„Nanoszerkezetek előállítási és vizsgálati technikái” változatai közötti eltérés
(→Pásztázó alagútmikroszkóp (Scanning tunneling microscope, STM) |
(→Pásztázó alagútmikroszkóp (Scanning tunneling microscope, STM) |
||
| 3. sor: | 3. sor: | ||
Hogyan készítsünk nanoszerkezeteket, és utána hogyan "nézzük" meg őket? | Hogyan készítsünk nanoszerkezeteket, és utána hogyan "nézzük" meg őket? | ||
| − | == Pásztázó alagútmikroszkóp (Scanning tunneling microscope, STM == | + | == Pásztázó alagútmikroszkóp (Scanning tunneling microscope, STM) == |
<wlatex> | <wlatex> | ||
A lap 2013. május 7., 16:04-kori változata
Nanofabrikálás eszköztára
Hogyan készítsünk nanoszerkezeteket, és utána hogyan "nézzük" meg őket?
Pásztázó alagútmikroszkóp (Scanning tunneling microscope, STM)
Az első pásztázó alagútmikroszkópot Gerd Binnig és Heinrich Rohrer fejlesztette 1981-ben, találmányukért fizikai Nobel-díjat kaptak 1986-ban, azóta széleskörben elterjedt, manapság a nanofizikai kutatások egyik alapvető vizsgálati módszerei közé tartozik.
Egy hegyes tűt piezoelektromos mozgatók segítségével néhány nm távolságra pozícionálunk az elektromosan vezető minta felszínéhez, a tűre feszültséget kapcsolunk, aminek hatására alagútáram folyik a tű és a minta között:
![\[I \propto V_b \cdot \mathrm{Exp}\left\{-A\cdot d\cdot \sqrt{\Phi} \right\},\]](/images/math/f/3/3/f33f7d155ad3c25c2642a7c71de1f639.png)
ahol 
a tű és a minta közé kapcsolt feszültség, 
a minta tű távolság, 
a kilépési munka valamint 
pedig állandó. Az alagútáram exponenciális függése a minta tű távolságtól rendkívül pontos mérést tesz lehetővé: ha csak 
-el azaz körülbelül fél atomnyi távolsággal megnöveljük a minta tű távolságot, az áram a tizedére csökken.
  |
| 1. ábra - STM tű közelítése. |
A mérés kezdetén beállítunk egy alagútáram értéket, majd addig közelítjük a tűt a mintához, míg az áram el nem éri azt. Ezután a minta felületével párhuzamosan pásztázunk a tűvel mialatt úgy mozgatjuk azt a mintára merőleges irányban, hogy a mért alagútáram állandó legyen, ilyen módon akár atomi felbontással letapogatható a minta topográfiája.
 |
| 2. ábra - Pásztázás. |
- Akár egy ollóval elvágott PtIr vagy W tűvel is készíthetünk jó STM képet
- Az STM tű segítségével atomokat tologathatunk a felszínen ("Quantum corral")
- 48 kört alkotó Fe atom egy Cu felületen. A kör belsejében állóhullámok látszanak.
- 36 ellipszist alkotó Co atom, + 1 Co atom az egyik fókuszpontban, aminek a hatása a másik fókuszpontban is látszik. (Manoharan et al., in Nature, 2000)
 |
 |
| 2. ábra - http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic_resolution_Au100.JPG |
 |
| 2. ábra - http://en.wikipedia.org/wiki/File:The_Well_(Quantum_Corral).jpg |
 |
| 2. ábra - http://www.nist.gov/cnst/epg/atom_manipulation_stm.cfm |
Atomi erő mikroszkóp (Atomic Force Microscope, AFM)
 |
| 2. ábra - http://en.wikipedia.org/wiki/File:Atomic_force_microscope_block_diagram.svg |
 |
| 2. ábra - http://en.wikipedia.org/wiki/File:Single-Molecule-Under-Water-AFM-Tapping-Mode.jpg |
- Egy 3D piezo mozgató segítségével egy finom cantilever (laprugó) végén levő hegyes tűt mozgatunk a vizsgált felület fölött. A cantilever "meghajlását" általában a cantileverről visszavert lézersugár és egy fotodetektor segítségével mérjük.
- "Non-contact mode": a cantilevert a minta fölött a sajátfrekvenciája környékén rezgetjük. A minta és a tű közötti erőgradiens hatására a sajátfrekvencia elhangolódik. Az XY szkennelés közben a tűt Z irányban úgy mozgatjuk, hogy a rezgés amplitúdója (v. fázisa) konstans maradjon. A Z(XY) függés megadja a felület topográfiáját, akár atomi felbontással.
- "Contact mode": a cantilevert folyamatosan a mintához nyomjuk. XY mozgatás közben a Z pozíciót úgy változtatjuk, hogy a cantilever meghajlása (és így a minta és a tű közötti taszító erő) konstans maradjon.
- AFM-el nem fémes felületek is tanulmányozhatók!
Pásztázó és transzmissziós elektron mikroszkóp (Scanning electron microscope, SEM / Transmission electron microscope, TEM)
- SEM: fókuszált elektronnyalábbal pásztázzuk a mintát, és a visszaszórt elektronokat, másodlagos elektronokat, a keltett röntgen sugárzást v. fényt detektáljuk. 1-5 nm felbontás érhető el. A minta felülete elektromosan vezető kell, hogy legyen a töltésfelhalmozódás elkerülése végett. (Szigetelőkön vékony fémes bevonatot kell létrehozni)
- TEM: egy elektronsugár egy ultra vékony mintán transzmittálódik, a transzmittált nyaláb képét nagyítás után egy képernyőre / CCD kamerára vetítjük. Akár atomi felbontás is elérhető.
Elektronsugár litográfia (E-beam lithography)
Egy pásztázó elektronmikroszkópot egy író egységgel egészítünk ki, mely az egyszerű raszter-szkennelés helyett tetszőleges, általunk tervezett pálya mentén mozgatja az elektronsugarat.
- A hordozóra (pl. Si lapka) fotoreziszt anyagot viszünk fel (pl. PMMA).
- A tervek alapján végigpásztázzuk a rezisztet elektronnyalábbal.
- A rezisztben megvilágítás hatására megváltoznak a kötések, így a megvilágított rész az előhívóval könnyen feloldható és eltávoltítható. (Negatív reziszt esetén a meg nem világított rész oldódik az előhívóban)
- Előhívás után fémet párologtatunk a felületre. A megvilágított részeken a fém a hordozóra, amúgy a reziszt tetejére kerül.
- Megfelelő anyaggal a megmaradt rezisztet, és így a tetején levő fém réteget is eltávolítjuk, így csak a megvilágított helyeken maradnak fém nanostruktúrák.
 |
| 3. ábra - Elektronsugaras litográfia. |
Felbontás, InAs nanoáramkörök gyártása:
Ugyan az elektronsugarat pár nm átmérőre fókuszálhatjuk, a rezisztben keltett másodlagos elektronok diffúziójuk során további kötéseket törnek fel a rezisztben. Emiatt az elektronsugár mikroszkópia felbontásánál a litográfia felbontása egy nagyságrenddel rosszabb (>20nm).
Példa:
- InAs nanovezetékek növesztése
- A nanovezetékeket terítjük a hordozón
- Fénymikroszkóppal meghatározzuk a kontaktálni kívánt nanovezetékeket a hordozón előre létrehozott markerekhez viszonyítva
- Megtervezzük, és az ismertetett módszerrel legyártjuk a nanoáramköröket. A markerek segítségével illesztünk.
Párologtatási módszerek, MBE
- Fizikai gőzfázisú leválasztás (Physical Vapour Deposition, PVD). A forrásanyagot nagy vákuumban párologtatással vagy porlasztással a gőztérbe viszik, és leválasztják a szubsztrátumra.
- Ahhoz, hogy a leválasztott anyag az energetikailag kedvező helyeket megtalálja a szubsztrát fűtésére van szükség.
- Forrásanyag párologtatása: ellenállásfűtéssel, v. elektronsugárral (e-gun evaporation), vagy lézerimpulzussal (laser ablation PVD)
- Forrásanyag porlasztása (sputtering) pl. Ar+ ionokkal
- Molekulasugaras epitaxiális rétegnövesztés (Molecular Beam Epitaxy, MBE)
- Igen tiszta körülmények (<10-10 mbar nyomás) + fűtött hordozó + forrásanyag jól kontrolált leválasztása (e-gun) -> egykristályos epitaxiális rétegek növeszthetők ~1 réteg/s sebességgel. Rétegek in situ számlálása nagyenergiájú reflexiós elektrondiffrakcióval (Reflected High Energy Electron Diffraction, RHEED)
- Kémiai gőzfázisú leválasztás (Chemical Vapor Deposition, CVD): gázfázisba vitt anyagokból valamilyen kémiai reakcióval választják le a hordozó felületére a rétegépítő anyagot.
Példa: 2D elektron gáz GaxAl1-xAs heteroszerkezetekben
 |
| 1. ábra http://en.wikipedia.org/wiki/File:HEMT-scheme-en.svg |
A GaAs és az AlAs tiltott sávja jelentősen eltér, viszont a rácsállandójuk <0.15% pontossággal megegyezik, így kristályhibák nélkül, epitaxiálisan növeszthetők egymásra. GaxAl1-xAs növesztése esetén a tiltott sáv x értékével folytonosan változtatható (band engineering).
AlGaAs és GaAs rétegeket növesztük egymásra. A két anyag kilépési munkája és kémiai potenciálja eltér, viszont érintkezésükkor töltésátrendeződések után a kémiai potenciálok kiegyenlítődnek. Ekkor a sávok "elhajlása" miatt a határfelületen kialakul egy szabadon mozgó elektronokat tartalmazó 2D réteg a határfelületen, az úgynevezett 2D elektron gáz, 2DEG.
A dópolást a határfelülettől távolabb végzik (remote v. d- doping) így a szennyező atomok (pl. Si) potenciálja kevésbe zavarja az elektronok mozgását a 2DEG-ben. Ennek, és az epitaxiális növesztésnek köszönhetően az elektronok szabad úthossza kiemelkedően nagy lehet (alacsony hőmérsékleten akár 0.25mm!)
Alkalmazás: High Electron Mobility Transistor 600GHz-es max. frekvencia
Kontaktusok és kapu elektródák létrehozása
Kapu elektródák – Schottky kontaktus
- A fém és a félvezető között egy kiürített réteg alakul ki, melyen csak termikus gerjesztéssel vagy alagutazással juthatnak át az elektronok
- A kapuelektródára adott feszültséggel szabályozhatjuk a 2DEG elektronsűrűségét:
![\[d = \sqrt{\frac{2 \epsilon \Phi_b}{e^2 N_D}}\]](/images/math/b/d/9/bd9d9131b42b7e258a289cc11377ad8c.png)
Ohmikus kontaktus
- Erős dópolással lecsökkentjük a kiürített réteg vastagságát
- Gyakori módszer tiszta félvezető felület utólagos kontaktálására:
„Split gate” technika
- Foto v. elektronsugár litográfiával készült elektródákra adott feszültségekkel struktúrálják a 2DEG-et
Önszerveződő nanoszerkezetek, kémiai növesztés
- A felületek gyakran átrendeződnek jól definiált struktúrájú alakzatokba (surface reconstruction)
- Molekulákból önszerveződő rétegeket képezhetünk. Pl. arany felületre a tiol csoport (SH) szeret kötődni, így egyik végükön tiol csoporttal rendelkező molekulák egy arany felületen önszerveződő monoréteget (self-assambled monolayer, SAM) alkothatnak
- Bizonyos anyagok szakítás során szeretnek atomi láncokat képezni
- Grafén nanoszalagok létrehozása oxidációval. SiO2 hordozón elhelyezett grafén réteget először oxigén légkörben oxidálunk (~500 OC), aminek hatására kör alakú lyukak jönnek létre. Ezeket 700 OC-os argon atmoszférában hőkezeljük, miközben jól definiált irányú hatszögek jönnek létre. (Reakció: SiO2+C -> SiO + CO) Forrás: Magda Gábor, Dr. Bíró László Péter (MFA)
.jpg){kind=link}
