, осажденныхцентрифугированием, составила в среднем ~0.01 штук на 1000 нм2, чтопримерно на порядок меньше аналогичных значений при сушке.Для равномерного распределения частиц, содержавшихся в наносимомрастворе, была выявлена необходимость непосредственно перед каждымнанесением помещать раствор в ультразвук. Анализ результатов осаждения свстряхиванием раствора с частицами в течение одной минуты и безвстряхивания показал, что более равномерное расположение осажденныхобъектов на поверхности осуществляется с использованием УЗ.107Наночастицы золота с помощью разработанного режима нанесения быливстроенывзазоры,полученныеспомощьюпроведенияпроцессаэлектромиграции в золотых нанопроводах.При этом, осаждаемые одиночные наночастицы располагались в областинанозазоров в более чем 50% экспериментов.

Такой большой процентпопадания наночастиц в зазоры является следствием использованияэкспериментально определенных оптимальных концентраций наночастиц ипараметров нанесения. Кроме того, было проведено осаждение совокупностичастиц в широкие зазоры, и исследованы их электрические характеристики(подробно в главе 5).108Глава 5. Транспорт электронов в структурах молекулярногомасштаба5.1 Экспериментальная установка для измерения электронноготранспорта в наносистемахДляисследованияэлектронноготранспортавполученныхнаносистемах и контроля качества изготовления наносистем на каждом этапебыла разработана и собрана экспериментальная установка (рисунок 46). Дляподключения в установку созданных образцов применялся тот же блоксопряжения,которыйэлектромиграциибыл(рисунокразработан30).Блокдляпроведенияподразумеваетпроцессавозможностьподключения плат-адаптеров с образцами, разваренными с помощью ультразвуковой сварки.

Платы-адаптеры представляют собой текстолитовыепластины (толщиной 1.5 мм) с медными проводниками и контактнымиплощадками (толщина меди 35 мкм), покрытыми тонким слоем золота(тонкий слой 0.1 мкм золота поверх слоя никеля 5 мкм). Такое покрытиеобеспечивает износостойкость электрического контакта платы-адаптера кразъему блока сопряжения и, кроме того, позволяет применять одинаковыепараметрыультразвуковой сварки для сварки контактных проводов(алюминиевых нитей диаметром 6 мкм) с исследуемым образцом и платойадаптером (длина импульса 30 мс, мощность от 0.6 до 1.2 Вт). Такоемодульное подключение образцов очень удобно, поскольку позволяетчередовать структурные исследования образцов в РЭМ, СТМ, АСМ сизмерением их электрических характеристик.