Диссертация (Исследование электронного транспорта в планарных наноструктурах молекулярного масштаба), страница 3

Идея подхода заключается вотносительной простоте создания тонких (десятки нм) металлических идиэлектрическихпленок(сиспользованиемметодовстандартнойлитографии), а также возможности применения химической самосборкивеществ на поверхности. Малый вертикальный размер может соотносится сразмером исследуемого объекта, и в таком случае метод формированиявертикального интерфейса оказывается достаточно эффективным способомсоздания одиночных наноэлементов или наносистем.Рис. 1. Схематический рисунок вертикальной наноструктуры.Чередование слоев металла (Cr) и диэлектрика создает интерфейс кмаленьким наночастицам золота [32]Вработевертикальногодиэлектрической[32]предложенследующийинтерфейсакрабочимподложкеспомощьюспособобъектамформирования(рисуноктермического1).напыленияНаипоследующего плазмохимического осаждения наносятся поочередно слойхрома и тонкий слой диэлектрика 10 нм.

Затем с использованием15стандартных техник термическим напылением наносится еще один слойхрома заданной геометрии (формы электрода).После этого применяетсяреактивно-ионное травление [33], и рисунок электрода переносится в нижнийслой хрома. Применение анизотропного режима травления позволяетоставить между двумя слоями хрома диэлектрическую прослойку всего 10 нмвысотой. Таким образом, формируется вертикальный интерфейс к рабочемуобъекту наносистемы.К слабым сторонам такого подхода следует отнести сложностьразмещения и закрепления рабочего объекта в вертикальной структуре.

Какследствиеэтого,гораздоболееперспективнымидлядальнейшегоприменения могут являться наноструктуры, выполненные по планарнойтехнологии. Ниже представлены основные способы создания планарныхнаноэлектродов как интерфейса к объектам молекулярного масштаба(наночастицам, молекулам, квантовым точкам) в наносистемах.1.1 Методика механического разрыва нанопроводаПервым предложенным методом создания планарных электродов былмеханический разрыв металлического провода [34 - 37].

Такойпозволяетосуществлятьнетолькосозданиезазорамеждуподходдвумяэлектродами, но и в последующем контролировать его ширину. При этомвозможно создание зазоров размером менее 10 нм и даже одноатомныхконтактов между электродами. Разрыв нанопровода и образование зазорадостигаются за счет механического изгиба подложки (рисунок 2). Для болееэффективного управления процессом разрыва в последних работах,использующих данный подход, применялся пьезо-электрический двигатель.Обратная связь в такой системе достигается за счет измерения проводимостиразрываемого провода. Несмотря на то, что способ механического разрывапозволяет исследовать управляемый одноатомный транспорт, что само посебе очень ценно, и несколько научных групп продолжают исследования вэтой области, его применение при создании электродов в наносистемах16ограничено. Связано это с необходимостью применения сейсмическойзащиты при использовании механического разрыва нанопроводов, низкойскоростью создания наноэлектродов и отсутствием способов тиражированияполучающихся нанозазоров.Рис.

2. Схема метода создания наноструктуры путем механического разрывананопровода. Подложка, закрепленная по краям, изгибается под действиеммикрометрического двигателя. [35]В последнее время предложено несколько техник, совершенствующихподход механического разрыва нанопровода. Следует отметить возможностьсоздания нависающих над подложной металлических нанопроводов [38,39].Нависание обеспечивается за счет предварительного реактивно-ионнноготравления подложки [33]. Такое усовершенствование позволяет получать иисследовать зазор между электродами без влияния подложки. Стоитотметить также недостатки создания зазора методом механического контроляширины. Главной проблемой является нестабильность зазоров, полученныхтаким методом [40], в том числе это происходит и из-за температурногодрейфапьезо-элемента,формирующегозазорвнанопроводе.Ограничивающим фактором для применения данного метода создания зазоратакже является сложность размещения рабочего объекта в области зазора [41- 48].

Кроме того, для этого способа характерны практически все недостаткиупомянутого выше метода с применением иглы СТМ/АСМ микроскопа:температурный дрейф полученных наноэлектродов, сложность размещенияисследуемого объекта (молекулы или наночастицы) в нанозазор, сложность17создания вблизи области исследования дополнительного электрода дляуправления электронным транспортом.1.2 Литографические методики формирования нанопроводовС развитием техники электронно-лучевой литографии было сделанонесколько попыток адаптировать традиционную литографическую технику(рисунок 3) для создания интерфейса к рабочим объектам наносистем [49 51]. Суть методики заключается в формировании геометрии наноэлектродовв слое полимерной пленки, нанесенной на диэлектрическую подложку.

Послеудаления модифицированных электронным лучом частей пленки (вскрытиеокон маски) проводится прямое напыление металлических наноэлектродов.Поскольку толщина полимерной маски в таком подходе составляетнесколько десятков нм, формирование зазора между электродами внесколько единиц нанометров становится довольно сложной задачей,требующей жесткой фиксации всех технологических параметров.Рис. 3. Техника создания интерфейса к рабочему объекту наносистемыметодом прямой литографии. В слое полимерной маски формируетсяструктура электродов с расстоянием между ними 25 нм. За счет подбора дозыэкспонирования электронным лучом зазоры между электродами имеютразную ширину [50]18В работе [50] точность фиксации окружающей температуры приудалении модифицированных частей пленки (вскрытие окон маски)составляла 0.2 С.

Технологический разброс параметров, который нельзяисключить, приводит к необходимости формирования большого количествананопроводов с разными по ширине зазорами между ними, разному времениэкспонирования электронным лучом и последующему статистическомуотбору получившихся нанозазоров. К сожалению, для молекулярнойэлектроники размер нанозазоров, подходящих для формирования интерфейсак рабочему объекту, составляет единицы нанометров.

Технологическийразброс параметров стандартной литографической техники делает сложнымполучение достаточного количества нанозазоров нанометровой ширины дляпоследующего применения в молекулярных системах.К методикам формирования зазора на основе литографических техниктакже стоит отнести формирование нанозазора с помощью пучка ионов(рисунок 4) [52 - 57]. Идея метода довольно понятна, большая масса ионовпозволяет проводить модификацию поверхности.

При достаточно большомвременивоздействияпучканаметаллическуюпленкунанопроводапроисходит перераспыление атомов пленки.Рис. 4. Формирование зазора в металлическом нанопроводе с помочью пучкаионов. а) нанопровод, изготовленный методом стандартной литографии б)полученный зазор шириной 26 нм в нанопроводе [52].19На данный момент есть несколько работ, в которых применен данныйподход для создания электродов наносистем. Например, в работе [52] спомощью электронно-лучевой литографии формировались нанопроводазолота (300 нм толщиной ) шириной 200 нм и 2 мкм длиной.

После этогопроводился разрез полученного нанопровода пучком ионов Ga. Шириназазора,образованноговнанопроводе,составилаоколо26нм.Преимуществом методики является возможность формирования практическилюбой геометрии нанопроводов, электродов и нанозазоров для применения внаносистемах.Однакоиспользованиедляформированиянанозазорадорогостоящего оборудования (двухлучевого микроскопа) резко снижаетдоступность такого подхода. С другой стороны, применение пучка ионовделает невозможным создание структур с геометрией менее 10 нм.

Ещеодной негативной особенностью метода является значительная имплантацияподложкиионамиВышеперечисленныеGaвнедостаткипроцессеформированияуказываютнамалуюнанозазора.пригодностьиспользования этой методики для построения наносистем молекулярногомасштаба.1.3 Электрохимическая методика создания нанопроводовЕще одной методикой формирования нанозазоров между планарныминаноэлектродами,являетсяполучившейметодикасужениядостаточноширокоезаведомобольшогораспространение,зазорамеждунаноэлектродами путем электрохимического осаждения дополнительныхслоев металла [58, 59]. Данная методика базируется на стандартнойлитографической технике. Сначала на подложке методом стандартнойлитографии формируются наноэлектроды с досточно большими зазорамимежду ними (50, 100 нм).

После этого образцы погружаются в растворэлектролита KAu(CN)2, и к ним добавляют третий электрод, с которого будетпроводиться электрохимическое осаждение (рисунок 5). После этого20разностьюпотенциаловмеждуэлектродамиинициируетсяпроцессосаждения атомов золота на поверхность электродов.Рис. 5. Схема экспериментальной установки для электрохимическогозаращивания зазора между металлическими наноэлектродами.

Междузолотыми электродами, помещенными в раствор электролита, подается втечение фиксированного времени заданная разность потенциалов. [61]Подобная методика допускает применение сигнала обратной связи[15,16,60,61] для контролирования степени сужения зазора. В качествесигнала обратной связи обычно используется проводимость между двумясоседними наноэлектродами на образце. Такой подход к формированиюинтерфейсанедостатками.длямолекулярныхГлавнымнаносистемнедостаткомтакогообладаетспособанесколькимиформированиянанозазора являются использование химической реакции и погружениеобразца в раствор электролита, мешающие дальнейшему размещению изакреплению молекулярных рабочих объектов в наносистеме (которые тоже,какправило,используютхимическуюреакцию).Всвоюочередь,технологический разброс параметров на этапе литографии приводит ксильному отличию значений ширин нанозазоров между собой и, какследствие, необходимости проводить электрохимическое сужение каждогозазора в отдельности.211.4 Методика создания нанопроводов путем термического допыленияБолее технологичным способом сужения изначально большого зазорамежду электродами для формирования интерфейса к наносистемам являетсяметод термического напыления дополнительных слоев металла в исходныйзазор (рисунок 6) [13,14].Рис.

6. Схема создания нанозазоров методом термического допыленияметалла. а) Формирование металлических электродов на подложкедиэлектрика; б-в) реактивно-ионное травление (б - анизотропный режим, в изотропный режим); г) допыление атомов металла в зазор. [14]Основным преимуществом данного метода является использованиетолько хорошо технически отработанных стандартных литографическихтехник и техники реактивно-ионного травления [33]. Идея заключается всоздании на диэлектрической подложке наноэлектродов с заведомо большимзазором между ними (20 - 100 нм). Далее с помощью комбинациианизатропного и изотропного режимов реактивно-ионнного травления можнодобиваться формирования углубления (500 - 1000 нм) под областьюисходного зазора.