ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ІНСТИТУТ МЕТАЛОФІЗИКИ ім. Г.В.КУРДЮМОВА
На правах рукопису
ПРЯДКІН Сергій Леонідович
ВИКОРИСТАННЯ СКАНУЮЧОЇ ТУНЕЛЬНОЇ МІКРОСКОПІЇ ДЛЯ ВИВЧЕННЯ СТРУКТУРИ ПОВЕРХНІ ТВЕРДИХ ТІЛ – ПРОВІДНИКІВ
Спеціальність 01.04.18 – фізика і хімія поверхні
АВТОРЕФЕРАТ
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Київ –1998
Дисертацією є рукопис
Работа виконана в Інституті фізики твердого тіла Російської Академії Наук
Науковий керівник - доктор фізико-математичних наук
Цой Валерій Степанович
Інститут фізики твердого тіла РАН
Офіційні опоненти – чл.-кор. НАН України, доктор
фізико-математичних наук,
професор Черепін ВалентинТихонович
Інститут металофізики ім.Г.В.Курдюмова НАН України
- кандидат фізико-математичних наук
Бєкєтов Генадій Васильович
Інститут фізики напівпровідників
Провідна установа – Інститут фізики НАН України, м.Київ
Захист відбудеться “_23_” грудня_ 1998_року о 15__ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.168.01 при Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України за адресою: м.Київ, бульв. акад. Вернадського, 36, конференц-зал Інституту металофізики
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Інституту металофізики за адресою м.Київ, бульв. акад. Вернадського, 36
Автореферат розісланий “21_” _листопада__1998 р.
Вчений секретар
Спеціалізованої вченої ради Піщак В.К.
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми
З моменту винаходу у 1982 році [1] скануючого тунельного мікроскопу (СТМ), цей прилад увійшов в групу найпоширеніших фізичних приладів для дослідження поверхні твердих тіл, полімерів та органічних сполук.
Великий інтерес до СТМ пов’язаний із комбінацією декількох властивостей:
-
висока просторова роздільна здатність;
-
можливість електронної спектроскопії поверхні з тією ж роздільною здатністю;
-
можливість отримувати зображення поверхні не лише у вакуумі, але й в атмосферних умовах та в рідинах, що дуже сильно поширює галузь застосування методики.
З кожним роком виникають нові модифікації СТМ та поширюється кількість напрямків його використання. Серед найважливіших галузей застосування СТМ знаходяться:
1) визначення структури та електронних властивостей поверхні на атомному рівні, вивчення адсорбції та діфузії атомів та молекул, хімічних реакцій з участю адсорбантів;
2) дослідження морфології поверхні на масштабі 1нм – 1мкм з метою з’ясування процесів росту, електрохімічного травлення, іонного розпилювання, а також для вивчення процесів розсіювання на реальній поверхні;
3) літографічна модифікація поверхні за допомогою СТМ.
В багатьох наукових лабораторіях використовуються, вдосконалюються та виготовляються різноманітні спеціалізовані СТМ. І хоч багато відомих фірм пропонує комерційні мікроскопи, але розвиток цієї методики в лабораторії дозволяє пристосувати її до нестандартних вимірюваннь та зекономити кошти.
Мета дисертаційної роботи
Розробка багатофункційного скануючого тунельного мікроскопу, розвиток методичних можливостей СТМ та їх використання для вирішення експериментальних задач в різних галузях фізики твердого тіла, серед яких:
-
з’ясування причин анізотропії віддзеркалення електронів проводимості від реальної поверхні вольфраму з орієнтацією (110) та (100), знайдену за допомогою поперечною фокусування електронів ([2],[3]);
-
отримання тунельних спектрів сколу поверхні високотемпературного надпровідника YBa2Cu3O7-x та визначення величини надпровідної щілини;
-
розробка методів літографічної модифікації поверхні Si(111) у надвисокому вакуумі на нанометровому масштабі.
Наукова новизна роботи
1)
Розроблено оригінальний пристрій надвисоковакуумного СТМ з експонуванням поверхні, що вивчається, в різних газах in situ та з системою приготування кристаличної поверхні та вістря. Параметри пристрою були визначені при вивченні поверхні Cu (100). За допомогою СТМ зображень було підтверджено, що поверхня Cu(100) не реконструйована.
1)
Проведено вивчення поверхні (100) та (110) вольфрама за допомогою СТМ та з’ясовані причини анізотропії віддзеркалення електронів проводимості вздовж нормалі до поверхні.
1)
Розроблено кріогенний СТМ зі сколом кристалу in situ, за допомогою цього приладу на сколах YBa2Cu3O7-x, виконаних при 4,2К, в умовах “вакуумного” тунелювання отримані вольт-амперні залежності та з’ясований діапазон величини надпровідної щілини для цієї сполуки.
1)
Розроблені методи переносу атомів кремнію на поверхні Si(111) з великим діапазоном розмірів особливостей, що утворюються, (2-30нм).
Практична цінність роботи
1)
В результаті виконаної роботи були розроблені оригінальні конструкції кріогенного та надвисоковакуумного СТМ, сучасна універсальна цифрова електроніка для СТМ/АСМ та прграмне забезпечення. Ці розробки були використані в декількох інших наукових лабораторіях;
1)
Результат досліджень по літографічній модифікації поверхні Si(111) може бути використаний для розробки технології виготовлення кремнієвих наноструктур за допомогою СТМ.
1)
Розроблена методика отримання атомно чистих надгострих (дорівнює 3 нм) вольфрамових вістрів в камері надвисоковакуумного СТМ.
Основні положення, що виносяться на захист:
1)
Залежність коефіцієнту дзеркальності електронів від довжини хвилі де Бройля при нормальному падінні електронів проводимості для реальної поверхні (100) вольфраму обумовлена інтерференцією електронів на утворених при електролітичному поліруванні поверхні нерівностях трикутної форми (фасетках) з розміром рівному довжині хвилі електронів. Відсутність залежності коефіцієнта дзеркальності від двжини хвилі де Бройля електронів проводимості для реальної поверхні (110) вольфраму обумовлена відсутністю суттєвого рельєфу на масштабі довжини хвилі електронів.
1)
Сколота при 4,2К в рідкому гелії поверхня надпровідника YBa2Cu3O7-x вільна від ізолюючих прошарків, величина надпровідної щілини, виміряна над цією поверхнею з допомогою СТМ, знаходиться в діапазоні 18 – 34 мВ.
1)
За допомогою СТМ зображень підтверджено, що атомно чиста поверхня Cu(100) не утворює надструктур і повторює об’ємну періодичність.
1)
Продемонстрована можливість переносу атомів кремнію з поверхні Si(111) на вольфрамове вістря і з вістря на поверхню з можливістю утворювати “ямки“ та “острівці“ в умовах надвисокого вакууму. Розмір особливостей, що утворюются, можна змінювати в діапазоні 2 – 30 нм. Розроблений метод може бути використаний для утворення кремнієвих наноструктур.
Внесок автора полягає у наступному:
-
самостійніа розробка усіх варіацій СТМ, використаних в роботі;
-
розробка електроніки та програмного забезпечення для СТМ комплексу;
-
активна участь у постановці фізичних задач;
-
самостійне проведення всіх СТМ досліджень;
-
обробка та інтерпретація результатів досліджень;
-
безпосередня участь у написанні статей, що лягли в основу дисертаційної роботи.
Матеріали дисертації доповідалися на 2-й Всесоюзній конференції по високотемпературній надпровідності, Київ, 1989, та Всеросійській Нараді “Зондова мікроскопія 98”, Нижній Новгород, 1998.
Публікації
За матеріалами дисертаційної роботи опубліковано 3 роботи в наукових журналах та видано авторське свідоцтво.
Структура дисертації
Дисертація складається із вступу, трьох частин, заключення і списку цитованної літератури.
Короткий зміст дисертації
У вступі обгрунтовується актуальність теми, сформульовано положення, що захищаються, відображено новизну і практичне значення роботи.
Частина 1 має оглядовий характер і присвячена огляду методики скануючої мікроскопії та СТМ досліджень.
СТМ дозволяє інформацію про структуру та електронні властивості поверхні у прямому просторі з унікальною роздільною здатністю. Адекватне тлумачення результатів СТМ виміровань неможливе без детального розгляду фізичних явищ, на яких основана робота СТМ. Тому в першій частині спочатку викладений розгляд тунелювання, а також математична модель функціювання схеми зворотнього зв’язку СТМ та її аналіз.
Далі розглянуто роботи в галузі вивчення атомної структури поверхні напівпровідників та металів. Підкреслені основні досягнення та напрямки розвитку.
Також приведені основні напрямки використання топографічної інформації СТМ для вивчення фізичних процесів на поверхні твердих тіл. Розглянуті експерименти по літографічній модифікації поверхні з метою розробки методів створення мікроелектронних структур нанометрового масштабу розмірів.
Окремо розглянуті роботи по вивченню високотемпературних надпровідників з допомогою СТМ.
На прикінці першого розділу на фундаменті стану розглянутих галузей використання СТМ сформульовані задачі дисертаційної роботи.
Частина 2 присвячена методиці експерименту. В роботі використовувалися декілька різних приладів СТМ власноручного виготовлення. Серед них СТМ для роботи при атмосферних умовах, кріогенний СТМ та надвисоковакуумний СТМ.
Електронна частина основана на використанні процессора цифрової обробки сигналу (ПЦОС) для створення цифрового регулятора положенням тунельного вістря та системи сбору та обробки сигналів. Використовувались ПЦОС AD 2181 та AD 21020 фірми Analog Devices.
Зв’язок ПЦОС та персонального комп’ютера дозволяв завантажувати в ПЦОС програму та параметри роботи СТМ, а також переносити зображення із ПЦОС в комп’ютер. Створене програмне забезпечення дозволяло отримувати зображення, обробляти їх та виводити на дісплей у різних видах.
Також була реалізована можливість отримання вольт-амперних залежностей та залежностей тунельного току від відстані між вістрям та поверхнею. В якості пристрою наближення вістря до поверхні був розроблений пєзоінерційний двигун. Скануючий елемент, який використовувався, мав форму цілиндра з розділеними електродами.
Далі розгянуті особливості усіх трьох модифікацій СТМ, та приведені результати тестових вимірювань.
Для СТМ при атмосферних умовах було отримано зображення атомної структури поверхні піролітичного графіта. Для кріогенного СТМ були здобуті спектри поверхні кристалу ніобію в умовах “вакуумного” тунелювання.
В більшому об’ємі були проведені іспити надвисоковакуумного СТМ. Приведенні зображення поверхні Si (111) 7х7, отримані на цьому приладі. Також отримані зображення поверхні Cu (100)-1х1 (рис2), з яких видно, що поверхня міді не реконструйована і повторює періодичність об’єму. Розмір гофрировки атомної структури становить 0,2 . Далі приведене зображення поверхні Cu (100) - Cl (2x2) (рис.1).
В частині 3 викладено результати досліджень та проведено їх обговорення.
Вплив структури реальної поверхні (100) та (110) вольфрама на розсіювання електронів проводимості.
В експериментах з поперечного фокусування електронів [2, 3] на електрополірованих поверхнях (100) та (110) вольфраму була виявлена анізотропія відзеркалення нормально падаючих на поверхню електронів проводимості. Для поверхні (100) вірогідність дзеркального відбиття в великій мірі залежала від довжини хвилі де Бройля. Для поверхні (110) для різних груп електронів вірогідність дзеркального відбиття дорівнювала 0,6 і не залежала від довжини хвилі де Бройля електронів.
З метою з’ясування причин анізотропії віддзеркалення електронів проводимості за допомогою СТМ була вивчена структура поверхні (100) та (110) вольфраму на різних масштабах.
Було з’ясовано, що поверхня (110) складається з великих атомно плоских ділянок з орієнтацією (110), між якими існують перепади висотою 20-100 . На плоских ділянках зустрічаются також атомні ступені висотою кратні міжплощинній відстані.
Електрополірована поверхня (100) складається з фасеток, які утворені здебільшого з поверхонь орієнтації у діапазоні від (310) до (100). Типовий розмір фасеток 50-100 вздовж поверхні та 5-20 по нормалі до поверхні.
На основі отриманих зображень реальної поверхні (100) та (110) вольфраму можливо зробити висновок, що незалежність вірогідності віддзеркалення електронів від довжини хвилі для поверхні (110) пов’язана з практично повною відсутністю рельєфу поверхні на масштабі довжини хвилі де Бройля електронів і відбиттям електронів в рамках наближення геометричної оптики.
Залежність вірогідності віддзеркалення електронів від довжини хвилі для електрополірованої поверхні (100) в експкриментах з поперечного фокусування електронів пов’язана з інтерференцією електронів проводимості на розвинутому рельєфі на масштабі довжини хвилі де Бройля електронів.
Зроблені розрахунки інтерференції плоскої хвилі на модельному рельєфі трикутної форми дозволили проілюструвати експериментальну залежність вірогідності віддзеркалення електронів від довжини хвилі де Бройля електронів проводимості для електрополірованої поверхні (100) вольфрама, отриману в експкриментах з поперечного фокусування електронів.
Для вивчення віддзеркалення електронів проводимості від кристалографічної грані (100) необхідно приготування відповідної поверхні з великою часткою атомно рівних ділянок з орієнтацією (100).
Спектроскопія сколу кристалу YBa2Cu3O7-x, виконаних при 4,2К.
Вперше на час проведення експериментів для отримання чистої поверхні YBa2Cu3O7-x без дефіціту кисню була реалізована система сколу мініатюрного кристалу високотемпературного надпровідника in situ в кріогенному СТМ, зануреному в рідкий гелій при температурі 4.2К. Відразу ж після сколу до новоутвореної поверхні наближалося вістря СТМ, та починалися топографічні та спектроскопічні виміри.
З’ясовано, що значна доля сколотої поверхні YBa2Cu3O7-x вільна від ізолюючих прошарків і над цією поверхнею можливо реалізувати режим тунелювання електронів без утворення механічного контакту між вістрям та поверхнею.
Були отримані зображення поверхні сколу та виміряні вольт-амперні характеристики над кристалографічно плоскими ділянками поверхні. Майже завжди на вольт-амперних залежностях, отриманих таким чином, була присутня щілинна особливість біля нуля напруги на тунельному переході, яка інтерпретувалася як надпровідна щілина. Із обробки великої кількості здобутих таким чином залежностей був з’ясований діапазон можливих величин надпровідної щілини. Він становив 18-34 мВ.
Зараз можна порівняти отриманий діапазон значень надпровідної щілини в YBa2Cu3O7-x із загально узгодженою на наш час величиною. Вона становить 20+/-2мВ (см. [4] ).
Нанолітографія на поверхні Si(111) за допомогою СТМ.
Експерименти по модифікації поверхні виконувалися в надвисоковакуумному СТМ на приготованій поверхні Si(111)-7х7. Як зонд використовувалося електролітично приготоване та очищене іонним бомбардуванням в СТМ системі надгостре вольфрамове вістря.
Основним результатом є демонстрація можливості переносити за допомогою імпульсів напруги різні кількості атомів кремнію з поверхні на вістря а потім і в зворотньому напрямку, діапазон розмірів, що утворювались при цьому на поверхні особливостей становить 2-30 нанометрів. Також продемонстровано, що переноситься кремній, а не матеріал вістря. Новизна цих експериментів полягає в демонстрації переносу різноманітних кількостей атомів кремнію в двох напрямках: з поверхні на вістря та з вістря на поверхню.
Висновки
1)
Створені оригінальні конструкції кріогенного та надвисоковакуумного СТМ. Визначені їх параметри. Введено в практику використання пристрою сколу кристалів в кріогенному СТМ. Розроблена універсальна цифрова електроніка для СТМ.
1)
Вивчено топографію реальних поверхонь (110) і (100) вольфраму та з’ясовано причину анізотропії віддзеркалення електронів при нормальному падінні від цих поверхонь.
1)
На сколах in situ кристалів високотемпературного надпровідника YBa2Cu3O7-x в кріогенному СТМ в умовах відсутності механічного контакту між вістрям та поверхнею був отриманий діапазон можливих величин надпровідної щілини. Отримані величини знаходяться в узгодженні із сучасними уявленнями.
1)
проведена методична робота по отриманню атомного зображення поверхні Cu(100) в СТМ та підтверджено, що вона не реконструйовона.
1)
розроблені методи переносу атомів кремнію по поверхні Si(111) з допомогою вольфрамового вістря в СТМ. Розмір особливостей, що утворюються, може змінюваться в діапазоні 2-30 нм. Методи можуть бути використані для утворення кремнієвих мікроелектронних структур.
Основні результати роботи опубліковані:
1) С.Л.Прядкин, В.С.Цой. СТМ-изображения реальных поверхностей (100) и (110) вольфрама и характер отражения электронов проводимости.// ЖЭТФ(1988).-т.17, вып.3,стр. 336.
2) С.Л.Прядкин, В.С.Цой. Туннельная микроскопия скола монокристалла YBa2Cu3O7- при 4,2К.// Письма в ЖЭТФ(1989).-т.49, вып.5, стр. 268.
3) K.N.Eltsov, A.N.Klimov, S.L.Priadkin, V.M.Shevlyuga and V.Yu.Yurov. Ultra High Vacuum Scanning Tunneling Microscope for Chemical Surface Reactions Study and Nanotechnology. // Phys. Low-Dim. Struct.,-v.7/8(1996), p. 115.
4) К.Н.Ельцов, А.Н.Климов, А.В.Кузмичев, С.Л.Прядкин, В.Ю.Юров. Сверхвысоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп с изменяемой температурой образца. // Материалы всероссийского совещания “Зондовая микроскопия 98”, Нижний Новгород, 1998, стр.112.
Авторському свідоцтві Россійскої Федерації:
5) А.В.Дуров, С.Л.Прядкин. Патент №2056666 на изобретение “Микроманипулятор для позиционирования зонда“, зарегистрирован в Государственном реестре изобретений 20 марта 1996.
Цитована література:
1)
G.Binning, H.Rohrer // Helv. Phys. Acta, 1982, v.55, p.726.
1)
С.И.Божко, А.А.Митряев,О.А.Панченко и др. // ФНТ, 1979, т.5, стр 739.
1)
В.С.Цой, И.И.Разгонов // ЖЭТФ, 1978, т.74, стр.1137.
1)
I.Maggio-April, Ch.Renner, A.Erb, E.Walker, O.Fischer // Phys. Rev. Lett., 1995, v.75, p.2745.
SUMMARY
Pryadkin S.L. Application of scanning tunneling microscopy for studying of structure of conductive solid state surfases. Thesis for in candidate’s degree Physics & Mathematics in the speciality 01.04.18 - surface physics and chemistry, Institute of Physics of Metals NAS of Ukraine, Kyiv,1998.
Three scientific works and one patent are defended, containing results of scanning tunneling microscopy (STM) investigations of real (100) and (110) tungsten surfaces, cleavage of surface of high temperature superconductor YBa2Cu3O7-x, and lithography modification processes of Si (111) surface performed in ultra high vacuum conditions. Based on the study of surface topography the reflection anisotropy of conducting electrons from real tungsten surfaces (100) and (110) during normal incidence has been explained. By measuring of voltage-current dependencies of YBa2Cu3O7-x cleavages at 4.2 K without point contact the range of possible values of super conductive gap is determined. The possibility to transfer silicon from Si (111) surface on STM tungsten tip and backward has been demonstrated. The size of creating features is ranged within 2-30 nanometers.
АННОТАЦИЯ
Прядкин С.Л. Применение сканирующей туннельной микроскопии для изучения структуры поверхности проводящих твердых тел. Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.18 - физика и химия поверхности, Институт металлофизики НАН Украины, Киев, 1998.
Защищается 3 научных работы и 1 авторское свидетельство, содержащих результаты исследований с помощью СТМ реальных поверхностей (110) и (100) вольфрама, сколов поверхности высокотемпературного сверхпроводника YBa2Cu3O7-x и процессов литографической модификации поверхности Si(111) в условиях сверхвысокого вакуума. На основе изучения рельефа поверхностей обьяснена анизотропия отражения электронов проводимости при нормальном падении от реальных поверхностей (110) и (100) вольфрама. Посредством измерения ВАХ сколов YBa2Cu3O7-x при 4.2К в условиях отсутствия точечного контакта определен диапазон возможных значений сверхпроводящей щели. Продемонстрирована возможность переноса кремния с поверхности Si(111) на вольфрамовое острие и обратно. Диапазон размеров создаваемых особенностей составляет 2-30 нанометров.
КЛЮЧОВІ СЛОВА
Скануюча тунельна мікроскопія, тунельна спектроскопія, нанолітографія.
