Místní oxidační nanolitografie - Local oxidation nanolithography

Postup místní oxidace: 3D reprezentace procesu místní oxidační nanolitografie. Napěťový pulz aplikovaný mezi hrotem AFM a skenovaným povrchem vede k tvorbě kapalného menisku, který omezuje nanometrickou oxidační reakci.

Místní oxidační nanolitografie (LON) je a tip-based nanofabrikace metoda. Je založen na prostorovém omezení na oxidace reakce pod ostrým hrotem mikroskop atomové síly.

První materiály, na kterých byl LON předveden, byly Si (111) a polykrystalický tantal. Technika byla následně rozšířena na III –PROTI polovodiče, karbid křemíku, kovy jako titan tantal, hliník, molybden, nikl a niob; tenké filmy z manganit v perovskit formulář; dielektrika jako nitrid křemíku, organosilan samostatně sestavené monovrstvy, dendritický makromolekuly a uhlíkatý filmy.[1]

Dějiny

Lokální oxidace povrchu pomocí a skenovací sonda techniku ​​poprvé pozorovali Dagata a spolupracovníci v roce 1990, kteří lokálně upravili a vodíkem zakončený povrch křemíku do oxid křemičitý působením předpětí mezi špičkou a skenovací tunelovací mikroskop a samotný povrch.[2] V roce 1993 společnost Day and Allee prokázala možnost provádět místní oxidační experimenty s mikroskop atomové síly, což otevřelo cestu k aplikaci této techniky na širokou škálu materiálů.[3]

Základní princip

Kroky procesu lokální oxidace v bezkontaktním režimu. I: Špička skenuje vzorek v bezkontaktním režimu kmitající při konstantní amplitudě. II: Když je aplikován napěťový impuls, je elektrickým polem indukován kapalný meniskus mezi špičkou a vzorkem. Tento kapalný meniskus funguje jako elektrochemický článek o velikosti nanometrů, kde probíhá oxidační reakce. III: Když je napěťový impuls vypnutý, zpětné vazby AFM vytáhnou špičku ze vzorku a natáhnou kapalný meniskus. IV: Po rozbití menisku hrot obnoví původní amplitudu oscilace a pokračuje ve skenování.

V současné době se místní oxidační experimenty provádějí s mikroskop atomové síly provozováno v kontaktní nebo bezkontaktní režim s dalšími obvody použít Napětí pulzy mezi špičkou a vzorkem. Proces místní oxidace je zprostředkován tvorbou vody meniskus.[4]

Aby bylo možné provést místní oxidační nanolitografii, relativní vlhkost v komoře AFM se udržuje mezi 30% a 60%. Mezi vodivý hrot AFM a vzorek je aplikován napěťový impuls. Aplikované napětí indukuje tvorbu vodního můstku mezi špičkou a vzorkem, kdykoli je amplituda napěťového impulzu nad určitým prahovým napětím. Když kapalina meniskus je vytvořen aplikovaný napěťový impuls způsobí oxidace reakce rozbitím kovalentní vazby v voda molekuly. Tekutý můstek poskytuje oxyanionty (ACH−,Ó−) potřebné k vytvoření oxidu a omezuje boční rozšíření oblasti, která má být oxidována.

Chemické reakce, které řídí lokální oxidaci v a kovový substrát (M) jsou následující:[5]

zatímco vodík plyn se uvolňuje na špičce AFM redukční reakcí:

Když je napěťový impuls vypnutý, zpětná vazba AFM nutí konzola obnovit svou původní amplitudu kmitání vytažením hrotu ze vzorku a rozbitím kapalného menisku. Nakonec AFM pokračuje ve skenování vzorku, což umožňuje obraz MOn nanostruktura vyrobená během procesu místní oxidace se stejným hrotem, jaký byl použit pro její výrobu.

Způsob vytváření kapalných můstků je tak přesný, že lze snadno získat průměr vodního menisku 20 nm nebo nižší. To vedlo k reprodukovatelné výrobě struktur pod 10 nm na křemíkových a jiných kovových površích.

Experimentální nastavení

Experimenty s lokální oxidací lze provádět téměř s jakýmkoli druhem mikroskop atomové síly. Klíčovým požadavkem je možnost podat žádost Napětí pulzy mezi špičkou a vzorkem. Doporučuje se uzavřít mikroskop v komoře, kde je řízena atmosféra. V nejjednodušším případě je oxidant je vodní pára, který je přirozeně přítomen v vzduch. Ovládání relativní vlhkost obecně pomáhá dosáhnout reprodukovatelnějších výsledků. Velikost vyrobených prvků závisí na řadě parametrů, jako je vzdálenost mezi vzorkem a špičkou, amplituda a doba trvání napěťového impulzu a relativní vlhkost atmosféry.

Aplikace

První odstavec Cervantes ' Don Quijote napsáno na a křemík čip. Technika místní oxidace by umožnila napsat celou knihu (více než 1 000 stran) na povrch velký jako špička jednoho člověka vlasy.

Vývoj v měřítku nanometrů litografie je zaměřen na intenzivní výzkumnou činnost, protože pokrok na nanotechnologie závisí na schopnosti vyrobit, umístit a propojit struktury v měřítku nanometrů.

Vzorování

Místní oxidační nanolitografie umožňuje vytvářet širokou škálu motivů, jako jsou tečky, čáry a písmena, s přesností na nanometry. V roce 2005 vědci z Španělská národní rada pro výzkum v Madrid napsal prvních deset řádků Cervantes ' Don Quijote na několika čtverečních mikrometrech křemíku.[1] Tuto univerzálnost vzoru lze použít úložiště informací nebo navrhnout odolné proti leptání nanomasky za účelem výroby nanozařízení stejně jako mnoho dalších aplikací.

Datové úložiště

π číslo s dvaceti desetinnými místy: 3,1415926535 8979323846 napsané v binárním kódu pomocí Local Oxidation na křemíkovém povrchu.

Je možné ukládat informace pomocí tečkovitých nanostruktur vytvořených lokální oxidací povrchu. Toto úložiště používá binární kód zvažování přítomnosti nanostruktury jako 1 a jejího nedostatku jako 0. Tímto způsobem mohou být informace uloženy na malém povrchu s jediným SiO2 tečka tvořící a bit. V roce 1999 Cooper et al. prokázal, že tyto metody umožňují získat hustota informací ze dne 1.6 Tbit /v2.[6] Avšak pouze vzpomínky jen pro čtení lze touto technikou vyrobit.

Růst molekulárních templátů a preferenční depozice

Pomocí specifických funkcionalizací je možné ukládat molekuly a nanočástice pouze ve velmi malých doménách na povrch substrátu. LON je výkonná technika pro výrobu tohoto druhu domén pro preferenční růst.
Dva SiO2 pruhy byly vyrobeny LON přes substrát funkcionalizovaný APTES. Po nanesení 0,1 mM roztoku Mn12 magnety s jednou molekulou jsou uloženy pouze v oblastech definovaných AFM.

Lokální oxidace křemíkových povrchů bezkontaktní mikroskopií s atomovou silou je objevující se a slibná metoda pro vzorování povrchů v měřítku nanometrů díky velmi přesné kontrole velikosti prvku. Funkce vytvořené touto technikou lze použít pro růst šablony a preferenční ukládání různých molekuly jako magnety s jednou molekulou, biomolekuly a konjugované organické molekuly.Tato metoda nanopozice je důležitým nástrojem pro výrobu nových nanozařízení na základě nových vlastností, které vykazují někteří nanočástice a molekuly. Potenciální aplikace magnetů s jednou molekulou (SMM), jako jsou Mn12 jako bity pro ukládání informací nebo qubits pro kvantový výpočet vyžadovat metody pro polohování a / nebo manipulaci s těmito molekulami v nanoměřítku.[7] Vzorování Mn12 molekul na povrchu křemíku je dosaženo nejprve derivatizací tohoto povrchu pomocí a samostatně sestavená jednovrstvá z APTES, který jej ponechává ukončen amino skupiny (-NH2). Takové ukončení elektrostaticky odpuzuje molekuly Mn12. Následně je LON definován vzorec oxidu křemičitého. Molekuly SMM se převážně ukládají na oxidové motivy kvůli elektrostatické přitažlivosti. Elektrostatická přitažlivost mezi oxidem křemičitým vyrobeným LON a Mn12 molekul dosahuje preferenční depozice těchto molekul s přesností v nanoměřítku.

Výroba nanozařízení

Za účelem výroby SiNW pomocí přístupu shora dolů nanotechnologie vyrábí nanomaska ​​společnost LON přes substrát Silicon On Insulator. Po leptání SOI je pod nanomaskou definován SiNW. Poté se nanomaska ​​odstraní vysokofrekvenčním leptáním a nakonec se SiNW připojí k celému obvodu pomocí litografie Electron Beam.
Nanotranzistor SiNW vyrobený s výrazem „NANO“. Tento vzor vykazuje dobrou elektrickou odezvu pouze na základě vlastností SiNW.

Použitím lokální oxidační nanolitografie jako nástroje pro výrobu nanomasek odolných proti leptání je možné vyrobit elektronická zařízení v nanoměřítku, jako jsou tranzistory s efektem pole, tranzistory s jedním elektronem, Josephson křižovatky, kvantové prsteny nebo KAPALINY.[5] LON také umožňuje vyrábět Křemíkové nanodráty (SiNWs) způsobem shora dolů počínaje od křemík na izolátoru (SOI) oplatky.[8] Místní oxidační nanolitografie přispívá k nanometrické přesnosti výroby zařízení. Tento vzhůru nohama technika výroby umožňuje výrobu nejrůznějších materiálů SiNWs s různými tvary, od úhlových po kruhové. Umožňuje také přesné umístění křemíkových nanodrátů v požadované poloze a usnadňuje jejich integrace; tato technika je skutečně kompatibilní se standardním křemíkem CMOS technologie zpracování. Monokrystalické křemíkové nanodráty již ukázaly velký potenciál jako ultravysoký senzory detekcí změn vodivosti nanodrátů, když je přítomen specifický analyt.[9] Místní oxidační nanolitografie je proto slibnou technikou, která umožňuje realizaci řady biosenzorů.

Reference

  1. ^ A b Garcia, R; Martinez, RV; Martinez, J (2005). „Nanochemie a nanolitografické skenovací sondy“ (PDF). Chem. Soc. Rev. 35 (1): 29–38. doi:10.1039 / b501599p. PMID  16365640.
  2. ^ Dagata, JA; Schneir, J; Harary, HH; Evans, CJ; Postek, MT; Bennett, J (1990). "Modifikace vodíku pasivovaného křemíku skenovacím tunelovým mikroskopem pracujícím ve vzduchu". Appl. Phys. Lett. 56 (20): 2001. Bibcode:1990ApPhL..56.2001D. doi:10.1063/1.102999.
  3. ^ Den, HC; Allee, DR (1993). "Selektivní oxidace oblasti křemíku pomocí rastrovacího silového mikroskopu". Appl. Phys. Lett. 62 (21): 2691. Bibcode:1993ApPhL..62.2691D. doi:10.1063/1.109259.
  4. ^ Garcia, R; Calleja, M; Rohrer, H (1999). „Vytváření vzorů křemíkových povrchů pomocí bezkontaktní mikroskopie atomových sil: Polem indukovaná tvorba vodních mostů o velikosti nanometrů“ (PDF). J. Appl. Phys. 86 (4): 1898. Bibcode:1999JAP .... 86.1898G. doi:10.1063/1.370985. hdl:10261/22353.
  5. ^ A b Tello, Marta; García, Fernando; García, Ricardo (2004). Bhushan, Bharat; Fuchs, Harald (eds.). Aplikované metody skenovací sondy IV - Průmyslové aplikace. Berlín: Springer. str.137 –158. ISBN  3-540-26912-6.
  6. ^ Cooper, EB; Manalis, SR; Fang, H; Dai, H; Matsumoto, K (1999). "Úložiště dat terabit na čtvereční palec s mikroskopem atomové síly". Appl. Phys. Lett. 75 (22): 3566. Bibcode:1999ApPhL..75.3566C. doi:10.1063/1.125390.
  7. ^ Coronado, E; Epstein, AJ (2009). "Molekulární spintronika a kvantové výpočty". J. Mater. Chem. 19 (12): 1670–1671. doi:10.1039 / b901955n.
  8. ^ Martinez, J; Martínez, RV; Garcia, R (2008). "Silikonové nanodrátové tranzistory s šířkou kanálu 4 nm vyrobené nanolitografií mikroskopu atomové síly". Nano Lett. 8 (11): 3636–3639. Bibcode:2008 NanoL ... 8,3636 mil. doi:10.1021 / nl801599k. PMID  18826289.
  9. ^ Cui, Y; Wei, Q; Park, H; Lieber, CM (1999). „Nanodrátové nanosenzory pro vysoce citlivou a selektivní detekci biologických a chemických druhů“. Věda. 293 (5533): 1289–92. Bibcode:2001Sci ... 293.1289C. doi:10.1126 / science.1062711. PMID  11509722.

externí odkazy