Создание и исследование локализованных одномерных и двумерных наноструктур для систем диагностики

Мухин, Иван Сергеевич

Создание и исследование локализованных одномерных и двумерных наноструктур для систем диагностики тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.10 ВАК РФ

Мухин, Иван Сергеевич АВТОР

кандидата физико-математических наук УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ

Санкт-Петербург МЕСТО ЗАЩИТЫ

2012 ГОД ЗАЩИТЫ

01.04.10 КОД ВАК РФ

Диссертация по физике на тему «Создание и исследование локализованных одномерных и двумерных наноструктур для систем диагностики»

Автореферат диссертации на тему "Создание и исследование локализованных одномерных и двумерных наноструктур для систем диагностики"

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего разования и науки Санкт-Петербургский Академический университет — научно-образовательный центр нанотехнологий РАН_

На правах рукописи

005042910

МУХИН Иван Сергеевич

ЮЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ОДНОМЕРНЫХ И ДВУМЕРНЫХ НАНОСТРУКТУР ДЛЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ

Специальность:

01.04.10 — физика полупроводников

Автореферат ^ ? ^ ^

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург — 2012

005042910

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении высшего образования и науки Санкт-Петербургском Академическом университете — научно-образовательном центре нанотехнологий РАН (СПб АУ НОЦНТ РАН)

Научный руководитель:

доктор физико-математических наук Голубок Александр Олегович Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Брунков Павел Николаевич доктор физико-математических наук Птицын Валерий Эдуардович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) (СПбГЭТУ)

Защита состоится "30" мая 2012 г. в 15.00 час. на заседании объединенного совета по защите докторских и кандидатских диссертаций ДМ 002.269.01 при СПб АУ НОЦНТ РАН: 194021, Санкт-Петербург, ул. Хлопина д.8, корп.З

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПб АУ НОЦНТ РАН. Отзывы об автореферате в двух экземплярах, заверенные печатью, просим высылать по указанному адресу ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан "25" апреля 2012г.

Ученый секретарь объединенного совета ДМ Л09 969 01

доктор физико-математических наук

Актуальность темы

Одним из основных направлений развития современных нанотехнологий является создание, исследование свойств и применение низкоразмерных систем, таких как: квантовые ямы, квантовые проволоки, нановискеры, квантовые точки, в которых свободное движение электронов ограничено в одном, двух или трех направлениях [1]. В последние годы основное внимание уделяется созданию, исследованию и применению наноструктур, представляющих собой большие ансамбли нановискеров [2].

Вместе с тем, малым ансамблям, насчитывающим небольшое число нановискеров, или одиночным нановискерам, локализованным на заранее заданных участках поверхности, в том числе на поверхности острий малого радиуса (радиус острия составляет десятки и сотни нанометров), уделяется недостаточное внимание. Интерес к таким объектам обусловлен несколькими причинами.

Во-первых, нановискеры, наностержни и нанотрубки могут выступать в качестве конструктивных блоков для формирования новых микро- и наноустройств. Механические, электронные и оптические свойства таких объектов значительно отличаются от свойств трехмерных материалов [3].

Во-вторых, большой интерес, как с теоретической, так и прикладной точек зрения, представляют двух- и трехмерные нанообъекты, составленные из нановискеров. Такие малые ансамбли нановискеров могут иметь вид плоских или объемных графов, с одномерными ребрами. При определенных условиях свойства подобных объектов могут быть описаны с привлечением формализма одномерных криволинейных наноструктур. Как показано в [4], искривляя в пространстве одномерные и двумерные элементы и сочетая их различным способом в плоскости или в объеме, можно управлять их электронными свойствами.

В-третьих, локализация одиночного полупроводникового нановискера

на вершине металлического острия открывает путь к исследованию его

электронных, механических и оптических характеристик методами

сканирующей туннельной, силовой и ближнепольной микроскопий.

Наконец, данный подход может стать основой для создания элементов нанофотоники, нанофлюидики, автоэмиссионных и жидкометаллических катодов, специализированных зондов с повышенным пространственным разрешением для нанодиагностики материалов методами сканирующей туннельной, силовой, ближнепольной, в том числе терагерцовой, микроскопий [5].

Целью настоящей работы является исследование процессов формирования малых ансамблей и одиночных полупроводниковых и металлорганических нановискеров, исследование их механических, электронных и оптических свойств, создание на их основе функциональных наноструктур для локальной диагностики материалов, в том числе полупроводниковой природы методами СЗМ.

Задачами работы являются

• Развитие методов формирования СаАБ, С, П и IV наноструктур, состоящих из нановискеров, на вершине и острий с радиусом кривизны, сравнимым с радиусом нановискера.

• Создание модели роста и численное моделирование процесса формирования наноструктур на вершине острия под действием фокусированного электронного пучка.

• Локализация одиночного полупроводникового СаАэ нановискера на вершине \У острия и измерение ширины запрещенной зоны в нановискере методом упругой туннельной спектроскопии.

• Исследование механической устойчивости нановискера, локализованного на вершине острия, и исследование пространственного разрешения СЗМ-зондов с нановискерами на вершине.

• Создание упорядоченной матрицы нановискеров и исследование ее

оптических свойств.

• Введение малого ансамбля упорядоченных нановискеров в канал микрофлюидного чипа с целью объединения методов микрофлюидики и наноплазмоники для захвата, фиксации и детектирования биологических объектов в их нативном состоянии.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• Впервые экспериментально показана возможность создания ансамбля полупроводниковых СаАя нановискеров на вершинах электрохимически заточенных игл.

• Впервые с помощью метода сверхвысоковакуумной упругой туннельной спектроскопии измерена величина запрещенной зоны в одиночном полупроводниковом нановискере, локализованном на вершине иглы.

• Предложена математическая модель, объясняющая формирование углеродных наноплоскостей под действием фокусированного электронного пучка. Предложен новый тип зондов-нано скальпелей для манипулирования нанообъектами и их локальной модификации.

• Впервые экспериментально продемонстрировано, что использование кантилеверов с металлорганическими одиночными нановискерами с большим аспектным отношением повышает точность определения положения вертикальных стенок глубоких микроканалов.

• Предложен новый тип зондов на основе проводящей нанопетли для измерения локальных магнитных свойств образцов.

• Предложен новый способ создания ближнепольных апертурных зондов с локализованными одиночными нановискерами на краю апертуры.

• На основе пространственно-упорядоченного массива металлорганических нановискеров создан оптический элемент, генерирующий и распространяющий поверхностную плазмонную волну

с частотой, лежащей в видимом диапазоне спектра. Впервые предложено использовать такой элемент одновременно как для оптического детектирования, так и для разделения нанообъектов в биопробе.

• Предложены и реализованы новые топологии микрофлюидных чипов на основе массивов наноструктур для захвата и фиксации биологических объектов.

Практическая значимость работы состоит в следующем:

• Предложенный подход, заключающийся в локализации одиночного нановискера на вершине острия малого радиуса, может найти практическое применение при исследовании характеристик одномерных одиночных полупроводниковых наноструктур.

• Результаты проведенных исследований могут стать основой для изготовления специализированных СЗМ-зондов нового поколения с улучшенными характеристиками и новыми функциональными возможностями.

• Результаты проведенных исследований могут быть применены при создании микрофлюидных чипов с сетью наноканалов и ансамблем нановискеров для эффективной сортировки, фиксации и детектирования нанобиообъектов.

Положения, выносимые на защиту:

1. Полупроводниковые ОаАя вертикальные нитевидные нанокристаллы (нановискеры) с поперечным размером около 50 нм и длиной в диапазоне 200 - 900 нм могут быть сформированы с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии по механизму пар-жидкость-кристалл на вершинах заостренных вольфрамовых игл, имеющих радиус кривизны более 100 нм.

2. Метод упругой туннельной спектроскопии в сверхвысоком вакууме обеспечивает измерение ширины запрещенной зоны одиночных полупроводниковых нановискеров, локализованных на вершине зонда сканирующего туннельного микроскопа. В случае GaAs нановискера ширина запрещенной зоны, измеренная данным методом, составляет 1,5 эВ.

3. Метод фокусированного электронного пучка позволяет создавать углеродные нанолезвия с толщиной порядка 50 нм. Рост нанолезвия обусловлен влиянием электрического поля пучка на кинетику образующихся ионов углерода.

4. Одиночные металлорганические нановискеры с диаметром около 50 нм и длиной около 1000 нм, выращенные на вершине Si зондов-кантилеверов с радиусом закругления около 25 нм, механически устойчивы при работе в силовых модах и улучшают пространственное разрешение сканирующего зондового микроскопа при визуализации поверхностей с развитым рельефом.

5. Периодически-упорядоченный массив металлорганических нановискеров с диаметром около 50 нм, высотой около 200 нм и периодом 240 нм, сформированный под действием фокусированного электронного пучка, может быть использован в качестве оптической среды, генерирующей и передающей поверхностные плазмонные волны с частотой, соответствующей видимому диапазону спектра.

Апробация работы

Основные результаты докладывались на следующих конференциях, симпозиумах и семинарах:

• 1 Ith International Conference on Atomically Controlled Surfaces, Interfaces and Nanostructures, St. Petersburg, Russia, 2011.

• European Materials Research Society, Nice, France, 2011;

• International Conference on Materials for Advanced Technologies, Suntec, Singapore, 2011;

• European Materials Research Society, Strasbourg, France, 2010;

• VII Всероссийская межвузовская конференция молодых ученых СПбГУ ИТМО, Санкт-Петербург, Россия, 2010 г.;

• II Всероссийская конференция «Многомасштабное моделирование процессов и структур в нанотехнологиях», Москва, Россия, 2009 г.;

а также на научном семинаре Санкт-Петербургского Академического

университета — научно-образовательного центра нанотехнологий РАН.

Публикации. Основные результаты изложены в 10 печатных работах в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, 4 главы и заключение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана ее научная новизна, сформулированы цели и задачи работы, изложены выносимые на защиту положения.

Первая глава носит обзорный характер. Обсуждается современное состояние теории и методов формирования одномерных и двумерных наноструктур на основе нановискеров.

Особое внимание уделено формированию аморфных нановискеров и наноструктур на их основе под действием фокусированного электронного или ионного пучков в атмосфере газов-прекурсоров [6].

Обсуждаются механические, электронные и оптические свойства нановискеров и их отличие от свойств трехмерных материалов. Приведены методы исследования свойств данных и полученные экспериментальные данные [7-8].

В последней части первой главы обсуждаются методы интеграции наноструктур в каналы микрофлюидных чипов для исследования биологических объектов в нативном состоянии.

Вторая глава посвящена описанию проведенных экспериментов, по созданию полупроводниковых и металлорганических нановискеров и наноструктур на их основе, а также описанию процессов, протекающих при росте этих структур.

С помощью методов молекулярно-пучковой эпитаксии и фокусированного ионного пучка одиночные ваАБ нановискеры и структуры на их основе локализованы на выпуклой поверхности с радиусом закругления сравнимым с радиусом нановискера (рис. 1). Экспериментально показано, что данный подход, обеспечивает формирования как каталитическим, так и автокаталитическим методами одиночных нановискеров на вершине электрохимически заточенных острий, при этом радиус кривизны подложки (острия) может составлять сотни нанометров.

Рис. 1. СЭМ изображения вольфрамовых острий с локализованными на их вершинах одиночными СаАя нановискерами.

Далее приведен теоретический анализ модели роста двумерных углеродных наноструктур (наноскальпелей) под действием фокусированного электронного пучка. Данная модель учитывает влияние электрического поля пучка на кинетику ионов углерода, формирующих наноструктуру. С помощью стационарного уравнения Власова был определен поток ионов углерода в область формирвания наноскальпеля, а с помощью численных методов был визуализирован процесс формирования структуры.

V ■:!■:■■■■."■'■■■ 'Л .':: • ■ .. - ' ц.т-.ч .'>< С/О». и *

ж л

Рис. 2. СЭМ изображение углеродных наноструктур, сформированных под действием фокусированного электронного пучка, на вершине вольфрамовых острий: а) нанолезвие, б) структура, состоящая из углеродных нановискеров.

Формирование углеродной структуры происходит следующим образом. Под действием электронного пучка с энергией более 10 кэВ с поверхности мишени выбиваются положительно заряженные ионы углерода (энергия электронов значительно превосходит энергию отрыва и ионизации атомов углерода). Таким образом, в пространстве около поверхности роста (например, зонда СЗМ) образуется «облако» из заряженных ионов углерода, удерживаемое полем пучка электронов. В месте экспозиции, под действием электронного пучка, локализуется отрицательный заряд, который притягивает к себе положительные ионы углерода. Эта область и есть точка зарождения наноскальпеля. При перемещении места экспозиции электронного пучка в пространстве углеродная наноструктура как бы тянется за пучком. В результате формируется лезвие наноскальпеля, имеющее поперечное сечение

в направлении вдоль пучка - (50-150) х (300-600) нм2 и длину в направлении перемещения ~1 мкм. Изменяя направление и скорость перемещения электронного пучка, площадь экспозиции, энергию и ток пучка, можно управлять процессом роста наноструктуры за счет изменения пространственного положения зоны роста и скорости подачи материала в эту зону. На рис. 2 представлены СЭМ изображения двумерных наноструктур, состоящей из углеродных нановискеров.

Далее описан метод формирования металлорганических нановискеров под действием фокусированного электронного или ионного пучков в присутствии газов-прекурсоров. Предложенная модификация метода позволяет контролируемо (in-situ) создавать нановискеры с заданными геометрическими размерами, а также более сложные двумерные и трехмерные каркасные наноструктуры, ребрами которых являются нановискеры. В частности, данной подход позволяет локализовывать одиночные нановискеры или нанокольца на вершине острий СЗМ.

В завершении второй главы описывается метод формирования упорядоченного массива металлорганических Pt нановискеров. Данный массив, в случае интеграции в канал микрофлюидного чипа, выступает в качестве селективного элемента для микро- и нанобиообъектов, а также одновременно выполняет функции оптического детектора на основе поверхностного плазмонного резонанса. В этой главе также представлены образцы микфролюидных чипов, в рабочих каналах которых с помощью технологии фокусированного ионного пучка сформированы микро- и наноловушки, обеспечивающие фиксацию нанобиообъекта на время, необходимое для проведения дальнейшего анализа.

В третьей главе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований механических, оптических и электронных свойств нановискеров и структур на их основе.

С помощью метода сверхвысоковакуумной упругой туннельной

спектроскопии определены электронные характеристики одиночных ваАв нановискеров, сформированных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Массив ОаАв нановискеров выращивался на острие электрохимически заточенной вольфрамовой иглы СТМ. Для экспериментов отбирались такие образцы, на вершине которых имелись выступающие над общим массивом отдельно стоящие нановискеры. При необходимости массив нановискеров модифицировался с помощью фокусированного ионного пучка, таким образом, чтобы выделить на вершине одиночный нановискер. Вторым берегом туннельного контакта выступала планарная подложка, покрытая слоем золота. При этом зондом СТМ выступал ОаАв нановискер, локализованный на вершине \¥ острия.

150-

-2-

-3-

EC-Ef е

0.4 0.5 0.6 0,7 Voltage, V

-1,0

1,0

-1,0

-0,5 0,0 0,5 Voltage, V

1,0

-0,5 0,0 0,5 Voltage, V

Рис. 3. Волът-алтериая характеристика J(V) туннельного контакта с одиночным нановискером и ее производная dl/dV.

На рис. 3 представлены вольт-амперная характеристика и ее производная для туннельного контакта ваАэ нановискера - Аи пленки, демонстрирующие достаточно отчетливо выраженный нелинейный полупроводниковый характер. Анализ зависимости сЛ/<1У(У) показывает, что ширина запрещенной зоны СаАБ нановискера составляет -1,5 эВ, потолок валентной зоны лежит ниже уровня Ферми на 0,55 эВ, а дно зоны проводимости - выше уровня Ферми на 0,95 эВ. Таким образом, ОаАв

нановискер имеет слабый р - тип проводимости.

В этой главе также проведен теоретический анализ прозрачности туннельного контакта между проводящим нанокольцом, локализованным на вершине иглы СТМ, и золотой поверхностью. Расчеты, выполненные в рамках теории квантовых графов, предсказывают появление пиков на зависимости вероятности туннелирования электронов из нанокольца в золотую пленку от величины приложенного напряжения, т.е. увеличение прозрачности туннельного барьера в определенной области напряжений.

Далее проведен теоретический анализ и сделаны численные оценки резонансных частот и критических сил продольного сжатия одиночных нановискеров в зависимости от их параметров. Задача определения механических свойств одиночных нановискеров становится особенно актуальной в связи с их применением в качестве зондов СЗМ. При работе кремниевого кантилевера с локализованным нановискером на его вершине в силовом режиме величина критической силы продольного сжатия нановсикера должна превосходить силы прижима кантилевера к поверхности исследуемого образца. Одиночный нановискер, рассматривается как конический стержень кругового сечения. В данной геометрии критическое значение силы продольного сжатия описывается выражением:

я ЪЕ^Х

где Я0- радиус вершины конуса, Я, - радиус основания конуса, Ь - его длина, Е - модуль Юнга. Значение критической силы для металлорганического платинового нановискера длиной 1 мкм и радиусом 25 нм составляет -100 нН, что превышает рабочие значения (2-10) нН прижимной силы в контактных режимах. Расчетное значение резонансной частоты собственных колебаний металлорганического нановискера с указанными выше размера составляет -100 МГц.

В завершении данной главы проанализированы оптические свойства !

одиночного металлорганического нановискера и массива нановискеров. Проведены теоретические оценки, которые показывают, что в случае применения металлорганических наноструктур в системе возникает поверхностный плазмонный резонанс, характеризующийся высокой чувствительностью к свойствам поверхности и окружающей среды. Данная идеология реализована в сенсорном оптическом элементе, представляющем собой упорядоченный массив Р): нановискеров, описанном в Главе 4.

Четвертая глава посвящена применению одномерных и двумерных структур, состоящих из нановискеров, для нанодиагностики. Показано, что локализация одиночных нановискеров и структур на их основе на вершинах вольфрамовых острий или кремниевых кантилеверов позволяет повысить качество и разрешение зондовой диагностики. В работе продемонстрировано, что зонд на основе одиночного нановискера, локализованного на вершине кантилевера (рис. 4 а), позволяет повысить пространственное разрешение при сканировании образцов с разветвленным поверхностным рельефом. В частности, показано, что данный зонд, за счет высокого аспектного соотношения, при сканировании в полуконтактном режиме в два раза повышает точность определения положения вертикальной боковой стенки глубокого микроканала по сравнению с немодифицированным кантилевером.

8 6)

Рис. 4. СЭМ изображения СЗМ зондов, модифицированных металлорганическими нановискерами а) зонд с одиночным нановискером, б) зонд с двумя ортогональными нановискерами.

Используя зонд на основе двумерной наноструктуры в виде двух ортогонально расположенных нановискеров, выращенных на вершине кантилевера или электрохимически заточенной вольфрамовой иглы (рис. 4 б), можно визуализировать как дно глубокого микроканала, так и боковую поверхность его стенки в одном эксперименте.

В этой главе также приведены результаты применения зондов-наноскальпелей на основе углеродных лезвий для локальной модификации поверхностей образцов (рис. 2 а). За счет осевой несимметричности формы данные структуры более устойчивы к механическим нагрузкам по сравнению с нановискерами, что является принципиальным для зондовой литографии. Представлены результаты экспериментов по формированию глубоких, узких микроканалов в режиме силовой литографии с помощью зондов-наноскальпелей.

Также в данной главе предложен зонд с проводящей нанопетлей,

сформированной на вершине кантилевера (рис. 5 а), представляющий интерес

при локальных исследованиях магнитных свойств образцов. Показано, что

при колебаниях такого зонда в неоднородном магнитном поле в проводящем

нанокольце будет возникать электродвижущая сила (ЭДС), приводящая к

появлению токов в кольце и соответствующей потере энергии, что должно

влиять на фазу колебаний кантилевера в режиме магнитной силовой

микроскопии (МСМ). Однако, проведенные численные оценки показывают,

что величина фазового сдвига колебаний лежит за границами детектирования,

доступными современным СЗМ приборам. Вместе с тем, возможен и другой

способ применения зонда с нанопетлей для измерения локальных магнитных

полей. Известно, что при понижении температуры до единиц К, нанокольцо,

состоящее из № с примесью С, переходит в сверхпроводящее состояние

(температура переход Ткр~4К [9]). В таком кольце можно запасти

незатухающие токи больших плотностей, и использовать взаимодействие

магнитного момента нанокольца с магнитным полем образца для магнитных

измерений. Расчеты показывают, что в этом случае магнитный момент

нанокольца соизмерим с магнитным моментов зонда, с ферромагнитным покрытием.

Далее в четвертой главе представлен вариант ближнепольного апертурного зонда с диаметром апертуры -50 нм, модифицированного одиночным металлорганическим нановискером (рис. 5 б). Локализация нановискера на крае апертуры обеспечивает высокое пространственное разрешение при сканировании рельефа поверхности в силовом режиме, а также увеличение чувствительности в режиме сканирующей ближнепольной оптической микроскопии (СБОМ), за счет концентрации электромагнитной энергии на острие нановискера.

500 нм .* ;

Рис. 5. СЭМ изображения СЗМ зондов, модифицированных металлорганическими нановискерами а) замкнутая проводящая нанопетля из нановискеров МСМ зонда, б) ближнеполъный апертурный СНОМ зонд с выращенным одиночным нановискером на крае апертуры.

В этой главе также приведены результаты исследования ансамбля периодически упорядоченного массива металлорганических нановискеров диаметром -50 нм, длиной -200 нм и периодом 240 нм, сформированных под действием фокусированного электронного пучка и покрытых слоем золота толщиной -10 нм. В экспериментах измерялся спектр отражения электромагнитной волны от ансамбля нановискеров. Период ансамбля подбирался таким образом, чтобы обеспечить перекрытие локализованных плазмонных резонансов одиночных нановискеров. Особенности,

обнаруженные на экспериментальных спектрах, обусловлены генерацией и распространением поверхностной плазмонной волны с частотой в видимом диапазоне спектра. Полученные результаты позволяют рассматривать упорядоченный ансамбль нановискеров как оптический детектор при интеграции ансамбля в канал микрофлюидного чипа. При этом ансамбль нановискеров может одновременно выступать в качестве селективного элемента для разделения нанобиообъектов по размерам.

В заключении главы представлены микрофлюидные чипы с сетью наноканалов и ансамблями нановискеров для сортировки, фиксации и детектирования биологических объектов в нативном состоянии.

В заключении приведены основные результаты работы, которые состоят в следующем:

• Массив полупроводниковых СаАв нановискеров выращен методом молекулярно-пучковой эпитаксии на острие V/ иглы. Одиночный О а Аз нановискер выделен на вершине иглы СТМ с помощью технологии фокусированного ионного пучка.

• Электронные характеристики одиночного ваАв нановискера определены с помощью метода сверхвысоковакуумной упругой туннельной спектроскопии. Анализ зависимости <11/с1У(У) показал, что ширина запрещенной зоны СаАэ нановискера составляет ~ 1,5 эВ.

• Предложена математическая модель, описывающая формирование двумерных углеродных наноструктур под действием фокусированного электронного пучка. Данная модель учитывает влияние электрического поля пучка электронов. В рамках предложенной модели разработана программа для численного моделирования формирования углеродного нанолезвия.

• Предложен метод формирования одномерных, двумерных и трехмерных локализованных наноструктур, состоящих из ваАв, С и

металлорганических нановискеров.

• Проведено теоретическое исследование механической устойчивости нановискеров под действием продольной сжимающей силы. Определено значение критической силы потери устойчивости.

• Предложены модифицированные СЗМ зонды на основе нановискеров, повышающие пространственное разрешение при исследовании поверхностей с развитым рельефом.

• Предложены модифицированные СЗМ зонды-наноскальпели на основе одиночных С наноструктур для локальной модификации поверхности образцов.

• Предложен зонд на основе проводящей нанопетли для локального исследования магнитных свойств образцов.

• Предложен оптический элемент на основе массива металлорганических нановискеров, генерирующий и распространяющий поверхностную электромагнитную волну с частотой в видимом диапазоне спектра.

• Предложены новые топологии микрофлюидных систем для фиксации, сортировки и детектирования биообъектов.

Основные результаты диссертации опубликованы в работах:

1. А.О. Golubok, I.U. Popov, I.S. Mukhin, I.S. Lobanov. Creation and study of 2D and 3D carbon nanographs. Elsevier Physica E, 2011, doi:10.1016/j.physe.2010.10.013.

2. Голубок A.O., Самсоненко Ю.Б., Мухин И.С., Буравлев А.Д., Цырлин Г.Э. Формирование и исследование электрических характеристик одиночных GaAs нитевидных нанокристаллов на вольфрамовом острие. ФТП, 2011, том 45, выпуск 8, стр. 1079-1083.

3. Мухин И.С., Мухин М.С., Феклистов А.В., Голубок А.О. Специализированные СЗМ-зонды на основе каркасных вискерных структур. Научное Приборостроение, 2011, том 21, №3, стр. 23-29.

4. Чивилихин С.А., Голубок А.О., Мухин И.С. Рост нановискера под воздействием электронного пучка: математическая модель. НТВ ИТМО, 2010, №2(66), стр. 78-83.

5. Голубок А.О., Ковров А.В., Левичев В.В., Мухин И.С., Приходько О.А. Формирование одиночных нановискеров на вершинах зондов сканирующего зондового микроскопа. НТВ ИТМО, 2009, № 4(62), стр. 8287.

6. Evstrapov А.А., Mukhin I.S., Bukatin A.S., Kuhtevich I.V. Ion and electron beam assisted fabrication of nanostructures integrated in microfluidic chips. NIMB B, 2011, doi:10.1016/j.nimb.2011.08.035.

7. A.A. Евстрапов, И.С. Мухин, И.В. Кухтевич, А.С. Букатин. Метод сфокусированного ионного пучка при формировании наноразмерных структур в микрофлюидных чипах. Письма в ЖТФ, 2011, том 37, вып. 20, стр. 32-40.

8. Кухтевич И.В., Букатин А.С., Мухин И.С., Евстрапов А.А. Микрофлюидные чипы с интегрированными наноразмерными структурами для фиксации биологических объектов. Научное Приборостроение, 2011, том 21, №3, стр. 17-22.

9. И. В. Кухтевич, А. С. Букатин, А. А. Евстрапов, И. С. Мухин. Создание аналитической установки для биологических исследований на основе оптического микроскопа Axio Observer D1 и микрочиповых технологий. Ч. 1. Научное Приборостроение, 2010, том 20, вып. 3, стр. 3-8.

10.Евстрапов А.А., Мухин И.С, Кухтевич И.В., Букатин А.С. Применение ионной литографии для формирования наноразмерных каналов микрофлюидных чипов в стеклянных подложках. НТВ ИТМО, 2010, № 4(68), стр. 59-63.

Цитированная литература:

1. Л. Ченг, К. Плот. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры. М.: Мир, 1989. 584 с.

2. В.Г. Дубровский. Теоретические основы технологии полупроводниковых наноструктур: учебное пособие. СПб: Изд-во СПбГУ, 2006. 347 с.

3. By Younan Xia, Peidong Yand and etc. One-dimensional nanostructures: synthesis, characterization, and applications //Adv. Mater. 2003. 15. 5, P. 353.

4. Л.И. Магарилл, A.B. Чаплик, M.B. Энтин. Электроны в криволинейных структурах // УФН. 2005. Т. 175, № 9. С. 995.

5. Т. Н. Taminiau, F. D. Stefani, F. В. Segerink, and N. F. van Hulst. Optical antennas direct single-molecule emission // Nat. Photonics. 2008. N. 2, P. 234.

6. W.F. van Dorp, C.W. Hagen. A critical literature review of focused electron beam induced deposition // J. Appl. Phys. 2008. 104. 8. P. 0813101-42

7. J. Park, C. Daraio, S. Jin, P.R. Bandaru, J. Gaillard and A.M. Rao. Three-way electrical gating characteristics of metallic Y-junction carbon nanotubes // APL 2006. Vol. 88, P 243113.

8. Eric W. Wong, Paul E. Sheehan, Charles M, Lieber. Nanobeam mechanics: elasticity, strength, and toughness of nanorods amd nanotubes // Science. 1997. Vol. 277, P. 1971.

9. J.Wang et al. Exchange Coupling and Spin Transport in Hybrid Spintronic Devices // Nature Phys., 2010, V. 6, P. 389-392.

Подписано в печать: 24.04.2012 Тираж: 100 экз. Заказ № 534

Отпечатано в цифровой типографии АЯТ-ХРКЕБЗ 199155, Санкт-Петербург, ул. Уральская, д. 17 тел.: 331-33-22 www.art-xpress.ru

Текст научной работы диссертации и автореферата по физике, кандидата физико-математических наук, Мухин, Иван Сергеевич, Санкт-Петербург

61 12-1/976

Федеральное государственное бюджетное учреждение высшего образования и науки Санкт-Петербургский Академический университет — научно-образовательный центр

нанотехнологий РАН

МУХИН Иван Сергеевич

СОЗДАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛОКАЛИЗОВАННЫХ ОДНОМЕРНЫХ И ДВУМЕРНЫХ НАНОСТРУКТУР ДЛЯ СИСТЕМ ДИАГНОСТИКИ

Специальность:

01.04.10 — физика полупроводников

На правах рукописи

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук Голубок Александр Олегович

Санкт-Петербург

2012

Список сокращений.

АСМ - атомно-силовая микроскопия БПО - ближнепольная оптика ВАХ - вольт-амперная характеристика ЛПС - локальная плотность состояний МСМ - магнитно-силовая микроскопия МПЭ - молекулярно-пучковая эпитаксия ОФЭП - осаждение под фокусированным электронным пучком ПАВ - поверхностно-активные вещества ПЖК - пар-жидкость-кристалл ПЭС - плотность электронных состояний РСМА - рентгеноспектральный микроанализ РЭМ - растровая электронная микроскопия СБОМ - сканирующая ближнепольная микроскопия СВВ - сверхвысокий вакуум ССМ - сканирующий силовой микроскоп СТМ - сканирующая туннельная микроскопия СЭМ - сканирующая электронная микроскопия ФИП - фокусированный ионный пучок ЭДС - электродвижущая сила С - углерод Оа - галлий ОаАэ - арсенид галлия Мо - молибден Р1 - платина - кремний 8102 - диоксид кремния \У - вольфрам А - площадь

е - элементарный электрический заряд Е - энергия

Еа - энергия активации

Еа - ширина запрещенной зоны

Ер- энергия Ферми

&о - диэлектрическая постоянная

е - относительная диэлектрическая проницаемость

к - постоянная Планка

к - приведенная постоянная Планка

I— сила тока

к- постоянная Больцмана Ь - длина

т* - эффективная масса электрона Ы- концентрация электронов Я - электрическое сопротивление р - удельное сопротивление Т- температура т - время V- напряжение

Оглавление.

Список сокращений..............................................................................................2

Введение..................................................................................................................6

Глава 1. Литературный обзор...........................................................................16

1.1 Одномерные и двумерные микро- и наноструктуры.....................................................16

1.2 Методы формирования вискерных наноструктур..........................................................23

1.3 Туннельный ток и локальная плотность состояний.......................................................34

1.4 Механические свойства одномерных систем.................................................................38

1.5 Зонды для сканирующей зондовой микроскопии, спектроскопии и зондовой литографии...............................................................................................................................40

1.6 Интеграция микро- и наноструктур в микрофлюидные чипы......................................44

Глава 2. Формирование микро- и наноструктур..........................................47

2.1 Формирование полупроводниковых нановискеров и структур на их основе.............47

2.2 Фокусированный электронный пучок. Формирование углеродных нановискеров и структур на их основе.............................................................................................................50

2.3 Модель роста углеродных нановискеров........................................................................57

2.4 Формирование металлорганических нановискеров и структур на их основе.............66

2.5 Формирование упорядоченного массива нановискеров. Электронная литография. ..69 2.6. Формирование микро- и наноструктур фокусированным ионным пучком...............71

Глава 3. Исследование свойств вискерных наноструктур.........................74

3.1 Электронные свойства ОаАэ нановискеров....................................................................74

3.2 Особенности вольт-амперных характеристик наноструктур в форме замкнутых наноколец.................................................................................................................................79

3.3 Механические характеристики одиночных нановискеров............................................82

3.4 Оптический плазмонный резонанс на упорядоченном массиве металлических нановискеров............................................................................................................................85

Глава 4. Применение вискерных микро- и наноструктур для систем диагностики..........................................................................................................88

4.1 Одиночные нановискеры. Модификация СЗМ зондов..................................................88

4.2 Микро- и наноструктуры на основе нановискеров. Модификация СЗМ зондов........92

4.3 Одиночные углеродные нанолезвия. Модификация СЗМ зондов................................93

4.4 Микро- и наноструктуры на основе замкнутого кольца. Модификация МСМ зондов.

...................................................................................................................................................96

4.5 Одиночные нановискеры. Модификация СБОМ зондов.............................................100

4.6 Оптический плазмонный резонанс на упорядоченном массиве металлорганических нановискеров..........................................................................................................................103

4.7 Массив наноструктур. Наноканалы в микрофлюидном чипе.....................................107

Заключение.........................................................................................................109

Список литературы..........................................................................................111

Введение.

Во-первых, нановискеры, наностержни и нанотрубки могут выступать в качестве базы для формирования новых микро- и наноустройств. Механические, электронные и оптические свойства таких объектов значительно отличаются от свойств трехмерных материалов [3].

В-третьих, локализация одиночного полупроводникового нановискера на вершине металлического острия создает условие к исследованию его электронных, механических и оптических характеристик методами сканирующей туннельной, силовой и ближнепольной микроскопий.

Задачами работы являются

• Развитие методов формирования СтаАз, С наноструктур, металлорганических Р1 и

соединений, состоящих из нановискеров и выращенных на вершинах и острий с радиусом кривизны, сравнимым с радиусом нановискера.

• Локализация одиночного полупроводникового ваАэ нановискера на вершине острия и измерение ширины запрещенной зоны нановискера методом упругой туннельной спектроскопии.

• Исследование механической устойчивости нановискера, локализованного на вершине острия, и исследование пространственного разрешения СЗМ зондов с нановискерами на вершине.

• Создание упорядоченной матрицы из нановискеров и исследование ее оптических свойств.

Структура диссертации. Диссертация содержит введение, четыре главы, заключение и список литературы.

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, показана ее научная новизна, сформулированы цели и задачи работы, изложены выносимые на защиту положения.

Рассматривается теория роста полупроводниковых нановискеров (нитевидных нанокристаллов) и методы формирования аморфных нановискеров. В частности, описывается методика роста полупроводниковых нановискеров на активированных поверхностях с использованием металлического катализатора, а также автокаталитические режимы роста [2]. Особое внимание уделено формированию аморфных нановискеров и наноструктур на их основе под действием фокусированного электронного или ионного пучков в атмосфере газов-прекурсоров [6].

Обсуждаются механические, электронные и оптические свойства нановискеров и их отличие от свойств трехмерных материалов. Приведены методы исследования свойств и полученные экспериментальные данные [7-8].

С помощью методов молекулярно-пучковой эпитаксии и фокусированного ионного пучка одиночные ОаАв нановискеры и структуры на их основе локализованы на выпуклой поверхности с радиусом закругления сравнимым с радиусом нановискера. Экспериментально показано, что данный подход обеспечивает формирования как каталитическим, так и автокаталитическим методами одиночных нановискеров на вершине электрохимически заостренных острий, при этом радиус кривизны подложки (острия) может составлять сотни нанометров.

Далее приведен теоретический анализ модели роста двумерных углеродных наноструктур (наноскальпелей) под действием фокусированного электронного пучка. Данная модель учитывает влияние электрического поля пучка на кинетику ионов углерода, формирующих наноструктуру. С помощью стационарного уравнения Власова был определен поток ионов углерода в область формирования наноскальпеля, а с помощью методов моделирования был визуализирован процесс формирования структуры.

создавать нановискеры с заданными геометрическими размерами, а также более сложные двумерные и трехмерные каркасные наноструктуры, ребрами которых являются нановискеры. В частности, данный подход позволяет локализовывать одиночные нановискеры или нанокольца на вершине острий СЗМ.

В завершении второй главы описывается метод формирования упорядоченного массива металлорганических Р1 нановискеров. Данный массив, в случае его интеграции в канал микрофлюидного чипа, выступает в качестве селективного элемента для микро- и нанобиообъектов, а также одновременно выполняет функции оптического детектора на основе поверхностного плазмонного резонанса. В этой главе также представлены образцы микрофлюидных чипов, в рабочих каналах которых с помощью технологии фокусированного ионного пучка сформированы микро- и наноловушки, обеспечивающие фиксацию нанобиообъекта на время, необходимое для проведения дальнейшего анализа.

С помощью метода сверхвысоковакуумной упругой туннельной спектроскопии определены электронные характеристики одиночных ОаАэ нановискеров, сформированных методом молекулярно-пучковой эпитаксии. Массив СтаАй нановискеров выращивался на острие электрохимически заостренной вольфрамовой иглы СТМ. Анализ зависимости с11/с1У(У) показывает, что ширина запрещенной зоны ОаА8 нановискера составляет —1,5 эВ, потолок валентной зоны лежит ниже уровня Ферми на 0,55 эВ, а дно зоны проводимости - выше уровня Ферми на 0,95 эВ. Таким образом, ваАэ нановискер имеет слабый р - тип проводимости.

В завершении данной главы проанализированы оптические свойства одиночного металл органического нановискера и массива нановискеров. Проведены теоретические

оценки, которые показывают, что в случае применения металлорганических наноструктур в системе возникает поверхностный плазмонный резонанс, характеризующийся высокой чувствительностью к свойствам поверхности и окружающей среды.

Используя зонд на основе двумерной наноструктуры в виде двух ортогонально расположенных нановискеров, выращенных на вершине кантилевера или электрохимически заостренной вольфрамовой иглы, можно визуализировать как дно глубокого микроканала, так и боковую поверхность его стенки в одном эксперименте.

В этой главе также приведены результаты применения зондов-наноскальпелей на основе углеродных лезвий для локальной модификации поверхностей образцов. За счет осевой несимметричности формы данные структуры более устойчивы к продольным механическим нагрузкам по сравнению с нановискерами, что является принципиальным для зондовой литографии. Представлены результаты экспериментов по формированию глубоких, узких микроканалов в режиме силовой литографии с помощью зондов-наноскальпелей.

Также в данной главе предложен зонд с проводящей нанопетлей, сформированной на вершине кантилевера, представляющий интерес при локальных исследованиях магнитных свойств образцов. Показано, что при колебаниях такого зонда в неоднородном магнитном поле в проводящем нанокольце будет возникать электродвижущая сила (ЭДС), приводящая к появлению токов в кольце и соответствующей потере энергии, что должно влиять на фазу колебаний кантилевера в режиме магнитной силовой микроскопии (МСМ).

Далее в четвертой главе представлен вариант ближнепольного апертурного зонда с диаметром апертуры порядка 50 нм, модифицированного одиночным металл органическим нановискером. Локализация нановискера на краю апертуры обеспечивает высокое пространственное разрешение при сканировании рельефа поверхности в силовом режиме, а также увеличение чувствител