Борисенко В.Е. - Наноэлектроника (Теория и практика) (1051247), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Эта сила уравновешивается пьезоэлектрическим элементом позиционирования, толкающим зонд к поверхности. Бесконтактный режим с зазором 5 — 15 нм используется, когда имеется опасность того, что зонд может изменить (повредить) поверхность. В контактном режиме сканирование выполняется непрерывно или же путем «обстукивания» образца. Контролируя возмущение у поверхности образца, можно осуществлять управляемую локальную модификацию поверхности с атомным разрешением. Этому способствуют экстремальные усло- 106 Г л а в а 2. Методы формирования нанпзлекгрпнных структур вия, которые можно создать вблизи острия зонда, а именно — электрические поля с напряженностью порядка 109 — 1О'и В/м и токи с плотностью до 10' А/см'.
Таким образом, использование сканирующих зондов позволяет реализовать локальное окисление поверхности, осаждение на нее различных материалов, манипулирование отдельными атомами (атомная инженерия), низкоэнергетическую электронно-лучевую литографию. Преимущества зондовых методов модификации материалов обусловлены не только высокой локальностью воздействия на поверхность, но и возможностью непосредственной визуализации результата этого воздействия и даже проведения локальных электрических измерений с использованием того же самого зонда. ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОПРОВЕРКИ 1.
Какое явление лежит в основе метода сканирующей туннельной микроскопии? 2. Какими элементами осуществляют перемещение зоила на субнанометровые расстояния? 3. Каковы основные режимы работы сканирующего туннельного микроскопа? 4. Как можно распознать химическую природу атомов под зондом сканирующего туннельного микроскопа? 5.
Какое явление лежит в основе метода атомной силовой микроскопии? 6. Как контролируют отклонение консоли с зондом от равновесного положения в атомном силовом микроскопе? 7. Какую напряженность электрического поля и плотность тока можно достичь в зазоре зонд — подложка? 2.2.2. Атомная инженерия Помимо исследовательских приложений, сканирующий туннельный микроскоп получил широкое применение для направленного манипулирования атомами на поверхности твердого тела. Выделяют параллельные н перпендикулярные процессы переноса атомов".
При параллельных процессах атомы или молекулы перемешают вдоль поверхности, а при перпендикулярных их переносят с поверхности на острие зонда и обратно. В обоих случаях конечной целью является перестройка поверхности на атомном уровне. Такую пере- Согласно классификации, предложенной в обзоре Е. Д лпозг, Р. М. СатрьеИ, Л К. Регггтз, )Чапотаьг!саг!пп и!щ ргпхппп! ргпЬез, Ргпсеещпщ птще 1ЕЕЕ 85(4), 60 1-611(1997). 22 Мвтоди, основанные на ионавмовании окани ющин вводов 107 стройку мохсно рассматривать как серию последовательных действий, приводящих к селективному разрыву химических связей между атомами и к последующему образованию новых связей. С другой точки зрения, это эквивалентно движению атома по некоторой потенциальной поверхности от начального состояния к конечному.
Оба подхода позволяют понять физические механизмы, посредством которых осуществляется манипулирование атомами с помощью зонда сканирующего туннельного микроскопа. 2.2.2. 1. Параллельные процессы переноса атомов Перемещение атомов параллельно поверхности подложки может быть осуществлено в процессе полевой да4фузаа (ре1с ИЩЬз/сп) или сксльжеиал (а1Ы(п2). В обоих случаях связи между перемещаемыми атомами и подложкой не разрывакпся. Адсорбированный атом всегда находится в потенциальной яме.
Энергия, необходимая для его перемещения, соответствует энергетическому барьеру для диффузии по поверхности. Она обычно находится в пределах от 1/10 до 1/3 от энергии адсорбции, что соответствует диапазону 0,01 — 1,0 эВ. Полевая диффузия адсорбированных на поверхности атомов вызывается сильно неоднородным электрическим полем, создаваемым между острием зонда и поверхностью. Напряженность этого поля может достигать 30 — 50 В/нм. Этого вполне хватает для ионизации и десорбции атомов. Для ускорения же поверхностной диффузии достаточно электрических палей и с меньшей напряженностью.
Взаимодействие дипольного момента адсорбированного атома с неоднородным электрическим полем, индуцированным зондом в его окрестности, приводит к диффузии этого атома в направлении убывания градиента потенциала. Дипольный момент адсорбированного атома во внешнем электрическом поле Е определяется двумя составляющими — его статическим дипольным моментом р и инлуцированным полем моментом аЕ: (2.2.
2) р =р+аЕ+ ... где а — тензор поляризуемости; Š— напряженность электрического поля. С учетом (2.2.2) пространственное распределение потенциальной энергии атома имеет вид У(г) = -р(г). Е(г) -0,5а(г). Е(г). Е(г), (2.2.3) р(г) и а(г) — величины статического дипольного момента и поля- ризуемости в направлении г. 108 Гл а ва 2.
Метслы формирования ианоалектронных структур «Ф ГГ«1 — Π— Лассо»Х«по«випми ю ом ' й~ГО' вопд Коорлинвга Рис. 2.13. Потенциальная энергия атома, алсорбированного на поверхности кристаллической полложки, как функция его положения относительно зоила сканируюшеготуннельногомикроскопа Эта потенциальная энергия лобавляется к периодическому потенциалу поверхности (рис.
2 13, а), образуя потенциальный рельеф, благоприятный для направленного движения адсорбированного атома в область, находящуюся непосредственно под острием зонда. В зависимости от особенностей взаимодействия рассматриваемого атома и зонда возможно два варианта результирующего потенциального рельефа. При слабом взаимодействии обычно формируется широкая потенциальная яма (рис. 2.13, б) с рельефом, модулированным периодическим потенциалом поверхности. В случае же сильного ориентированного взаимного притяжения атома и зонда, связанного с их химической природой, потенциальная яма для атома сужается и локализуется строго под зондом (рис. 21.3, в).
В процессе диффузии по поверхности адсорбированный атом «проваливается» в эту яму и задерживается в ней. Скольжение перемещаемого атома инициируется силами его взаимодействия с атомами зонда. Величина этих сил определяется потенциалом межатомного взаимодействия. Задавая определенное положение зонда, можно управлять величиной и направлением действия результирующей этих сил.
Перемещение атома посредством скольжения схематически показано на рис. 2.14. Первоначально зонд устанавливается в позицию наблюдения адсорбированного атома по обычной процедуре. Затем зонд приближают к атому на расстояние, необходимое для появления сил межатомного взаимодействия.
Это достигается путем увеличения туннельного тока. Поддерживая ток постоянным, зонд перемеща- 2Д Методы, основанные на иснольэовании сиани иаос эондое 109 Рис. 2.14. Схема манипулирования атомами посредством скольжения: а, д — наблюдение; 6 — связывание с зондом; в — сколыкение; г — отделение отзевав ют вдоль поверхности в новую позицию, после чего, уменьшая туннельный ток, отводят зонд от поверхности на прежнее расстояние.
Для того чтобы атом двигался по поверхности в направлении перемещения зонда, результирующая сил их взаимодействия должна превышать силу связи атома с подложкой. Величина этой силы в первом приближении может быть оценена как отношение энергии, необходимой для поверхностной диффузии, к расстоянию между атомами на подложке. Близкое расположение зонда может привести к смещению адсорбированного атома в его сторону, т.
е. в направлении нормали к поверхности подложки. Оторвав этот атом от подложки, мы получим оценку величины силы, необходимой для его движения по поверхности данной подложки. Процесс перемещения атомов пугем сколыкения очень чувствителен к расстоянию между зондом и поверхностью подложки. При расстоянии свыше некоторой критической величины взаимодействие между зондом и адсорбированным атомом становится слишком слабым и недостаточным для движения атома в направлении перемещения зонда. Поскольку абсолютная величина расстояния между зондом и подложкой не контролируется, а лишь характеризуется сопротивлением туннельного перехода между ними, то критическому расстоянию соответствует определенное сопротивление.
В зависимости от характера расположения атомов на острие зонда величина этого сопротивления может изменяться в несколько раз. Однако наиболее существенное влияние на него оказывают особенности химической природы адсорбированного атома и материала подложки. Типичные значения порогового для скольжения туннельного сопротивления лежат в диапазоне от десятков кОм до нескольких МОм, отражая тем самым значительный разброс энергии связи различных атомов с разными подложками. 110 Гл а в а 2.
Методы формирования наноэлектронных структур 2.2.2.2. Перпендпкулярные процессы переноса атомов В этой группе процессов отдельные атомы, молекулы или их группы переносятся с поверхности подложки на острие зонда и обратно. Для простоты ограничимся рассмотрением переноса только с поверхности на зонд. Энергия, требуюшаяся для такого процесса, соответствует потенциальному барьеру, который должна преодолеть покидающая поверхность частица. Величина этого барьера зависит от расстояния между зондом и поверхностью подложки, на которой находятся предназначенные для перемешения атомы, а также от величины и направления электрического поля в зазоре.
В зависимости от роли и характера действия электрического поля манипулирование атомами может быть осуществлено с помощью контактного перепаса (сопгасг ггапзрогг), полевого пспауенпп ЯеЫ ерарогауюп) и эеект2ромиг2вацпи (егесу отгягаугоп). Контактный перенос представляет собой простейшую реализацию перпендикулярных процессов. Он осуществляется путем сближения зонда и предназначенного для переноса атома до расстояния, при котором силы притяжения атома к зонду и к подложке сравниваются. Атом при этом оказывается связанным одновременно и с зондом, и с подложкой. Затем зонд отводят от поверхности вместе с адсорбированным на нем атомом. Такое поведение перемешаемого атома может, конечно, иметь место лишь в случае, когда сила его связи с подложкой слабее сил его адсорбции на зонде.
Перемещение атомов может быть осуществлено и без их отрыва от подложки. При этом расстояние от зонда до подложки выбирают таким образом, чтобы различие потенциальной энергии атома на зонде и на подложке было сравнимо с тепловой энергией, благодаря чему и осушествляется перенос атомов. Такой процесс называют «почти контактным» переносом. Он сушественно анизотропен, поскольку величина барьера, который приходится преодолевать перемещаемому атому, определяется потенциальным рельефом подложки.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
