Yerel oksidasyon nanolitografisi - Local oxidation nanolithography

Lokal oksidasyon prosedürü: Lokal Oksidasyon Nanolitografi sürecinin 3B gösterimi. AFM ucu ile taranan yüzey arasına uygulanan bir voltaj darbesi, nanometrik bir oksidasyon reaksiyonunu sınırlayan sıvı bir menisküs oluşumuna yol açar.

Yerel oksidasyon nanolitografisi (LON) bir ipucu temelli nanofabrikasyon yöntem. Bir uzaysal sınırlamaya dayanmaktadır. oksidasyon keskin ucunun altındaki reaksiyon atomik kuvvet mikroskobu.

LON'un gösterildiği ilk malzemeler Si (111) ve polikristalin tantal. Daha sonra teknik şu şekilde genişletildi: III –V yarı iletkenler, silisyum karbür, metaller gibi titanyum tantal alüminyum, molibden, nikel ve niyobyum; ince filmler manganit içinde Perovskit form; dielektrikler sevmek silisyum nitrür, organosilan kendinden montajlı tek tabakalar, dendritik makromoleküller ve karbonlu filmler.[1]

Tarih

Bir yüzeyin yerel oksidasyonu tarama probu teknik ilk olarak Dagata ve meslektaşları tarafından 1990 yılında yerel olarak bir hidrojenle sonlandırılmış silikon yüzey içine silikon dioksit bir uç arasında bir ön gerilim uygulayarak Tarama tünel mikroskopu ve yüzeyin kendisi.[2] 1993'te Day ve Allee, bir cihaz ile yerel oksidasyon deneyleri yapma olasılığını gösterdi. atomik kuvvet mikroskobu Tekniğin çok çeşitli malzemelere uygulanmasının yolunu açtı.[3]

Temel prensip

Temassız modda yerel oksidasyon işleminin adımları. I: Uç, numuneyi temassız modda sabit bir genlikte salınarak tarıyor. II: Voltaj atımı uygulandığında, uç ile numune arasında sıvı bir menisküs elektrik alanı tarafından indüklenir. Bu sıvı menisküs, bir oksidasyon reaksiyonunun tutulduğu nanometre boyutunda bir elektrokimyasal hücre gibi davranır. III: Voltaj atımı kapalı olduğunda, AFM geribildirimleri ucu sıvı menisküsü geren örnekten çeker. IV: Menisküs kırıldıktan sonra, uç orijinal salınım genliğini geri kazanır ve taramaya devam eder.

Şu anda, yerel oksidasyon deneyleri bir atomik kuvvet mikroskobu ameliyat temas veya temassız mod uygulanacak ek devrelerle Voltaj uç ve numune arasındaki darbeler. Yerel oksidasyon sürecine bir su oluşumu aracılık eder. menisküs.[4]

Lokal Oksidasyon Nanolitografisi yapmak için, bağıl nem AFM odasında% 30 ile% 60 arasında tutulur. İletken bir AFM ucu ile numune arasına bir voltaj darbesi uygulanır. Uygulanan voltaj, voltaj darbesinin genliği belirli bir eşik voltajının üzerinde olduğunda uç ve numune arasında bir su köprüsü oluşumuna neden olur. Ne zaman sıvı menisküs Uygulanan voltaj darbesi oluşturulur, oksidasyon kırarak tepki kovalent bağlar içinde Su moleküller. Sıvı köprü, Oksiyanyonlar (OH−,Ö−) oksidi oluşturmak için ihtiyaç duyulur ve oksitlenecek bölgenin yanal uzantısını sınırlar.

Yerel Oksidasyonu yöneten kimyasal reaksiyonlar metalik substrat (M) aşağıdaki gibidir:[5]

süre hidrojen Gaz, indirgeme reaksiyonu yoluyla AFM ucunda serbest bırakılır:

Gerilim darbesi kapalıyken AFM geri bildirimi, konsol Ucu numuneden çekerek ve sıvı menisküsü kırarak orijinal salınım genliğini geri kazanmak için. Son olarak AFM, numuneyi taramaya devam ederek MO görüntüsünün alınmasına izin verirn Yerel Oksidasyon işlemi sırasında fabrikasyonu için kullanılan aynı uç ile üretilen nanoyapı.

Sıvı köprüler oluşturma yöntemi o kadar hassastır ki, 20 nm veya altındaki su menisküs çapları kolayca elde edilir. Bu, silikon ve diğer metalik yüzeylerde 10 nm altındaki yapıların yeniden üretilebilir üretimine yol açtı.

Deneysel kurulum

Lokal oksidasyon deneyleri hemen hemen her türlü atomik kuvvet mikroskobu. Temel gereksinim, başvuru imkanıdır Voltaj uç ve numune arasında darbeler. Mikroskobun atmosferin kontrol edildiği bir hazneye kapatılması tavsiye edilir. En basit durumda, oksidan dır-dir su buharı doğal olarak mevcut olan hava. Kontrol etmek bağıl nem genellikle daha tekrarlanabilir sonuçlar elde etmeye yardımcı olur. Üretilen özelliklerin boyutu, numune ile uç arasındaki mesafe, voltaj darbesinin genliği ve süresi ve atmosferin bağıl nemi gibi bir dizi parametreye bağlıdır.

Başvurular

İlk paragraf Cervantes'in Don Kişot üzerine yazılmış silikon yonga. Yerel oksidasyon tekniği, tüm kitabı (1.000 sayfadan fazla) bir insanın ucu kadar büyük bir yüzeye yazmayı sağlar. saç.

Nanometre ölçeğinin geliştirilmesi litografiler yoğun bir araştırma faaliyetinin odak noktasıdır çünkü ilerleme nanoteknoloji nanometre ölçekli yapıları üretme, konumlandırma ve birbirine bağlama yeteneğine bağlıdır.

Desenleme

Yerel Oksidasyon Nanolitografisi, nanometre doğruluğu ile noktalar, çizgiler ve harfler gibi çok çeşitli motifler oluşturmaya izin verir. 2005 yılında, İspanyol Ulusal Araştırma Konseyi içinde Madrid ilk on satırını yazdı Cervantes'in Don Kişot birkaç mikrometre silikon üzerinde.[1] Bu model çok yönlülüğü aşağıdakiler için kullanılabilir: bilgi depolama veya aşınmaya dayanıklı tasarım Nanomakalar imal etmek için nano cihazlar yanı sıra diğer birçok uygulama.

Veri depolama

π yirmi ondalıklı sayı: 3,1415926535 8979323846, silikon yüzey üzerine Yerel Oksidasyon tarafından ikili kodda yazılmıştır.

Bir yüzeyin yerel oksidasyonu ile oluşturulan nokta benzeri nanoyapıları kullanarak bilgi depolamak mümkündür. Bu depolama, ikili kod bir nanoyapı varlığını 1 ve eksikliği 0 olarak düşünürsek, bu şekilde bilgi tek bir küçük yüzeyde saklanabilir. SiO2 nokta oluşturan bir bit. 1999'da Cooper et al. bu yöntemlerin bir bilgi yoğunluğu 1,6 Tbit /içinde2.[6] Ancak sadece salt okunur anılar bu teknikle imal edilebilir.

Moleküler şablon büyümesi ve tercihli biriktirme

Spesifik işlevselleştirmeleri kullanarak molekülleri ve nanopartikülleri, bir substrat yüzeyi üzerinde yalnızca çok küçük alanlarda biriktirmek mümkündür. LON, tercihli büyüme için bu tür alanları üretmek için güçlü bir tekniktir.
İki SiO2 şeritler, APTES ile işlevselleştirilmiş bir substrat üzerinde LON tarafından üretildi. 0.1 mM'lik bir Mn çözeltisinin biriktirilmesinden sonra12 tek moleküllü mıknatıslar yalnızca AFM tarafından tanımlanan bölgeler üzerine bırakılır.

Silikon yüzeylerin temassız atomik kuvvet mikroskobu ile lokal oksidasyonu, özellik boyutunun çok hassas kontrolü nedeniyle nanometre ölçeğinde yüzeyleri modellemek için ortaya çıkan ve umut verici bir yöntemdir. Bu teknikle oluşturulan özellikler, farklı modellerin kalıp büyümesi ve tercihli biriktirilmesi için kullanılabilir. moleküller sevmek tek moleküllü mıknatıslar, biyomoleküller ve konjuge organik moleküller Bu nanopositioning yöntemi, bazılarının sergilediği yeni özelliklere dayanan yeni nano cihazların üretimi için önemli bir araçtır. nanopartiküller ve moleküller. Tek moleküllü mıknatısların (SMM'ler) potansiyel uygulamaları Mn12 bilgi depolama için bit olarak veya kübitler için kuantum hesaplama nano ölçekli kontrollü konumlandırma ve / veya bu moleküllerin manipülasyonu için yöntemler gerektirir.[7] Mn'nin desenlenmesi12 Bir silikon yüzey üzerindeki moleküller, önce bu yüzeyin bir kendinden montajlı tek tabaka nın-nin APTES tarafından sona erdirilen amino gruplar (-NH2). Bu tür bir sonlandırma, Mn12 moleküllerini elektrostatik olarak iter. Daha sonra, LON tarafından bir silikon dioksit modeli tanımlanır. SMM molekülleri, elektrostatik çekim nedeniyle ağırlıklı olarak oksit motifleri üzerinde biriktirilir. LON tarafından üretilen silikon oksit ile Mn arasındaki elektrostatik çekim12 moleküller, bu moleküllerin tercihli birikimini nano ölçekli bir doğrulukla elde eder.

Nano cihazların imalatı

Nanoteknolojinin Yukarıdan Aşağıya yaklaşımını kullanarak SiNW üretmek için bir nanomask, bir Silicon On Insulator substratı üzerinde LON tarafından üretilir. SOI dağlama işleminden sonra nanomask altında bir SiNW tanımlanır. Daha sonra nanomask bir HF aşındırma ile kaldırılır ve son olarak SiNW, Electron Beam litografisi kullanılarak tüm devreye bağlanır.
SiNW nanotransistör 'NANO' terimi ile üretilmiştir. Bu model, yalnızca SiNW özelliklerine dayalı olarak iyi bir elektrik tepkisi sergiler.

Yerel oksidasyon nanolitografisini aşındırmaya dirençli nanomakaların üretimi için bir araç olarak kullanarak, nano ölçekli elektronik cihazlar üretmek mümkündür. Alan Etkili Transistörler, tek elektronlu transistörler, Josephson kavşakları, kuantum halkaları veya SQUID'ler.[5] LON ayrıca fabrikasyona izin verir Silikon Nanoteller (SiNWs) yukarıdan aşağıya bir şekilde izolatör üzerinde silikon (YANİ BEN) gofret.[8] Lokal oksidasyon nanolitografisi, cihaz imalatının nanometrik hassasiyetine katkıda bulunur. Bu yukarıdan aşağıya fabrikasyon tekniği, çok çeşitli imalatlara izin verir. SiNW'ler köşeden daireye farklı şekillerde. Aynı zamanda silikon nanotellerin istenen pozisyonda hassas konumlandırılmasına da izin vererek, entegrasyon; gerçekten de, bu teknik standart silikon ile uyumludur CMOS işleme teknolojisi. Tek kristalli silikon nanoteller, ultrasensitif olarak şimdiden büyük bir potansiyel göstermiştir. sensörler belirli bir analit mevcut olduğunda nanotel iletkenliğindeki değişiklikleri tespit ederek.[9] Bu nedenle, yerel oksidasyon nanolitografisi, biyosensör dizisinin gerçekleştirilmesine izin veren ümit verici bir tekniktir.

Referanslar

  1. ^ a b Garcia, R; Martinez, RV; Martinez, J (2005). "Nano-kimya ve tarama probu nanolitografileri" (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). "Hidrojen pasifleştirilmiş silikonun havada çalışan taramalı tünel açma mikroskobu ile değiştirilmesi". Appl. Phys. Lett. 56 (20): 2001. Bibcode:1990 ApPhL..56.2001D. doi:10.1063/1.102999.
  3. ^ Day, HC; Allee, DR (1993). "Tarama kuvveti mikroskobu ile silikonun seçici alan oksidasyonu". Appl. Phys. Lett. 62 (21): 2691. Bibcode:1993 ApPhL..62.2691D. doi:10.1063/1.109259.
  4. ^ Garcia, R; Calleja, M; Rohrer, H (1999). "Temassız atomik kuvvet mikroskobu ile silikon yüzeylerin desenlenmesi: Nanometre boyutunda su köprülerinin alan kaynaklı oluşumu" (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 (editörler). Uygulamalı Tarama Probu Yöntemleri IV - Endüstriyel Uygulamalar. Berlin: Springer. pp.137 –158. ISBN  3-540-26912-6.
  6. ^ Cooper, EB; Manalis, SR; Fang, H; Dai, H; Matsumoto, K (1999). "Atomik kuvvet mikroskobu ile inç kare başına terabit veri depolama". Appl. Phys. Lett. 75 (22): 3566. Bibcode:1999ApPhL..75.3566C. doi:10.1063/1.125390.
  7. ^ Coronado, E; Epstein, AJ (2009). "Moleküler spintronik ve kuantum hesaplama". J. Mater. Chem. 19 (12): 1670–1671. doi:10.1039 / b901955n.
  8. ^ Martinez, J; Martínez, RV; Garcia, R (2008). "Atomik Kuvvet Mikroskobu Nanolitografi ile Üretilen 4 nm Kanal Genişliğine Sahip Silikon Nanotel Transistörler". Nano Lett. 8 (11): 3636–3639. Bibcode:2008 NanoL ... 8.3636M. doi:10.1021 / nl801599k. PMID  18826289.
  9. ^ Cui, Y; Wei, Q; Park, H; Lieber, CM (1999). "Biyolojik ve Kimyasal Türlerin Yüksek Hassasiyetli ve Seçici Tespiti için Nanotel Nanosensörler". Bilim. 293 (5533): 1289–92. Bibcode:2001Sci ... 293.1289C. doi:10.1126 / bilim.1062711. PMID  11509722.

Dış bağlantılar