автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Развитие и применение методов сканирующей зондовой микроскопии для исследования свойств точечных контактов

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ИЗМЕРЕНИЕ ПРОВОДИМОСТИ ЗОЛОТОГО

ТОЧЕЧНОГО КОНТАКТА.

1.1. Методы измерения свойств точечных контактов.

1.2. Релейная схема.

ГЛАВА 2. STM.

2.1 .Принципы построения сканирующего туннельного микроскопа.

2.2. Методика изготовления вольфрамовых игл.

2.3. Использование STM для изучения пассивированного кремния.

2.4. Исследование проводимости точечного контакта в STM.

2.5. Проводимость точечного контакта в классических теориях.

2.6. Одномерная квантовая проводимость.

2.7. Вольтамперные характеристики точечных контактов.

2.8. Эмиссия.

ГЛАВА 3. Атомносиловая микроскопия.

3.1. Принципы построения AFM.

3.2. Метод изготовления W кантилевера.

3.3. Метод точечных контактов в AFM.

3.4. Описание алгоритма.

3.5. Применение метода точечных контактов.

С момента создания сканирующего туннельного микроскопа (STM) (Binning et.al. 1982) [1], атомно-силового микроскопа (AFM) (Binning et.al.1986) [2] и разнообразных методик на их основе, названных в целом сканирующей зондовой микроскопией (SPM) (Savid, 1991) [3], появились широкие возможности исследования различных объектов нанометровых размеров. Впечатляющий прогресс в развитии физики низкоразмерных систем, представляющих неоспоримый как научный, так и практический интерес, во многом обусловлен появлением революционных зондовых методик. Ими же определен и наметившийся прорыв в понимании конструкций и свойств таких важнейших биосистем, как ДНК и тубулины мозга. Можно сказать, что практически во всех успешно развивающихся направлениях человеческих знаний ключевую роль играет применение зондовых микроскопов.

Физические явления, лежащие в основе работы SPM, имеют или чисто квантовую природу, или находятся на границе между классической и квантовой физикой, поэтому изучение возможностей этих методик часто приводит к более глубокому пониманию свойств самого зонда как объекта с пониженной размерностью. Это приводит с одной стороны к развитию все более совершенных методик SPM, а с другой - дает новый стимул к изучению самих свойств низкоразмерных систем, таких как одномерные проводники и квантовые точки. Появление SPM, по сути, предопределило возникновение таких новых областей науки, как нанохимия и на ее основе нанолитография, расширив литографические возможности вплоть до Юнм.

В последние годы сканирующий зондовый микроскоп стал не только исследовательским, но и технологическим инструментом. Его успешно используют для создания новых уникальных физических приборов, таких как одноэлектронный транзистор, спиновый транзистор, а так же для изготовления носителей памяти с гигантскими плотностями записи (до Ю10 бит/см2). К настоящему моменту ещё не все возможности сканирующей зондовой микроскопии изучены, не все существующие методы нашли своё применение.

Таким образом, актуальность темы диссертационной работы обусловлена необходимостью развития новых методов сканирующей зондовой микроскопии и использования их для фундаментальных и прикладных исследований широкого круга объектов и явлений, представляющих интерес для современной наноэлектроники и технологии создания приборов на квантовых эффектах. Целью диссертационной работы является развитие новых методов сканирующей зондовой микроскопии и использования их для исследования свойств точечного контакта зондов с поверхностью образцов. На пути к поставленной цели проведён ряд экспериментальных исследований, представленных в диссертационной работе. Все эксперименты были направлены на решение следующих задач:

1. На первоначальном этапе работы главной задачей была разработка и изготовление вТМ для работы в газовых или в жидкостных средах, а так же разработка и изготовление комбинированного прибора АГМ/вТМ.

2. Возможности 8РМ и в туннельном, и в атомно-силовом режиме определяются качеством зонда, в первую очередь, его остротой и совершенством формы. Поэтому вторая задача диссертационной работы -это исследование электрохимического процесса травления вольфрама и создание сверхострых вольфрамовых зондов для 8ТМ и АРМ.

3. 8ТМ является самым мощным инструментом для исследования, контроля и создания наноструктур. В основе его работы лежит явление туннелирования электронов из иглы-зонда в проводящий образец, поэтому самое пристальное внимание с момента создания прибора было уделено проводимости такого наноконтакта. Основная задача, решаемая в данной работе, может быть сформулирована так: изучение электронных транспортных свойств точечного контакта, образованного металлической иглой с проводящим образцом.

Научная новизна работы

1. В процессе исследования проводимости точечного контакта металл-металл при комнатной температуре доказано квантование проводимости такого контакта в единицах е /Ь. Впервые были измерены вольт-амперные характеристики точечных контактов при комнатной температуре и доказан одномерный характер их проводимости.

2. При исследовании эмиссии электронов из супертонких вольфрамовых игл обнаружено качественное отличие вольт-амперных характеристик от закона Фауллера-Нордгейма. Впервые наблюдались двойные пики в производной с11/с1У при эмиссии электронов из вольфрамовых игл, что вместе с результатами исследования одномерной проводимости позволяет предполагать существование спинового расщепления в тонких, диаметром в несколько нанометров, вольфрамовых проводниках.

Практическая значимость

1. Разработана технология изготовления рекордно тонких вольфрамовых игл с конусностью порядка 10° и радиусом острия порядка Ihm.

2. Разработана технология выращивания игл из аморфного углерода. Иглы испытаны в качестве зонда AFM, доказано их несомненное преимущество по сравнению со стандартными кремниевыми иглами.

3. Реализован новый алгоритм измерения свойств поверхности методами SPM, позволяющий при контактах сверхтонких игл с образцом избежать их разрушений. Алгоритм позволяет одновременно измерять серию параметров, характеризующих поверхность и объёмные свойства образца - проводимость, жесткость, работу выхода электронов, поляризуемость, адгезию и др.

Этот алгоритм может быть использован для работы SPM как в вакууме, так и в газовых или жидкостных средах.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Проводимость точечного контакта металл-металл при создании и разрыве контакта меняется сгупенчато, причем высота ступеней кратна величине е /h, что соответствует половине кванта проводимости G0.

2. Проводимость точечного контакта, образованного тонкой вольфрамовой иглой и плоской поверхностью золота носит одномерный характер, что проявляется в форме вольт-амперных характеристик. Вольтамперные характеристики стабильных контактов имеют вид непрерывной кусочно-линейной функции, тангенс наклона которой меняется на величину e2/h.

3. Эмиссия электронов из тонких вольфрамовых игл в вакуум демонстрирует существенное отличие вольтамперных характеристик от закона Фауллера-Нордгейма и имеет особенности, позволяющие предполагать возникновение спинового расщепления в тонких, диаметром в несколько нанометров, вольфрамовых иглах.

4. Новый алгоритм работы SPM, позволяющий избежать разрушения сверх острых игл при контакте их с образцом, позволяет одновременно измерять серию параметров, характеризующих поверхность и объёмные свойства образца - проводимость, жесткость, работу выхода электронов, поляризуемость, адгезию и др.

Апробация работы

Результаты работы докладывались на научных семинарах ИПТМ РАН и ИФФТ РАН, а так же на следующих конференциях:

1. The Conference on Scanning Electron Microscopy and Analytical Methods in Solid State Investigations. Chernogolovka, Russia, 1993.

2. International Symposium Nanostructures: Physics and Technology. St.Petersburg, Russia, 1994.

3. International Symposium Nanostructures: Physics and Technology. St.Petersburg, Russia, 1995.

4. IX Russian Symposium on Scanning Electron Microscopy and Analytical Methods of Solids Investigations. Chernogolovka, Russia, 1995.

5. Всероссийское Совещание "Зондовая микроскопия -99 Нижний Новгород, Россия, 1999.

6. International Conference "STM'99", Seoul, South Korea, 1999.

7. Всероссийское Совещание "Зондовая микроскопия -2000 ". Нижний Новгород, Россия, 2000.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, список которых приведён в конце диссертации. Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, трёх глав, заключения и списка литературы. Объём диссертации 111 страниц машинописного текста, включая 55 рисунков и графиков.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. V.V.Dremov, V.A.Makarenko, S.Yu.Shapoval, O.V.Trofimov, V.G.Beshenkov, I.I.Khodos, Sharp and clean tungsten tips for STM investigations. - Nanobiology, 1994, 3, pp.83-88.

2. Y.V.Dremov, S.Yu.Shapoval, and E.V.Sukhorukov, The conductance jumps in STM at room temperature in air. - Phys. Low.-Dim. Struct., 1994, 11/12, pp.29-36.

3. В.В.Дрёмов, С.Ю.Шаповал, Квантование проводимости металлических наноконтактов при комнатной температуре. - Письма в ЖЭТФ, 1995, том 61, вып.4, стр.321-324.

4. В.Л.Гуртовой, В.В.Дрёмов, В.А.Макаренко, С.Ю.Шаповал, Наблюдение атомарной структуры пассивированной в водородной ЭЦР плазме поверхности Si (111) с помощью сканирующего туннельного микроскопа на воздухе. - Физика и техника полупроводников, 1995, том 29, вып. 10, стр. 1888-1892.

5. В.В.Дрёмов, С.П.Молчанов, Альтернативный метод работы SXM при исследовании поверхности, - Материалы Всероссийского Совещание "Зондовая микроскопия -99 ", Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, Россия, 1999, стр. 404-410.

6. V.V.Dremov, S.P.Molchanov, An alternative approach to using SXM in the surface studies. - STM'99: 10th International Concference on Scanning

Tunelling Microscopy/Spectroscopy and Related Proximal Probe Miscroscopy, ed. Lotte, Seoul, Korea, 1999, pp. 389-391.

7. В.А.Быков, В.В.Дрёмов, Г.М.Михайлов, В.В.Лосев, С.А.Саунин, Зонды «вискер-типа» и магнито-силовые зонды для СЗМ. - Материалы Всероссийского Совещание "Зондовая микроскопия -2000", Институт физики микроструктур РАН, Нижний Новгород, Россия, 2000, стр. 298-302.

Благодарность.

В первую очередь мне хочется высказать слова благодарности моим научным руководителям Тулину Вячеславу Александровичу и Зайцеву Сергею Ивановичу.

Благодарю за ценные критические дискуссии и стимулирование исследований Гантмахера Всеволода Феликсовича и Быкова Виктора Александровича, за сотрудничество и помощь в работе Шаповала Сергея Юрьевича, Сухорукова Евгения Викторовича, Прядкина Сергея Леонидовича, Ходос Игоря Ивановича, а также Дубоноса Сергея Валентиновича, Лапина Николая Васильевича, Матвеева Виктора Николаевича, Трофимов Олега Владимировича.

И, конечно же, дирекцию института за терпение, за предоставленную возможность заниматься научной работой.

Заключение.

В заключении хочется отметить, что, результаты представленные в 1 и 2 главах являются во многом оригинальными и в основном отвечают на поставленные вопросы. Однако в поведении проводимости одномерных систем проявляются особенности (дробное 0.5С0 квантование), которые не объяснены в рамках признанных теорий. Кроме того, в некоторых наших экспериментах мы наблюдали прыжки проводимости на величину 1/3во и \IAGq. Пока эти результаты нельзя признать доказанными, хотя в ряде теоретических работ предложены механизмы гипотетической дробной проводимости. Все неудачи поиска дробной проводимости, по-видимому, связаны с отсутствием одномерных объектов с необходимой структурой и достаточно стабильных - во времени. Точечный контакт между твёрдотельными электродами не удовлетворяет этим требованиям. Улучшение временной стабильности можно добиться использованием жидкого электрода (ртуть, галлий), а также заменой иглы БТМ на гибкий кантилевер. При такой постановке эксперимента появляется возможность обратимым образом изменять конфигурацию контакта, не разрушая сверхтонкую иглу. Одновременно можно буквально заморозить контакт в определённом состоянии, в случае Оа электрода.

Первые такие эксперименты проведённые с \У иглой и ртутью подтверждают высокую стабильность точечных контактов. Вместе с тем в них же проявилась быстрая деградация проводимость связанная с химическим взаимодействием Щ и

Необычные свойства электронной эмиссии из сверхтонких вольфрамовых игл так же требуют дальнейшего экспериментального изучения. В первую очередь необходимо измерить распределение потока электронов по углам вылета и их функцию распределения по энергии. Такие измерения предполагается провести в условиях высокого вакуумы с эмиттером в виде иглы на конце кантилевера. Предполагаемая схема измерения - классическая трёхэлектродная [50]. Отличительной особенностью является использование катода в виде тонкой мембраны с микронным отверстием затянутым платиновой плёнкой толщиной 2-5 нм. Известно, что такая плёнка прозрачна для электронов с энергией порядка 100 еУ. Ожидается, что с помощью БРМ, работающего методом точечных контактов, удастся поместить эмиттер строго по центру отверстия на заданном расстоянии от анода. Как показывает опыт, в этом случае этот метод гарантирует сохранность сверхтонкой иглы эмиттера.

Но это задачи на будущее, а пока на основании приведенных в диссертации результатов можно сформулировать следующие общие

1. Bining.G. et al Surface studies by scanning tunneling microscopy. Phys.Rev.Lett. 49.57-61,1982.

2. Bining.G. etal. Atomic force microscope. Phys.Rev.Lett. 56,930-933, 1986.

3. Sarid D. Scanning force microscopy. Oxford University, New York, 1991.

4. Landauer R. IBM J. Res. Dev. 1,223,1957.

5. Hansen K. etal. Quantized conductance in relays. Phys.Rev.B, 56,4,22082220, 1997.

6. V.V.Dremov, et al. The conductance jumps in STM at room temperature in air. Phys. Low.-Dim. Struct., 11/12, 29-36, 1994.

7. J.Krans et al. Phys. Rev. Lett. 74 ,2146, 1995.

8. OlesenL. etal. Phys. Rev. Lett. 74 ,2147, 1995.

9. Cuevas J. et al Evolution of conducting channels in metallic atomic contacts under elastic deformation Phys.Rev.Lett., 81,2990-2993, 1998.

10. Shu C. et al. Fractional conductance in metallic nanoconstrictions under elctrochemical potentoal control. Phys.Rev.Lett. 84, 22, 5196-5199, 2000.

11. Хайкин M.C. ПТЭ, 1, 161, 1987.

12. Dremov V.V. et al. Simple scanning tunneling microscope. The conference on scanning electron microscopy and analytical methods in solid state investigations. Chernogolovda, 26, 1993.

13. Melmed A. The art and science and other aspects of making sharp tips. J. Vac. Sci. Technol., B9, 601-608, 1991.

14. Hacker В. et al. Preparation and characterisation of tips for scanning tunneling microscopy of biological specimens. Ultramicroscopy, 42-44, 15141517, 1992.

15. Ibe J. et al. On the electrochemical etching of tips for scanning tunneling microscopy. J. Vac. Sci. Technol. A8, 3570-3575, 1990.

16. Fasth J. et al. Preparation of contamination-free tungsten specimens for the field-ion microscopy. Journal of Scientific Instruments, 44 ,1044-1045, 1967.

17. Higashi R. et al. Appl.Phys.Lett., 58, 1656, 1991.

18. Nakagawa Y. et al .J.Vac.Sci.Technol. A8, 262, 1990.

19. Neuwald H. et al. Appl.Phys.Lett., 60, 1307, 1992.

20. IshiM. etal. Appl.Phys.Lett., 58, 1378, 1991.21 .Shapoval S. Et al., J.Vac.Sci.Technol. A9, 3171, 1991.

21. Morita Y. etal., Appl.Phys.Lett., 59, 1347, 1991.

22. Болотов Л. etal. ФТП, 27, 1375, 1991.

23. Chabal Y. . etal J.Vac.Sci.Technol. A7, 2104, 1989.

24. Agrait N. etal. Phys.Rev., B46, 5814, 1992.

25. Agrait N. etal. Phys.Rev., B47, 12345, 1993.

26. Krans J. etal. Phys.Rev., B48, 14721, 1993.

27. Pethica J. . et al .J.Vac.Sci.Technol.A6, 2494, 1988.

28. Todorov T. et al. Phys.Rev.Lett., 70,2138, 1993.

29. Maxwell J.C. A Teatise on Electricity and Magnetism, Clarendon, Oxford, 1904.

30. Sharvin Yu. JETP, 21, 655, 1965.

31. Glazman L. et al, JETP Lett., 48, 238, 1988.

32. Nixon J. . et al. Phys.Rev., B43, 12638, 1991.

33. Langton M. . et al. Phys.Rev., B40, 1150, 1991.

34. Глазман JI.И., Хаецкий А.Е. Нелинейная квантовая проводимость микросужения. Письма в ЖЭТФ, 48, 10, 546-549, 1988.

35. Дрёмов В.В., Шаповал С.Ю. Квантование проводимости металлических наноконтактов при комнатной температуре. . Письма в ЖЭТФ, 61, 4, 321324, 1995.

36. Добрецов Л.Н. Гомоюнова М.В. Эмиссионная электроника. «Наука», Москва, 1966.

37. Fink H.W. . et al. Phys.Rev.Lett., 65, 1204, 1990.

38. Morin R. Fink H.W. Highly monochromatic electron point-source beams. Appl. Phys. Lett., 65, 18,2362-2364, 1994.

39. Fink H.W. Mono-atomik tips for scanning tunneling microscopy. IBM J.Res.Develop., 30, N4, 1986.

40. Tekman E. Ciraci S. Theoretical study of collimated field emission s of electrons from a point source. Phys.Rev., B42, 14, 9221-9224, 1990.

41. Topinka M. et al. Imaging coherent electron flow from a quantum point contact. Science, 289, 29 September, 2323-2326, 2000.

42. Pietzsch O. et al. Real-space observation of dipolar antiferromagnetism in magnetic nanowires by spin-polarized scanning tunneling spectroscopy. Phys.Rev.Lett., 84, 5212-5215, 2000.

43. Meyer G. and AmerN.M. Apll.Phys. Lett., 53, 1045, 1988.

44. Alexander S. et al. J.Appl.Phys., 69, 164, 1989.

45. Erlandsson R. etal. J.Vac.Sci.Technol., A6, 266, 1988.

46. RugarD. et al. Rev.Sci.Instr., 59, 2337, 1988.

47. Dremov V.V. et al. Sharp and clean tungstem tips for STM investigations. Nanobiology, 3, 83-88, 1994.

48. Young R.D., Muller E.W. Phys.Rev., 113, 115, 1959.

49. Pohl D. Some design criteria in scanning tunneling microscopy. IBMJ.Res.Develop., 30, N 4, 417-427, 1986.