Нанотехнологии и микромеханика: Часть 4. Зондовые нанотехнологии

Московский государственный технический университет
 имени Н.Э. Баумана

Ю.А. Иванов, В.М. Башков, В.Д. Шашурин, Н.В. Федоркова

Нанотехнологии и микромеханика

Часть 4

Зондовые нанотехнологии

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2006

УДК 621.385.833(075.8)
ББК 32.844.1
        Н25
Рецензенты: Ю.А. Быков, Ю.А. Лебедев

Нанотехнологии и микромеханика: Ч. 4. Зондовые нанотехнологии: Учебное пособие / Ю.А. Иванов, В.М. Башков, В.Д. Шашурин, Н.В. Федоркова. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006.
– 56 с.: ил.
ISBN
Описаны физические явления, используемые в работе сканирующего
туннельного микроскопа и атомного силового микроскопа. Рассмотрены
физико-химические законы наиболее разработанных зондовых нанотехнологий.
Для студентов и аспирантов специальностей «Технологии приборостроения», «Технологии электронных средств», «Нанотехнологии».
Ил. 27. Библиогр. 10 назв.

УДК 621.385.833(075.8)
                                                  ББК 32.844.1

Юрий Александрович Иванов
Валерий Михайлович Башков
Василий Дмитриевич Шашурин
 Нина Валентиновна Федоркова

Нанотехнологии и микромеханика

Часть 4

Зондовые нанотехнологии

Учебное пособие

Редактор О.М. Королева
Корректор   
Компьютерная верстка  Е.В. Зимакова

Подписано в печать .2006. Формат  60х84/16. Бумага офсетная.
Печ. л. . Усл. печ. л. .  Уч.-изд. л. . Тираж 100 экз.
Изд № 16. Заказ

Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана.
105005, Москва, 2-я Бауманская, 5.

ISBN                  
        
        
©
МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006

Н25

ВВОДНАЯ ЧАСТЬ

В пособии рассматриваются зондовые нанотехнологии (ЗНТ)
для наноэлектроники. Изложение базируется на материале курсов
физики, общей химии, физических основ микроэлектроники и физико-химических основ технологии электронных средств, а также
методического пособия по курсу нанотехнологий [1].
Нанотехнологии включают в себя способы создания продуктов, функциональные свойства которых определяются их нанометровыми базовыми размерами и проявляются в виде квантоворазмерных эффектов. Базовым называется размер того фрагмента
или составной части структуры продукта (прибора, интегральной
схемы (ИС) или материала), который определяет их функциональные характеристики. Часто к нанотехнологии относят также методы создания слоев и покрытий толщиной h<100 нм (0,1 мкм), даже
если функциональные (потребительские) свойства продуктов не
связаны с квантово-размерными эффектами.
Зондовая нанодиагностика (ЗНД) охватывает методы исследования с нанометровым пространственным разрешением физических свойств поверхности твердого тела, а также продуктов нанотехнологий: приборов и ИС наноэлектроники, нанотрубок,
фуллеренов и т. п. ЗНД является неотъемлемой составной частью
всех нанотехнологий, в том числе ЗНТ, поэтому мы рассматриваем
ее в рамках настоящего пособия. ЗНД имеет и самостоятельное
значение в фундаментальных исследованиях твердого тела и физико-химических явлений на его поверхности. Сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) и сканирующий атомный силовой микроскоп (АСМ) составляют материальную основу ЗНД и ЗНТ.
Продуктами нанотехнологий и объектами нанодиагностики являются наноразмерные объекты, наноразмерные структуры и
наноматериалы.
Наноразмерный объект в одном, двух или трех измерениях
(высота, длина и ширина) лежит в нанометровой области. Отдельный слой нанометровой толщины dсл представляет собой двумерный объект (т. е. объект с 1D-ограничением), который ограничен
в одном измерении: по высоте. Толщина слоя не равна нулю
(dсл≠0), как у математической поверхности, а равна по порядку

величины длине волны де Бройля электрона в твердом теле, т. е.
dсл∼λДБ∼1 нм. Элемент наноэлектронного прибора или ИС в виде
квантового провода с нанометровыми толщиной и шириной относится к одномерным объектам, или объектам с 2D-ограничением,
т. е. объект ограничен по высоте и ширине, а его длина L значительно больше длины волны λДБ. Элемент в виде квантовой точки
с тремя размерами в нанометровой области представляет собой
нуль-мерный объект, или объект с 3D-ограничением. Понятия размерности и размерных ограничений рассмотрены в [1].
Наноразмерная структура состоит из нескольких наноразмерных объектов. Так, основу резонансно-туннельного нанодиода
составляет гетероструктура (рис. В1) – стопка эпитаксиальных полупроводниковых слоев нанометровой толщины с поперечным
токопереносом [2]. Наноэлектронная ИС может представлять собой множество элементов в виде квантовых проводов и/или квантовых точек. Свойства наноразмерной определяются всей совокупностью наноразмерных объектов, из которых она состоит.

Рис. В1. Схема многослойной наноразмерной  полупроводниковой
гетероструктуры с поперечным токопереносом:
1,5 – легированные слои истока и стока; 2,4 – барьерные слои; 3 – слой потенциальной ямы;
EF – уровень Ферми; U1-5 – напряжение смещения между слоями 1 и 5,
соответствующее максимуму тока I, когда уровень Ферми EF  слоя истока 1
совпадает с разрешенным уровнем энергии E0 в слое яме 2

Наноматериалы включают в себя конденсированные и композитные материалы на основе нанотрубок и фуллеренов, а также
нанострутур.
ЗНТ и ЗНД основаны на использовании явлений близости, локальных контактных и квантово-размерных явлений. ЗНТ и ЗНД
возникли благодаря созданию зондовых микроскопов – СТМ и
АСМ. Эти микроскопы содержат зонд, острие которого движется
над поверхностью подложки (образца) на расстоянии порядка размеров атома (hзп ≤ 1 нм) или касается ее.

Явления близости, квантово-размерные и контактные явления
ограничены, локализованы в пространстве в области размером
D ≈ 1…10 нм у вершины зонда и в поверхностном монослое подложки.
ЗНТ являются принципиально новыми технологиями. В термодинамике рассматриваются системы из огромного числа частиц: от
1019 для газов до 1023 для жидкостей и твердых тел. При этом все
термодинамические характеристики (температура, концентрации
и др.) одинаковы во всех частях системы.
Явления локализации в нанометровом объеме с числом частиц
в десятки или сотни принципиально термодинамически неравновесные. В таком наноразмерном объеме энергии частиц могут
очень сильно отличаться от энергии частиц вне этого объема. Например, под острием зонда может происходить плавление слоя,
хотя температура подложки равна комнатной.
Квантово-размерные явления возникают тогда, когда микрочастица может проявить свои волновые свойства, т. е. когда длина
волны де Бройля, характеризующая электрон, становится сопоставимой с размерами элементов электрической цепи, по которой он
движется.
Явления близости возникают в условиях, когда зонд с радиусом кривизны острия rз ~ 1 нм, находящийся на расстоянии до
подложки hзп ~ 1 нм, является источником пучка электронов, квантов света или (постоянного) электрического поля, или магнитного
поля (рис. В2). Из-за малости  расстояния (Z = hзп) пучок света не
успевает разойтись и «падает» на поверхность подложки, фокусируясь в пятно диаметром dm в несколько нанометров, в то время
как в обычных оптических устройствах луч света не может быть
сфокусирован в пятно с диаметром менее dm ~ λ, где λ – длина волны света. Постоянное поле также сосредоточивается между острием зонда и поверхностью подложки в области размером dm, который определяется как dm ~ max[rз, hзп]. Если зонд механически
соприкасается с поверхностью подложки, то возникает контактная механическая сила в области поверхностного слоя подложки
размером dm ~ rз.
Явления близости позволяют локализовать, ограничить в пространстве воздействующий фактор (поток света или электронов,
электрическое поле), а контактные явления – механическое воз

действие, теплопередачу в области размером от 1 до 100 нм.
Воздействующий фактор инициирует локальные химические и фазовые превращения, механические явления, что приводит к изменению химического состава, электрофизических свойств, агрегатного состояния и рельефа поверхности образца. Электрическое
поле зонда может поляризовать микрочастицы (атомы, молекулы)
и притянуть их к зонду. Он в этом случае служит манипулятором,
для перемещения атомов, фуллеренов или нанотрубок в процессе
сборки ИС наноэлектроники. Механическое воздействие и тепловой контакт зонда можно использовать для создания окон в маскирующем слое подложки. Эти окна локализуют последующие процессы обработки подложки, такие, как травление, осаждение,
модификация свойств потоками частиц или квантов света. Локальное (под зондом) инициирование химических процессов можно
также использовать в нанотехнологиях без масок.

Рис. В2. Схема устройства зонда технологических
и диагностических аппаратов на основе СТМ и АСМ:
1 – гнездо крепления зонда; 2 – зонд;  3 – острие зонда; 4 – область
воздействия размером dm; 5 – слой, подвергаемый  обработке; 6 – подложка

С помощью ЗНТ создают наноразмерные объекты и их совокупности (структуры, рисунки) на поверхности или в верхнем слое
подложки. Толщина таких объектов составляет до нескольких десятков нанометров. Для сравнения: в микроэлектронике элементы
ИС состоят из фрагментов нескольких слоев толщиной до нескольких микрон каждый, т. е. в 103 раз толще. Среди нанотехнологий для наноэлектроники также есть направление многослойной
технологии. Так, резонансно-туннельный нанодиод (см. рис. В1)
представляет собой стопку полупроводниковых слоев с толщиной
каждого 1…10 нм. Латеральный размер одного такого наноэлек