Диссертация (1102985), страница 13
Текст из файла (страница 13)
При напряжениях менее3 мВ не удавалось обеспечить приемлемую точность измерений икорректность определения сопротивления нанопроводов. Однако даже притаком значении (3 мВ) устранить влияние собственных шумов АЦПудавалось только за счет усреднения большого количества проведенныхизмерений. Время дискретизации опроса состояния нанопровода составляло40 мс (с учетов усреднения по 10 000 точек).Полученныезначениядлительностипроцессасаморазрывананопровода лежат в интервале от 5 минут до 200 минут. Характернымвременем образования нанозазора является время 40 - 60 минут.
Слишкомбольшое время саморазрыва, по всей видимости, связано с недостаточносильными локальными напряжениями в пленке золота, возникшими впроцессеэлектромиграции.Малыевремена,наоборот,связанысобразованием предельно малых сужений пленки и быстрой ее релаксации собразованиемнанозазора.Предложенныйалгоритмэлектромиграциипозволяет проводить корректировку условий прекращения электромиграции(максимально достигаемого значения сопротивления) с учетом разногокачества тонких металлических пленок.На рисунке 33 представлен график (последние 5 минут передобразованием нанозазора) саморазрыва одного из образцов.
С течениемвременипроисходитразрушение81отдельныхквантовыхканаловпроводимости в месте сужения нанопровода, образованном в ходеэлектромиграции. Проводимость нанопровода на рисунке нормирована напроводимость одиночного квантового канала 0 =2ℎ. Сопротивление,соответствующее одиночному квантовому каналу, составляет 25.8 КОм. Посути, одиночный канал проводимости представляет собой одну ковалентнуюсвязь, то есть контакт двух атомов. Сопротивление нанопроводов послеэлектромиграции перед началом саморазрыва находилось в диапазоне 2 - 3КОм (установленный порог завершения процесса электромиграции). Такоесопротивление соответствует наличию от 7 до 15 квантовых каналовпроводимости, включенных параллельно.
Качественно можно соотнестиколичество каналов проводимости с геометрией сужения в нанопроводнике.Сопротивление золотого нанопровода-заготовки длиной 200 нм, шириной 50нм и толщиной 15 нм в процессе электромиграции увеличивается примерно в200 - 300 раз (учитывая удельное электрическое сопротивление золота ρ =2.2*10-8 Ом*м, значение сопротивления изменяется от 5 - 10 Ом до 1500 2500Ом).изменениемТакоеизменениепоперечногосопротивлениесечениявызванозначительнымнанопровода-заготовки,чтоподтверждается снимками в РЭМ.
Поперечное сечение уменьшается отизначального значения в 750 нм2 до значения около 2 нм2. Отношениепоперечного сечения сужения в нанопроводе (2 нм2) к площади квантовогоλFканала проводимости ~( )2 (для золотой пленки λF = 0.52 нм [84])2показывает, что количество квантовых каналов проводимости в перемычкесоставляет около 20 - 30 штук. Это практически совпадает со значением,полученным выше из электрических измерений. Под действием локальныхнапряжений в пленке золота, возникшими в процессе электромиграции,происходит постепенное разрушение квантовых каналов проводимости, какпоказано на рисунке 33:82Рис.33. Динамика процесса саморазрыва пленки по завершении процессаэлектромиграции.
Четко видно скачкообразное изменение проводимости вразрываемой пленке, обусловленное разрушением одиночных каналовпроводимости. (G0 -проводимость квантового канала)Каждая ступенька графика соответствует всего нескольким (от 15 до 3 4) сохранившимся квантовым каналам проводимости. Под действиемостаточных напряжений в месте сужения нанопровода происходит разрывковалентных связей отдельных атомов, и общая проводимость нанопроводадискретно уменьшается.
При этом процесс саморазрыва иногда бываетобратим, это свидетельствует о "равновесности"процесса, то есть оботсутствии влияния внешнего тестового воздействия на систему. На графикечетко видны кратковременные увеличения проводимости нанопровода.Сопротивление нанопровода до начала процесса саморазрыва (2 - 3 КОм)можнооднозначносвязатьсколичествомсохранившихсяпослеэлектромиграции квантовых каналов проводимости, и, как следствие, этимможно качественно объяснить большое время (30 - 60 мин) их разрушенияпод влиянием остаточных напряжений в пленке золота после проведенияпроцесса электромиграции.
В созданных нанопроводах-заготовках прииспользовании разработанного алгоритма проведения электромиграции входе релаксации в более чем 75% случаев образовывались зазоры менее 5 нм.83На некоторых образцах окончательная стадия разрыва пленки,подобнаяпоказаннойнарис.предварялась33,многократнымискачкообразными изменениями проводимости между двумя или тремязначениями в течение длительного времени (более 3-х часов).
Для такихобразцовбылопроведеноисследованиединамикисаморазрыватонкопленочного нанопровода при увеличенном тестовом воздействии (100мВ), всего на один порядок меньшим, чем напряжение в процессеэлектромиграции на последних этапах (0.5 - 1 В). Такое тестовое воздействиепозволило увеличить точность измерений и уменьшить время дискретизациидо 40 мкс. Однако наблюдаемая динамика процесса в этом разрешении неизменилась.
Это, по всей видимости, свидетельствует о меньших внутреннихнапряжениях, созданных в данных пленках в процессе электромиграции, чтоприводит к более длительной и сложной релаксации структуры пленки.Дискретный характер изменения проводимости говорит о том, чтопроцесс носит фундаментальный характер и доказывает чистоту процессаразрыва пленки: отсутствие в итоговом нанозазоре паразитных проводящихканалов.Этопозволяетприменятьнанопроводаснанозазорами,полученными саморазрывом золотой пленки, в качестве электродов приисследовании молекул или наночастиц и при построении на основе такихнаноэлектродов туннельных мономолекулярных нанотранзисторов.Снимок РЭМ малого (3 нм) нанозазора, полученного методомэлектромиграциипоописаннойвышеметодикекомбинированияпредложенного алгоритма управляемого проведения электромиграции ипроцесса саморазрыва, на завершающей стадии электромиграции приведенна рисунке 34.84Рис.
34. Нанозазор 3 нм между золотыми наноэлектродами, созданный спомощью комбинирования управляемого проведения процессаэлектромиграции и саморазрыва.Отчетливопоявившиесявиднывизмененияпроцессеструктурыперестройкинанопровода-заготовки,пленкиприпротеканииэлектромиграции. Ширина конкретного нанозазора составляет около 3 нм,более точно измерить геометрию нанозазора не позволяет разрешениеэлектронного микроскопа. Кроме того, параметры нанозазора оценивалисьпри проведении электрических измерений (глава 5).
Здесь, забегая вперед,уместно отметить, что подобные зазоры демонстрировали туннельныйтранспорт электронов (сопротивление более 10 ГОм). Это хорошосогласуется с представлениями о процессе саморазрыва нанопровода послеэлектромиграции и полученными данными динамики саморазрывов.В заключении третьей главы отметим основные черты разработаннойметодики получения в нанопроводах зазоров менее 5 нм в более чем 75%случаев.Во-первых, этого удалось достигнуть за счет создания оптимальныхусловий для проявления эффекта электромиграции за счет выбранной85геометрии самих нанопроводов-заготовок (тонкие - 15 нм и узкие - 50 нмнанопровода-мостики между массивными (они в 3 раза толще и в 4 разашире)подводящиминанопроводами),учитывающейнеобходимостьсоздания тока высокой плотности (108 А/см2) в заготовках и одновременно сэтим эффективный отвод тепла, препятствующий плавлению нанопроводовв ходе электромиграции.
Для этого применялась подложка (Al2O3) с хорошейтеплопроводностью (30 Вт/м*К), создавался градиент толщины (15 нм - 60нм) между нанопроводами-заготовкамии и подводящими электродами дляэффективного отвода тепла, была спроектирована и создана установка,обладающая высокой скоростью обратной связи (20 мкс), способнаяобеспечивать быструю реакцию на изменение состояния тонкой пленки.Во-вторых, был предложен и разработан алгоритм управляемогопроведенияэлектромиграцииатомовзолотойпленки,позволившийпроводить ступенчатое изменение геометрии нанопроводов и образованиелокальных сужений с большими локальными механическими напряжениями.Такое проведение процесса электромиграции позволяет получать областисужений, в которых происходит формирование малых нанозазоров (менее 5нм) в более чем 75 % случаев.В третьих, исследована динамика процесса саморазрыва напряженнойпленкипослепроведенияпроцессаэлектромиграции.Определеноптимальный порог сопротивления (2 - 3 КОм) нанопровода, при которомнеобходимопрекращатьпроведениепроцессаэлектромиграциидляобразования минимального нанозазора.Кроме того, была определена непригодность использования золотыхнанопроводов, напыленных на адгезионный слой Cr и Ti.
После проведенияэлектромиграции золотой пленки в таких нанопроводах получающиесязазоры имеют омическую проводимость за счет замыкания зазора грануламипленки адгезионного слоя. В качестве альтернативы предложен и разработан(глава 2) способ напыления нанопроводов золота на поверхность Al2O3 и SiO2c тонким (2 нм) подслоем Al2O3. В созданных по такой технике нанопроводах86возможно формирование нанозазоров с "чисто" туннельной проводимостьюмежду электродами(берегами) зазора.Все вышеперечисленное позволяет говорить о создании нанозазоров,пригодных для применения в исследовании нанообъектов (молекул илинаночастиц) и построении наноструктур (туннельных нанотранзисторов) наих основе.87Глава 4. Формирование молекулярной части наносистемЗаключительнымразмещениерабочегоэтапомсозданияобъектананотранзистора(наночастицызолота)являетсямеждутонкопленочными наноэлектродами золота, лежащими на изолированномэлектроде управления.
Для реализации этой задачи вначале был проведенобзор современных методов осаждения и закрепления наночастиц наповерхности, а также возможных механизмов формирования контакта междунаночастицей и поверхностью золотого наноэлектрода.Как правило, наночастицы находятся в растворе в присутствиимолекулярного окружения ("шубы") [85]. Природа контакта с поверхностьюэлектрода такой наночастицы с молекулярной оболочкой может сильноотличаться в зависимости от этой самой оболочки [86]. Можно условновыделить две группы оболочек наночастиц: с отсутствием или слабойхимической адсорбцией к внешней поверхности, на которую наносятсянаночастицы, и с сильной химической адсорбцией. В первом случаенаночастица взаимодействует с поверхностью подложки или электрода засчет наличия сил Ван-дер-Ваальса, а во втором - за счет наличиядополнительных сил химического взаимодействия.При изучении осаждения наночастиц на поверхность материалабольшинство научных групп использует так называемую самосборку (selfassemble)[87].Впроцессесамосборкинаповерхностивозникаетупорядоченный монослой частиц за счет взаимодействия молекулярныхоболочек частиц между собой и с подложкой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
