ФОРМИРОВАНИЕ ПРОВОДЯЩИХ НАНОСТРУКТУР В ВЫСОКООМНЫХ АЛМАЗОПОДОБНЫХ ПЛЕНКАХ С ПОМОЩЬЮ СЗМ-ЛИТОГРАФА

April 19, 2012 by admin Комментировать »

Фролов В. Д., Конов В. И., Пименов С. М., Заведеев Е. В.

Центр естественно-научных исследований Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН ул. Вавилова, д. 38, Москва – 119991, Россия Тел.: +7 (095) 1326498; e-mail: frolov@ran.gpi.ru

Аннотация – Высокоомные гидрогенизированные алмазоподобные углеродные (АПУ) а-С:Н пленки были испытаны на предмет наномасштабных модификаций под действием импульсов электрического поля, индуцированного между образцом и проводящим кантилввером сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) – литографа. Установлено, что геометрические и электрические параметры сформированных нано-объектов существенно зависят от формы импульса. Нано-канавки с высоко проводящим дном воспроизводимо формируются в пленке под действием биполярных импульсов напряжения. В противном случае воздействия приводят к образованию слабо проводящих нановыступов. Обсуждаются возможные применения полученных углеродных наноструктрур в наноэлектронике.

I.  Введение

В последние годы в ведущих мировых исследовательских центрах проявляется повышенное внимание к наномасштабным модификациям углерода под действием локальных электрических полей, индуцированных в материале с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ)-литографа. Такой интерес исследователей связан с широкой перспективой использования углеродных наноструктур как в технологии масочных покрытий, так и в инженерии наноэлектроннных элементов. Одной из перспективных областей применения наноуглерода считается низкополевые электронные эмиттеры. Ранее нами были проведены эксперименты по локальному синтезу углеродных наночастиц – центров низкополевой электронной эмиссии на поверхности а-С:Н пленок

[1]    . Другим путем наноинженерии точечных источников электронов является формирование проводящих каналов в изолирующем материале.

II.  Основная часть

В данной работе мы сфокусировались на исследованиях наномасштабных модификаций в теле высокоомных а-С:Н пленок (слоевое сопротивление R~ 106 Ом/П) методами СЗМ-техники в условиях воздушной среды.

Исходные пленки а-С:Н толщиной ~ 1 мкм были выращены на Si-подложках методом плазмохимического осаждения в атмосфере С2Н2. Эксперименты по нанолитогра-фии пленок выполнены в СЗМ Solver Р47 (фирма НТ-МДТ, Россия) с использованием кантилеверов, покрытых проводящим слоем (TiN, TiO, Pt) в качестве зондов как для СЗМ-воздействий, так и для тестирования образцов до и после воздействий. Зонд сканировался вдоль заданной линии в контактном режиме и, в ходе сканирования, между образцом и зондом подавалась серия (N=1-5000) прямоугольных импульсов положительной (режим 1) или отрицательной (режим 2) полярности, или биполярных (режим 3) с амплитудой U в диапазоне от -10 В до +10 В, длительностью т=0.1-1000 мс в точках, расположенных на расстоянии Д=6-60 нм друг от друга.

В главном, результаты наших экспериментов заключаются в следующем.

Монополярные воздействия:

Когда амплитуда |U| превышала пороговую величину ~ 5 В, как положительные, так и отрицательные импульсы начинали влиять на структуру поверхности, что в основном вело к образованию нано- выступов (5Н>0) в форме протяженных холмов, как это показано на рис. 1.

Рис. 1. Нановыступ на поверхности а-С:Н пленки

(режим 1, U= 10 В, N=500, т=1 мс, Л=20 нм): (а) топография; (Ь) сечение по АА; (с) сечение по ВВ.

Fig. 1. The field-induced nanoprotrusion on the a-C:H film surface (regime 1, U= 10 V, N=500, t=1 ms, A=20 nm): (a) topography, (b) cross-section made along the line AA, (c) cross-section made along BB line

Вблизи порога ширина холма составляла L~ 50 нм, и достигала L= 150 -200 нм при \U\ > 7 В. При \и\\0 V, скорость образования нановыступов Sp достигала своего максимума и составляла Sp= 0,65 нм/c для положительных импульсов, что было по крайней мере в 2 раза выше, чем в случае отрицательных. Следует особо отметить низкую механическую прочность модифицированных участков поверхности, что проявлялось в разрушении нановы- ступов при их сканировании (царапании) иглой кан- тилевера в контактном режиме.

Биполярные воздействия:

В противоположность предыдущему случаю, биполярные воздействия приводятся к эффективному образованию наноканавок. В качестве примера на рис. 2 демонстрируется надпись «GPI» (аббревиатура General Physics Institute), сформированная в теле пленки с глубиной D ~ 30 нм и шириной L ~ 150 нм. Достаточным условием для «рисования» канавок является превышение амплитуды отрицательного смещения определенной величины, зависящей от амплитуды положительного смещения. Найдено, что скорость образования канавок, SC=D/Td, показывает тенденцию к снижению при экстремально длительных

Fig. 2. The inscription ‘GPI’ patterned on the a-C:H film surface in the regime 3 (U+=U=10 V, N=1000, r=1 ms, A=20nm)

экспозициях. Тем не менее, при всех использованных в экспериментах экспозициях наблюдалось Sc > Sp.

Электрические свойства наноструктур:

Как исходная поверхность пленки, так и модифицированные участки характеризовались сверхли- нейными, симметричными зависимостями тока от приложенного напряжения. Установлено, что проводимость нановыступов сравнима с проводимостью исходного материала, в то время как дно наноканавок проявляет четко выраженное повышение проводимости такой наноструктуры.

Суммируя вышеизложенное, можно предположить, что мы имеем дело с двумя различными механизмами наномасштабных модификаций пленок а- С:Н. Первый механизм – это локальный нагрев приповерхностного слоя пленки под зондом при монопо- лярных воздействиях, что ведет к фазовым переходам в углероде, приводящим к уменьшению плотности (нановыступу) и снижению прочности вещества. Второй механизм играет доминирующую роль в условиях биполярных импульсов. Полагаем, что во время положительных смещений электроны инжектируются в модифицированный приповерхностный слой, где захватываются на ловушки. Во время отрицательного смещения заряженный таким образом механически непрочный материал, из-за его электростатического притяжения к зонду, эффективно удаляется из пленки, обнажая сконцентрированную на дне канавки проводящую фазу.

I.    Заключение

Таким образом, впервые продемонстрирована возможность создания проводящих наноструктур в высокоомных углеродных пленках типа а-С:Н с помощью СЗМ-техники. Данные наноструктуры предполагается использовать в первую очередь в качестве токопроводов к областям низкополевой электронной эмиссии и собственно источников электронов в приборах вакуумной микроэлектроники.

II.   Список литературы

[1 ] Frolov V. D., Konov V. I., Pimenov S. М., Kuzkin V. /.

The low-dimensional effect in single carbon-based nanoemitters of electrons, Appl. Phys. A 78, 2004, pp. 21-23.

ORMATION OF HIGH-CONDUCTING NANOSTRUCTURES IN LOW-CONDUCTING DIAMOND-LIKE CARBON FILMS USING SPM-LITHOGRAF

Рис. 2. Надпись «GPI», нарисованная на пленке в режиме 3 (U+=U=10 В, N=1000, х=1 мс, й=20 нм).

Frolov V. D., Konov V. I., PimenovS. М., Zavedeev E. V. Natural Sciences Center of General Physics Institute GPI 38 Vavilov St., Moscow – 119991, Russia Tel.: (095) 1326498, e-mail: frolov@ran.gpi.ru

Abstract – Low-conducting hydrogenated diamond-like carbon (DLC) a-C:H films were examined for the purpose of nanometer-scaled modifications under the action of local electrical field.

I.  Introduction

During the last years, field-induced nano-scaled modifications in carbon materials by means of SPM technique attract permanently increasing attention of researchers over the world. This interest is stipulated by perspectives for application of such process to nanotechnology, e.g. for masking or patterning the nanoelectronic elements. Recently we have reported on our experiments with carbon nanoparticles, namely, the centers of low-field electron emission synthesized on a-C:H substrates in the presence of chlorine-organic vapors [1]. There is another perspective way to nanoengineering the point sources of electrons which consist in formation of conducting channels in an insulating material.

II.  Main part

In the present work, we focus on the field-induced modifications of low-conducting hydrogenated DLC a-C:H films (sheet resistance R~ 106 Ohm/D).

The a-C:H films were grown with 1 |xm thickness on Si- substrates by means of r.f. plasma chemical vapor deposition (CVD) in the C2H2 atmosphere. Experiments on patterning of the films were carried out in the air-operated SPM Solver P47 (NT-MDT Co., Russia), using cantilevers coated with conducting layers (TiN, TiO, Pt) as probes for SPM actions To create patterns, a series of rectangular voltage pulses, either positive or negative, or bipolar, was consequently applied between the sample and the probe. In general, it was established that both geometrical and electrical properties of the obtained nanoobjects strongly depended on the pulse shape.

When the magnitude |l/| exceeds the value of ~ 5 V, both the positive and negative pulse actions become influencing the exposed area that mostly leads to nanoprotrusions (<Sf-/>0) in the form of ridge as shown in Fig. 1. Evidence is given that the observed nanoprotrusion is characterized by a lower mechanical strength.

On the contrary to the previous case, nanocavities in the form of grooves can be effectively patterned using the bipolar pulse actions. As an example, Fig. 2 demonstrates the inscription ‘GPI’ (abbreviation of‘General Physics Institute’) performed with the depth D~30 nm and width L~ 150 nm on the film surface. The groove appears only if the positive bias exceeds the value (Л~5 V that is practically coincident with the threshold for patterning the nanoprotrusions under monopolar actions. The sufficiency condition is that the negative bias U has to exceed a definite value depending on the positive bias magnitude.

The nanoprotrusion conductivity is that of the untreated film area whereas the nanocavity bottom exhibits the well- pronounced increase in its conductivity. Possible mechanisms of the a-C:H film modifications are discussed.

III.  Conclusion

Thus, the capabilities of SPM technique for preparation of conducting nanostructures in the low-conducting a-C:H films have been demonstrated for the first time. Such nanostructures can be considered to use for transferring the electrons to emission centers as well as own point sources of electrons.

Аннотация – Модифицирована предложенная ранее физико-топологическая модель металлического одноэлектронного транзистора (ОЭТ). С ее помощью исследовано влияние поперечных, очень малых размеров структуры на вольт-амперные характеристики (ВАХ) прибора.

I.  Введение

Для теоретического исследования ВАХ ОЭТ используются различные подходы и модели [1]. Наиболее распространенные модели полуклассического подхода основаны на эквивалентной схеме прибора, т.е. электрические модели. В данном случае аналоговыми компонентами туннельных переходов являются сопротивления и емкости. Модели позволяют рассчитать характеристики ОЭТ с относительно небольшими вычислительными затратами, однако связь исходных данных с реальными размерами и параметрами материалов весьма условна. Для адекватного описания ВАХ необходимо использование физико-топологических моделей. Впервые такая модель была предложена в работах [2,3] и позволяла рассчитать ВАХ металлического ОЭТ в зависимости от геометрических размеров и параметров материалов. С ее помощью было исследовано влияние различных факторов на ВАХ [4,5]. К сожалению, в модели вероятность туннелирования электронов через потенциальный барьер находится в одномерном случае с использованием ВКБ-приближения.

В докладе описаны модернизация двумерной модели [2-5] на случай учёта квантования вследствие влияния третьего измерения и результаты исследования этого эффекта на стоковую ВАХ ОЭТ.

II.  Модифицированная модель

Рассмотрим туннельный переход (рис. 1). Электроны туннелируют через потенциальный барьер в направлении х. В направлении у размер структуры может быть очень мал и составлять десятки, а иногда и единицы, нанометров [1]. Это приводит к квантованию энергии в контактах. В случае ОЭТ одним

Рис. 1. Потенциальный барьер. Fig. 1. Potential barrier

контактом является электрод, а вторым – островок. Электроны могут туннелировать только между дискретными уровнями (рис. 1). Известно, что с увеличением поперечного размера число уровней с ростом энергии Еуп увеличивается согласно

где т – эффективная масса электрона; / -ширина; ку– лолеречный волновой вектор. Предполагается, что эффективная масса изотропна, и различна в диэлектрике и контактах. Тогда одноэлектронное стационарное уравнение Шредингера для продольных волновых функций в j области принимает известный вид:

где Uo- высота потенциального барьера; Fj- напряжённость электрического поля; Е- полная энергия электрона. Остальные обозначения в (1), (2) – тради- ционны. Решение (2) ищется в виде плоских волн. При этом используется метод матриц переноса. Полная волновая функция в двумерном случае записывается в виде произведения

где А, В- амплитуды падающей и отражённой продольных волн.

Коэффициент прохождения через барьер с т уровня на п уровень рассчитывается как отношение плотностей потоков прошедших к падающим частицам, а именно:

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты