Nanoszerkezetek előállítási és vizsgálati technikái

Nanofabrikálás eszköztára

Hogyan készítsünk nanoszerkezeteket, és utána hogyan "nézzük" meg őket?

1. ábra - Méretskálák.

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.

Működésének elve az alagúteffektuson alapul: egy hegyes tűt nm-es távolságra pozícionálunk a vizsgált minta felületéhez, a tűre feszültséget kapcsolunk, ennek hatására alagútáram folyik a tű és a minta között:

$\[I \propto V_b \cdot \mathrm{Exp}\left\{-A\cdot d\cdot \sqrt{\Phi} \right\},\]$

ahol $\setbox0\hbox{$V_b$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a tű és a minta közé kapcsolt feszültség, $\setbox0\hbox{$d$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a minta tű távolság, $\setbox0\hbox{$\Phi$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ a kilépési munka valamint $\setbox0\hbox{$A=1.025\;\mathrm{\AA\;}^{-1}eV^{-1/2}$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$ pedig állandó. Az alagútáram exponenciális függése a minta-tű távolságtól rendkívül pontos mérést tesz lehetővé: ha csak $\setbox0\hbox{$1\;\AA$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$-el, azaz körülbelül fél atomnyi távolsággal, megnöveljük a minta-tű távolságot, az áram a tizedére csökken.

thumbtime=0:00

1. ábra - STM tű közelítése a felülethez.

A mérés kezdetén addig közelítjük a tűt a minta felületéhez, míg az alagútáram el nem éri a kívánt értéket - tipikusan $\setbox0\hbox{$nA$}% \message{//depth:\the\dp0//}% \box0%$-es nagyságrend. Ezt követően a minta felületével párhuzamosan pásztázunk a tűvel miközben úgy mozgatjuk azt a felületre merőleges irányban, hogy mindig állandó legyen a mért alagútáram. Ilyen módon akár atomi felbontással letapogatható a minta topográfiája.

thumbtime=0:00

2. ábra - Pásztázás a minta felett: topográfia felvétele.

Az alagútáram exponenciális távolság függése lehetővé teszi, hogy akár egy ollóval hegyezett tűvel is készíthetünk jó minőségű STM képet. Az alábbi ábrák egy grafit minta felületének valamint egy szén nanocsőnek az atomi felbontású képét mutatják be.

2. ábra - atomi felbontású kép grafit minta felületéről.

2. ábra - Szén nanocső, http://en.wikipedia.org/wiki/File:Chiraltube.gif

Az STM tű nem csak a képalkotásra, hanem a minta felületének atomi felbontású manipulációjára is alkalmas: atomokat tologathatunk a felszínen:

• 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 ("Quantum corral"). (Manoharan et al., in Nature, 2000)

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

Az STM üzemmód legnagyobb hátránya, hogy csak elektromosan vezető felületeket vizsgálhatunk vele. Az elektromosan szigetelő felületek vizsgálatára fejlesztették ki az atomerő mikroszkópot.

Atomerő 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

Az atomerő mikroszkóp érzékelője az úgynevezett cantilever: egy laprugó a végén egy hegyes tűvel. Mérés közben a vizsgált minta felületével párhuzamosan pásztázunk a tűvel, miközben úgy mozgatjuk a tűt a felületre merőlegesen, hogy mindig állandó legyen a minta és a tű közötti erőhatás. Az erő meghatározásához a cantilever lehajlását mérjük a laprugóról visszavert lézersugár és egy fotodetektor segítségével.

• "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.

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.

1. A hordozóra (pl. Si lapka) fotoreziszt anyagot viszünk fel (pl. PMMA).
2. A tervek alapján végigpásztázzuk a rezisztet elektronnyalábbal.
3. 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)
4. Előhívás után fémet párologtatunk a felületre. A megvilágított részeken a fém a hordozóra, amúgy a reziszt tetejére kerül.
5. 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:

1. InAs nanovezetékek növesztése
2. A nanovezetékeket terítjük a hordozón
3. Fénymikroszkóppal meghatározzuk a kontaktálni kívánt nanovezetékeket a hordozón előre létrehozott markerekhez viszonyítva
4. 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 Ga_xAl_1-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. Ga_xAl_1-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:

$\[d = \sqrt{\frac{2 \epsilon \Phi_b}{e^2 N_D}}\]$

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)