Электрофизические свойства металлических нанопроводов, полученных методом селективного изменения атомного состава тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

КУТУЗОВ Леонид Вячеславович

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПРОВОДОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ИЗМЕНЕНИЯ АТОМНОГО СОСТАВА

Специальность 01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

г I ФЕВ 2013

005049844

Москва — 2012

005049844

Работа выполнена в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт»

Научный руководитель: Приходько Кирилл Евгеньевич

кандидат физико-математических наук начальник лаборатории ЛСМИМ ИРМТ НИЦ «Курчатовский институт»

Официальные оппоненты: Каретников Максим Донатович,

доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник ИОЯФ НИЦ «Курчатовский Институт»

Агеев Валерий Семенович кандидат технических наук заместитель начальника отдела ОАО ВНИИНМ имени академика A.A. Бочвара

Ведущая организация: НИЯУ МИФИ

Защита диссертации состоится «_»_2013 г. в_ч._мин. на

заседании диссертационного совета Д 520.009.06 в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» по адресу: 123182, г. Москва, пл. Курчатова, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИЦ «Курчатовский институт

Автореферат разослан «_»

2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Доктор технических наук, профессор

В.Г. Мадеев

►БЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ актуальность работы

Актуальность темы диссертации обусловлена большим интересом к азработке способов изготовления и исследованию электрофизических арактеристик нанопроводов.

Нанопровода представляют собой широкий класс одномерных наноструктур, ерспективных для самых разных нанотехнологических применений, главным бразом, для будущей наноэлектроники. Их характеристики легко контролируемы же на этапе создания и сопоставимы с параметрами массивных материала ¡ачастую превосходя их). Именно управляемость параметров и хорошая временная габильность являются их главными преимуществами. Указанные преимущества ают возможность рационально осуществлять различные стратегии интеграции цементов. В частности, уже были изготовлены наноразмерные полевые ранзисторы, а также реальные приборы на их основе - сверхчувствительные азовые и биологические сенсоры. Их высокая чувствительность обусловлена громным отношением поверхности нанопровода к объему по сравнению с ланарными структурами. Связывание химической или биологической молекулы на оверхности нанопровода приводит к изменению концентрации носителей во всем ечении нанопровода, тогда как в планарной структуре это изменение происходит олько в приповерхностном слое.

Одним из перспективных материалов для создания и исследования свойств анопроводов является висмут. На его основе возможно создание сенсоров и азличных термоэлектрических устройств. Висмут отличается от других металлов амой низкой теплопроводностью, малой эффективной массой и большой длиной вободного пробега носителей, что в области наноразмеров предвещает скорое роявление квантовых эффектов. Висмутовые нанопровода изготавливают радиционными методами электроники с использованием электронной литографии, [роблема состоит в том, что из-за низкой точки плавления висмута и его имической нестабильности тонкие висмутовые провода получаются очень рупкими. К тому же, они чрезвычайно чувствительны к статическим лектрическим зарядам и окислению, что приводит к очень низкому выходу годных роводов. Разработка эффективного метода создания висмутовых нанопроводов в амках имеющихся МОП и КМОП-технологии позволит практически реализовать се их достоинства.

1ель работы

Целью работы являлись разработка методики создания металлических анопроводов одним из методов селективного изменения атомного состава — елективным удалением атомов (СУА) под действием протонного облучения и юлучение новых знаний о служебных свойствах металлических нанопроводов: труктуре, геометрических параметрах и электрических свойствах. Для достижения вставленной цели были сформулированы следующие задачи:

исследовать дозовые зависимости электрического сопротивления пленок [сходного материала при облучении протонами различных энергий и таким образом

выявить оптимальные параметры облучения для конкретных толщин исходны пленок;

• разработать шаблоны, на основе которых методом электронной литографи создать защитные маски требуемой геометрии и оптимальной толщины, способно обеспечить точность передачи рисунка при сохранении ее защитных свойств по действием ионного пучка;

• создать образцы наноструктур двух видов (из одиночных нанопроводов и па параллельных близкорасположенных нанопроводов) путем облучения протонами;

• изучить методом просвечивающей электронной микроскопии структур нанопровода и профиль защитной маски;

• разработать методику измерений, а также выполнить измерени электрических свойств полученных наноструктур: электросопротивлени нанопроводов, токов утечки через подложку и через тонкий слой диэлектрик, разделяющий пары нанопроводов;

Объект и предмет исследования

Объектами исследования были пленки оксида висмута до и после процесс протонного облучения, а также образцы висмутовых нанопроводов, полученные и оксида под действием протонного облучения.

Предметом исследования являлись структурные и электрические свойств пленок и сформированных наноструктур.

Научная новизна

• Методом селективного удаления атомов впервые получены одиночны металлические нанопровода и структуры из пар нанопроводов в диэлектрическо: матрице.

• Определены основные требования к подложке, напыляемым слоям исходног оксида и параметрам литографической маски, обеспечивающим получени требуемых характеристик металлических нанопроводов.

• Методами растровой и просвечивающей электронной микроскопи исследованы геометрические и структурные параметры металлически нанопроводов.

• Разработана методика и впервые измерены электрические сопротивлени созданных методом СУА наноструктур и токи утечки через слой разделяющег диэлектрика в парах проводов.

• Впервые созданы параллельные металлические нанопровода на расстояни менее 50 нм друг от друга.

• Проведено компьютерное моделирование процесса формировани нанопроводов в оксиде под действием протонного облучения.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в развитии метода селективного 'даления атомов под действием протонного облучения применительно к созданию 1еталлических нанопроводов:

Созданы серии образцов с различными геометрическими параметрами и •пределены их размеры, а также предельное расстояние между проводами в паре ери заданной энергии пучка.

Измерены электрические сопротивления созданных металлических [анопроводов из висмута и токи утечки через слой разделяющего диэлектрика в [арах проводов.

> Проведено исследование процесса эволюции во времени данных [анопроводов и доказана их лучшая временная стабильность по сравнению с шалогами.

> Выполнено компьютерное моделирование процесса формирования [анопроводов под действием протонного облучения и экспериментально юдтверждено, что модель применима для расчета профиля нанопроводов, юлученных этим методом.

> Показано что метод СУА является перспективным для создания сенсоров )азличного типа, а также элементов электронной техники.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов

Полученные в диссертационной работе научные результаты обоснованы юлыиой базой проведенных исследований на высокоточном оборудовании и ^пользованием апробированных методик измерения, а также подтверждены юспроизводимостью параметров и соответствием полученных расчетных и 1кспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту

> Экспериментальное подтверждение возможности изготовления висмутовых тнопроводов в матрице собственного оксида путем модификации атомного состава материала под действием протонного облучения.

> Результаты структурных исследований и измерений электрических свойств металлических наноструктур в диэлектрической матрице.

> Компьютерная модель процесса образования нанопроводов методом СУА. 1ичный вклад автора

• Выполнил работу по выбору параметров протонного облучения исходной пленки оксида висмута для создания наноструктур.

• Отработал технологию создания и изготовил электронно-литографические маски для получения нанопроводов с заданными геометрическими размерами путем последующего облучения через эту маску.

• Участвовал в проведении экспериментальных работ: подготовке образцов, процедуре облучения ускоренными частицами и измерении электрических свойств полученных образцов наноструктур.

• Провел анализ и обобщение результатов измерений.

• Выполнил компьютерное моделирование процесса селективного удалени атомов и осуществлено сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные результаты опубликованы в 3 статьях в ведущих рецензируемы изданиях, рекомендованных в действующем перечне ВАК. Материал] докладывались на 8 международных и всероссийских конференциях.

Публикации

Список основных публикаций приведен в конце автореферата. Структура и объем работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирован: цель работы и решаемые задачи, научная новизна и практическая значимостг изложены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава «Основные методы получения и применени нанопроводов» посвящена рассмотрению существующих методик создани металлических и полупроводниковых нанопроводов. Проведенный анали литературных данных показал, что существующими методами возможно получени различных видов нанопроводов, отличающихся формой, структурой и составог» Рассмотрены особенности и ограничения, присущие основным методам. Показан) способы применения металлических и полупроводниковых нанопроводов на основ ряда материалов.

Далее рассмотрен примененный в данной работе метод селективного удалени атомов (СУА) кислорода из оксида металла под действием ионного облученш являющегося одним из методов селективного изменения атомного состав; Показано, что метод СУА является наиболее перспективным для создани металлических нанопроводов в диэлектрической матрице как функциональны элементов наноустройств. На основе проведенного анализа и литературных данны установлено, что оксид висмута является наилучшим материалом для создани металлических нанопроводов методом СУА по причине большого удельног электрического сопротивления исходной пленки оксида и сравнительно малой доз] облучения до полного восстановления металла.

Вторая глава «Создание нанопроводов под действием протонног облучения» включает в себя методику создания висмутовых нанопроводов н основе оригинального метода СУА и результаты структурных исследовани исходных пленок.

На рисунке 1 представлена схема изготовления висмутовых нанопроводов матрице собственного оксида путем протонного облучения через маску заданно геометрии. Показаны этапы процесса восстановления оксида висмута до чистог металлического висмута.

О Атомы металла • Атомы кислорода

Пленка оксида металла

If/ }•( W( Дч Ж

>^«о® f w ^СЮ'СЖЖ Жч ✓^С^ОД^ у,? ^ ®

4Ü«OK /S'v К. Д-С. V ;v jt® V

J^iJÄ.C JyK J?0® ^ JäOSC )fO*.!

•!•• )«; J? О®-

Протонное

облучение н+ н+ IT

г:.....:";.. г ■■

mi je( }'»( )•

&{ ^-¿vСil®,0 ®СКС 'ДО

}•{*"!)•( )©( Jel l®C

•(

,!®i )gf '©( )®V )®i. N;®'" }©(. '}®iv j«; jfj, ;«"'

®i ,t®; :«' je». ;«( ;•! ®OfC -'®ч 3®' )

"";V;' Tel." Г®С'"'®0®0®Т ^ )®(~J®i j®T )®: f®v.'

Атомы кислорода полностью удалены

! ; ;©' о & I®;' © в а.

ЖЭЖЖОЖ^О!: Ж'ЖСФС Ж ЗСЖ

(. )®С -С''■'•• ^ % f\

•с j»(j>®()«(С

®(' '¡®t )®( ji

•• '¡®i_ j®i J?®.' " >.--f V > ^ .i®;^'®'^___

O®' ^rW'^f Я®Г ;

®Г j®:' W )«?;J®(

Рисунок 1 — Принципиальная схема процесса селективного удаления атомов

кислорода из оксида

На первом этапе исследовались пленки оксида висмута - исходного материала тля создания висмутовых нанопроводов. К пленкам оксида висмута предъявлялись следующие требования: сплошность, однородность по толщине и соответствие отехиометрическому составу ВЮ2.

Пленки были изготовлены методом катодного распыления висмута смесью криптона и кислорода при комнатной температуре. При напылении использовались подложки из монокристаллического кремния ориентации (100) со слоем аморфного гермического оксида (толщина Si02 200 нм), а также монокристаллической каменной соли, покрытой слоем аморфного оксида кремния толщиной 10 нм. Солевые подложки использовались для возможности проведения микроструктурных исследований методами просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) с помощью прибора Titan 80-300 (FEI, США). Для предотвращения окисления восстановленных пленок оксида висмута на некоторые образцы дополнительно наносился слой аморфного оксида кремния толщиной 10 нм, который препятствовал окислению висмута после восстановления и при этом позволял проводить процесс преобразования свойств под действием облучения.

Было установлено отсутствие дальнего порядка в расположении атомов в исходном оксиде висмута, что указывает на аморфную структуру осажденной пленки. Это следует из отсутствия кристаллических линий и рефлексов на картин электронной микродифракции слоя ВЮ2 (рисунок 2). На рисунке видны несколько сильно размытых сплошных линий и кольца диффузных гало. Слабая поликристаллическая линия между первым и вторым гало на рисунке 2 обусловлен; ! началом кристаллизации аморфного оксида непосредственно в момент съемки.

Рисунок 2 - Изображение электронной микродифракции слоя ВЮ2

Аморфная структура оксида висмута не является стабильной к воздействии электронного облучения. На это указывает достаточно быстрая кристаллизацил аморфного оксида под воздействием электронного пучка с энергией 120 кэВ. Электронное облучение инициирует образование крупных кристаллических зерег оксида (рисунок За), обладающих поликристаллической дифракцией (рисунок 36} Расшифровка дифракционной картины на рисунке 36 показала, что образующийс: оксид висмута ВЮ2 характеризуется кубической кристаллической решеткой с параметром а=0.5539 нм.

Рисунок 3 (а, б) - Микроструктура (а) и микродифракция (б) от кристаллов оксида висмута после быстрой кристаллизации аморфной пленки под действием облучения

электронами с энергией 120 кэВ

Проведенные ПЭМ исследования показали, что после осуществления протонного облучения микроструктура материала кардинальным образом меняется.

На рисунке 4(а) показано типичное светлопольное изображение модифицированной пленки после проведения облучения. Как видно из рисунка 4(а), пленка восстановленного висмута является сплошной и содержит как подсистему с большим (-100 нм), так и подсистему с малым (-10-70 нм) размерами зерен. На рисунке 4(6) представлена картина микродифракции от восстановленной пленки.

Рисунок 4 (а, б) - Микроструктура (а) и микродифракция (б) от пленки висмута, восстановленной в результате проведения процесса СУА под действием облучения

В результате проведенных исследовании картины электронной микродифракции облученной пленки (рисунок 4(6)) было показано, что образец представляет собой чистый металлический висмут.

С целью получения нанопроводов с наилучшими электрическими свойствами , >ыла проведена работа по определению толщины пленки исходного оксида, а также энергии облучения и оптимальной дозы, обеспечивающей полное восстановление металла из оксида висмута данной толщины. Для пленок исходного оксида толщиной 10 нм и 24 нм оптимальная энергия облучения составила 200 эВ и 400 эВ соответственно. Доза облучения пленок обеих толщин, необходимая для полного восстановления висмута из оксида, составила — 1 х 1018 ион/см2.

Для создания наноструктур методом электронной литографии были изготовлены резистные маски с заданным рисунком, при этом в качестве резиста был использован полиметилметакрилат (ПММА). Экспонирование масок для образцов наноструктур проводилось на сканирующем электронном микроскопе Supra 40 VP (Carl Zeiss, Германия), оборудованном литографической приставкой Elphy Plus (Raith, Германия).

К резистной маске предъявлялись следующие требования: точность геометрии рисунка, экранирование находящегося под маской исходного оксида от протонного облучения с заданными энергиями. Были определены оптимальные толщины резиста, составившие 90 нм и 160 нм для структур в слое исходного оксида толщиной 10 нм и 24 нм соответственно.

В результате были изготовлены несколько серий одиночных и парны: наноструктур, отличающихся геометрическими размерами висмутовы: нанопроводов и расстояниями между парными проводами. Протонное облучени образцов проводилось на установке Copra Cube (CCR Technology, Германия) высокочастотным ионным источником.

Третья глава «Исследование структурных и электрофизически: параметров нанопроводов» содержит подробное описание структурногг состояния, а также методики и результаты электрических измерений параметров каг самих висмутовых нанопроводов, так и диэлектрической матрицы (исходноп оксида), совокупность которых определяет служебные характеристик!" наноструктур.

Структурные исследования

Для определения химического состава изготовленных наноструктур быт: проведены исследования методом рентгеновской фотоэлектронной спектроскопи] на спектрометре Quantera SXM (PHI, Япония). В полученных спектрах (рисунок 5 хорошо видно присутствие линий висмута, соответствующих материал; нанопроводов в матрице оксида висмута.

Энергия связи, эВ

Рисунок 5 - Рентгеновский фотоэлектронный спектр линии В141-элсктропов поверхности наноструктуры из висмутовых нанопроводов

Структурные характеристики созданных образцов наноструктур из одиночны: и парных нанопроводов были исследованы посредством анализа изображений полученных на растровом электронном микроскопе. Определение геометрически: параметров изучаемых объектов осуществлялось с использование! соответствующих встроенных функций программного пакета БтайБЕМ поставляемого фирмой - производителем электронного микроскопа. Информация с структурных характеристиках образцов использовалась при анализе результата измерения их электрофизических свойств.

Проводились измерения следующих основных геометрических характеристик:

• длина нанопроводов

• ширина нанопроводов

• расстояние между параллельными нанопроводами

Измерения проводились с использованием растровых электронно-микроскопических (РЭМ) изображений во вторичных электронах. Для измерений использовались изображения, полученные при увеличениях 50 ООО - 60 ООО раз рисунок 6). На изготовленных структурах ширина нанопровода составила от 70 до '.00 нм, при длине от 600 до 1900 нм. В наноструктурах из пар проводов расстояние 1сжду ними варьировалось от 40 до 100 нм.

Рисунок 6(а, б) — Изображение наноструктур из висмутовых нанопроводов: а — одиночные нанопровода, б - парные нанопровода

Форма и размеры висмутового нанопровода, создаваемого под действием протонного облучения, определяются формой и профилем отверстия в резистной маске. Профиль окна по глубине зависит от режима экспонирования резиста электронным лучом (а именно - от энергии электронов, тока зонда, метода рисования и т.д.), а также от толщины резиста. Исследования профиля резистной маски, структуры оксида и самого нанопровода проводились методами ПЭМ. Для этого методом сфокусированного ионного пучка (FIB) на микроскопе Helios NanoLab 650 (FEI, США) были изготовлены поперечные срезы наноструктур.

На рисунке 7 приведено изображение поперечного среза парных нанопроводов, полученное в просвечивающем электронном микроскопе. На рисунке 7.1 верхние слои представляют собой пленки вспомогательных материалов, нанесенных в целях получения качественного поперечного сечения структуры. На рисунке 7.2 виден профиль маски ПММА и окон в ней, в которых находятся нанопровода. На рисунке 7.3 видна граница оксид-металл и структура нанопровода. Как видно из рисунка 7.2, восстановленный висмут является поликристаллическим, в то время как исходный оксид находится в аморфном состоянии (см. рисунок 7.1).

1 '

2

Рисунок 7 - Поперечный срез структуры нанопроводов: темнопольное ПРЭМ изображение пары нанопроводов (1), светлопольные ПЭМ изображения одного из пары проводов (2) и участка с границей перехода висмут-оксид висмута (3)

Таким образом, изображения на рисунках 5-7 свидетельствует о том, что методом СУА в диэлектрической матрице из оксида висмута облучением черс литографическую маску получены металлические висмутовые нанопровода, полностью окруженные собственным оксидом, размеры которых соответствуют отверстиям в маске. При этом исходный слой оксида, находящийся под маской, не претерпевает изменений в процессе облучения.

Одним из основных требований к технологии изготовления наноструктур является требование совместимости с традиционной кремниевой технологией. В частности, важно не только создать нанопровод, но и изготовить межэлементньк соединения и выводные контакты достаточной длины методами электронно]" литографии и селективного удаления атомов. Кроме того, необходимо соединит] все эти элементы с макроскопическими контактами, изготовленными п< стандартной технологии фотолитографии. При этом применяемые в методе СУА технологические приемы не должны нарушать электрической изоляции нанопровода. Данная технология может быть успешно применена и для подложек большего размера.

Электрофизические исследования

Важным требованием для применимости созданных наноструктур является низкая утечка заряда через подложку и через диэлектрик (оксид висмута), разделяющий нанопровода. Это дает возможность определить работоспособность наноструктур после проведения облучения. Полученные значения утечек через подложку составили более 10й Ом. Это означает, что диэлектрические свойства материала подложки не претерпели существенного изменения под действием протонного облучения. Сопротивление утечки через оксид висмута в паре параллельных нанопроводов составило более 109 Ом. Оценка электросопротивления такого барьера с учетом удельной электропроводности оксида висмута 107 Ом-см дает оценку минимальной величины сопротивления разделяющего слоя оксида более (5—7)-Ю10 Ом, что свидетельствует о сохранении диэлектрических свойств исходного оксида.

Основной канал утечки в большинстве случаев - это не протекание заряда через весь объем изучаемого слоя, а утечка через нарушения структуры барьера. Таким нарушением может быть локальное сужение барьера, электрический необратимый пробой и увеличенная поверхностная проводимость оксида висмута. При уменьшении длины пары нанопроводов существенно падает вероятность возникновения дефектов изоляции в барьере между ними. Измеренные значения утечки позволяют говорить о возможности создания рабочих элементов наноструктур на расстоянии до 40 нм друг от друга.

Исследование проводились на установке, основу которой составляла система измерения электрофизических свойств 4200-SCS (Keithley Instruments Inc, США). Важным условием являлось обеспечение защиты наноструктур от перегораний вследствие превышения допустимых токов и напряжений.

Измерение удельного элетросопротивления восстановленных пленок оксида висмута толщиной 20 нм составило порядка 700 мкОм-см.

Для исключения вклада контактов при измерении электрического сопротивления одиночных нанопроводов применялся четырехзондовый метод измерения. Удельное электросопротивление полученных висмутовых нанопроводов, с сечением 1600^-3600 нм2 составляет 800^1500 мкОм-см, что близко к значениям, полученных при измерении пленок оксида висмута восстановленных под облучением протонами соответствующих энергий. Кроме того, эти значения соответствуют характерным значениям для висмутовых нанопроводов близкого сечения, описанных в литературе.

Также методом СУА были получены висмутовые нанопровода со значительно меньшим удельным электросопротивлением (480 ± 150 мкОм-см), при этом их толщина составляла 8 нм, а сечение 560 -=- 800 нм2. Такое низкое значение удельного электросопротивления, по-видимому, связано с более совершенной кристаллической структурой данных нанопроводов, что подтверждается РЭМ исследованиями.

Использованная технология СУА позволяет создавать сами нанопровода, а также выводные контакты для подключения их к измерительному оборудованию в едином процессе. Установлено, что величина контактного сопротивления составляет в среднем менее 20 кОм. Исходя из геометрических параметров схемы, оценка

значения сопротивления подводящих проводов из восстановленного висмута, созданных в тех же условиях, должна была составлять от 1.5 Яо до 2.5 Яо, что согласуется с экспериментально полученными данными. Таким образом, данный эксперимент подтвердил, что подводящие контакты наноструктуры с одиночным проводом также изготовлены из металлического висмута.

Электрические измерения наноструктур парных нанопроводов проводили с использованием двухконтактного метода. Суммарное сопротивление цепи измерения нанопровода при двухконтактном способе соответствовало значениям, полученных при измерениях одиночных проводов без учета контактного сопротивления. Это свидетельствует о том, что материалом парных нанопроводов также является металлический висмут, восстановленный из оксида висмута.

Проведенные электрофизические измерения позволили выявить зависимость электропроводности от геометрических размеров нанопровода. Установлено, что сопротивление нанопровода линейно зависит от его длины и при данных геометрических размерах удовлетворяет закону Ома (рисунок 8).

6000

2 5000 О

§ 4000

х ®

| 3000 о

с 2000

о О

1000 о

0 200 400 600 800 1000 1200 Номинальная длина, нм

Рисунок 8 — Зависимость сопротивления сегментов нанопровода толщиной 20 нм от номинальной длины для двух образцов наноструктур шириной 140 ± 20 нм

Временная стабильность характеристик

В работе был исследован уровень деградации электрического сопротивления незащищенных висмутовых нанопроводов различного сечения от времени при выдержке их на воздухе. Для этого с различной периодичностью в течение 24 суток проводились повторные измерения электрического сопротивления элементов наноструктур, результаты которых сравнивались с данными, полученными через 1-3 часа сразу после процесса облучения. Было установлено, что проводимость висмутовых элементов уменьшается со временем практически линейно со скоростью не более 2% в сутки, что существенно медленнее, чем в ранее опубликованных работах (~1% в час). При этом было установлено, что нанопровода наименьшего сечения показывали большую временную стабильность.

Следует отметить, что в будущем при изготовлении функциональных устройств предполагается использовать стандартные процедуры пассивации для защиты нанопроводов от окисления.

Четвертая глава «Расчет профиля нанопроводов, полученных методом СУА» содержит результаты компьютерного моделирования процесса создания нанопроводов из собственного оксида под действием протонного облучения.

Принципиальным моментом в исследовании структуры и свойств нанопроводов, создаваемых методом СУА, является определение профиля сечения нанопровода. Изготовление и анализ срезов является довольно долгой и трудоемкой задачей. Однако определение профиля сечения нанопровода необходимо, поскольку именно он определяет удельное сопротивление структур и максимальную плотность расположения элементов без возникновения утечек и замыканий. Поэтому для получения профиля нанопровода в данной работе была дополнительно разработана компьютерная модель создаваемой структуры, и с помощью расчетных данных оценивали влияние различных факторов на процесс формирования наноструктур и величину получаемых электрических параметров.

Приближения, используемые при моделировании:

• Профиль сечения рассчитывается исходя из плотности созданных вакансий, т.к. возникновение вакансии означает передачу энергии атому, достаточную для его смещения, что необходимо для протекания процесса СУА.

• Восстановление оксида происходит равномерно от поверхности вглубь материала. Удаление атомов кислорода из объема облучаемого слоя осуществляется с образованием летучих соединений кислорода после выхода выбитых атомов на стоки, основным из которых является поверхность пленки.

• Маска имеет идеальный профиль и не претерпевает никаких изменений.

• Граница металл-оксид в процессе облучения остается резкой.

• Распыление пленки не учитывается, т.к. времена облучения достаточно малы, а протоны характеризуются минимальной способностью к распылению материала по сравнению с другими ионами. Расчетный коэффициент распыления при энергии 1 кэВ настолько мал, что за время протонного облучения не происходит сколь либо значимого распыления поверхности восстановленного металла.

Особенности применяемой компьютерной модели:

• Введена поправка на уменьшение общей толщины пленки, вызванной изменением содержания кислорода в слое оксида и последующей усадкой.

• Учтено изменение локальной плотности дефектов в процессе восстановления, что вызвано потерей частицами своей энергии в слое металла. Образовавшийся металл выступает в роли защитной маски.

• Модель применима для различных энергий пучка, толщин и материалов, используемых в рамках данной ионно-пучковой технологии.

Расчет взаимодействия протонного пучка со структурой

Расчет взаимодействия проводится с использованием пакета Б ИМ. Данный программный пакет основан на алгоритме метода Монте-Карло, т.е. последовательном расчете взаимодействия отдельно взятого иона с веществом в

приближении парных столкновений. При этом учитываются энергетические потери ускоренных ионов при прохождении через материал с образованием фононов и потери на ионизацию атомов. Качество получаемого распределения напрямую зависит от количества ионов, участвующих в процессе. При моделировании их число должно быть достаточно большим для набора статистики.

В данном случае каждый расчет процесса облучения проводился с использованием 10 миллионов событий «вбрасывания» протона и записью детальной статистики взаимодействий для каждого иона. Для учета эффектов, связанных с изменением состава и толщины пленки, моделирование процесса восстановления металла из оксида под действием протонного облучения разделено на несколько стадий:

• Моделируется процесс облучения протонами двухслойной структуры, состоящей из исходного ВЮ2 и подложки - 8Ю2. Экспериментально установлено, что в результате воздействия протонного пучка первоначально аморфный слой оксида ВЮг (см. рисунок 2) полностью превращается в оксид В120з, представляющий собой поликристалл, учитывается усадка исходной пленки оксида (коэффициент усадки 0.971).

• Происходит расчет воздействия протонов той же энергии на двухслойную структуру, состоящую из В12Оз (получившегося из пленки ВЮг) и 8Ю2.

• После модификации оксида образуется уже трехслойная структура, состоящая из слоя восстановленного металлического висмута, его оксида и подложки. Усадка В1203 по отношению к чистому металлу составляет 0.857.

• Проводится серия моделирований для трехслойных структур ВьВЮг-БЮг с последовательным увеличением слоя В1 после каждой стадии облучения, пока величина слоя В120з не становится равной нулю, что означает достижение полного восстановления оксида висмута до чистого металла.

Расчет локальной плотности вакансий

В выходных файлах БШМ содержится массив данных, включающий в себя координаты созданных каждым ионом вакансий. Для проведения дальнейших расчетов была написана программа, задача которой заключалась в анализе выходных файлов и отборе событий, приведших к образованию вакансий, а также фиксировании их местонахождения. На основе этих данных производился расчет плотности созданных вакансий в конкретной единице объема.

На рисунках 9-11 приведены сечения относительной плотности дефектов на различных стадиях облучения материала по данным компьютерного моделирования. Относительная плотность вакансий на рисунках 9-11 нормирована на максимальную плотность вакансий рисунка 9 и изменяется в зависимости от стадии облучения более чем на два порядка. Это связано с увеличением толщины слоя восстановленного металла, препятствующего дальнейшему воздействию ионов на расположенный ниже оксид. Каждому этапу облучения соответствует свой массив данных, который используется для построения профиля распределения плотности вакансий в пленке конкретной трехслойной системы. Полученные зависимости необходимы для расчета распределения плотности дефектов в структуре с маской.

о о о см ю

0) т- т-

1 .ООЕО

0.38Е0

0.25Е0

0.13Е0

О.ЮЕО

Рисунок 9 - Относительная плотность вакансий, созданных протоном с энергией 400 эВ в пленке 233А В12Оз Радиус, А

1.00Е0

0.86Е0

0.71 Е0

0.57Е0

0.43Е0

0.29Е0

0.14Е0

0.68Е-1

Рисунок 10 - Относительная плотность вакансий, созданных протоном с энергией 400 эВ в структуре 90 А Й1, 128 А В1203

0.28Е-2

0.18Е-2

0.68Е-3

Рисунок 11 - Относительная плотность вакансий, созданных протоном с энергией 400 эВ в структуре 140 А В1, 70 А ВъОз

Расчет профиля сечения нанопровода

Для расчета профиля сечения нанопровода была написана программа, при помощи которой производится расчет профиля сечения нанопровода. Задаются геометрические размеры и расположение окон в маске, после чего программа делит открытые участки образца на ячейки с равным шагом и на основе данных по плотности дефектов производит «вбрасывание» протонов в каждой ячейке. Результирующая плотность вакансий для конкретной области материала является суперпозицией распределений плотностей вакансий, образовавшихся в результате попадания протонов во все ячейки, соответствующие открытым участкам в маске. Исходя из последовательности протекания процесса восстановления металла, производится суммирование плотностей вакансий на каждой стадии восстановления, и строится профиль сечения соответствующего нанопровода, полученного под действием протонного облучения через маску.

Экспериментальные измерения показали, что при уменьшении дозы облучения ВЮ2 в 100 раз относительно ее оптимальной величины, изменения сопротивления облученного оксида не зафиксировано. Поэтому грубым критерием выбора границы модифицированной области служит изменение дозы в 100 раз по отношению к максимуму.

Таким образом, задавая начальную дозу облучения с помощью полученного профиля, можно определить степень восстановления материала в определенной области, зависимость сечения нанопровода от дозы облучения и минимально возможное расстояние между проводами без замыканий между ними.

На рисунке 12 показан расчетный профиль сечения пары нанопроводов, образованных в слое исходного оксида толщиной 24 нм. Сечение нанопровода имеет сложную форму, а расстояние между проводами составляет -30 нм, при этом окна в маске расположены на расстоянии 40 нм. Из рисунка видно, что минимально возможная расчетная величина расстояния между нанопроводами в паре, полученных в пленке оксида висмута толщиной 24 нм, не превышает 15 нм.

Ширина, НМ

О О О О СО N Ш О)

ООО О т- см СМ (М (М

Рисунок 12 - Расчетный профиль сечения пары нанопроводов (толщина ВЮ2 24 нм), сплошной линией по контуру обозначена граница зоны облучения, получившей дозу 1% от оптимальной; пунктирной - получившей дозу 3% от оптимальной

Сравнение экспериментальных данных с результатами моделирования показало, что расчетное значение площади сечения нанопровода превышает экспериментальное более чем на 15%. Причиной тому может являться наличие переходной области, элетросопротивление которой много больше электросопротивления нанопровода. Поскольку расчетный профиль строится в приближении резкой границы металл-оксид, критерий границы проводящей области, соответствующий дозе 1% от максимума, требует уточнения. Исходя из однородности нанопровода, граница проводящего слоя соответствует контуру области, облученной до дозы 3% от максимума. В этом случае удельное сопротивление провода эквивалентно среднему значению удельного сопротивления полученных структур. Расчет показал, что данный критерий также верен для пленки исходного оксида толщиной 10 нм (рисунок 13).

Ширина, НМ

О О

I4- со

11111!

О

О О О т—

¡1|Ш1НН1|Ш

О

Ш1Ш

о

С\3

о со

о

о ю

иш||ш1нш!шшш1щ|

о о о о о о О СО К СО О) О Г- см Ч— т- т— т— С\| СМ С\|

[1ц.......1н1П1Щ|жЩ|»1п|ЩШ|д......М1111Н1

ВЮ2

зс

= О

Ко

ш

X X

ц

о

Рисунок 13 - Расчетный профиль сечения пары нанопроводов (толщина ВЮ2 10 нм), сплошной линией по контуру обозначена граница зоны облучения, получившей дозу 1% от оптимальной; пунктирной - получившей дозу 3% от оптимальной

Построены расчетные зависимости относительной площади сечения нанопровода и минимально возможного расстояния между двумя соседними нанопроводами от дозы протонного облучения. Данные зависимости представлены на рисунках 14, 15.

со с! о ш о О. с

0

X

го

1

ф

X

X ф

т ф

а

ф

о

X .0

с: ф

н ^

о о

X

1.5-

1.2

0,9-

0,6

о 0.3

гг

я • /

■ 10 нм ВЮ2 24 нм ВЮо

0 200 400 600 800 1000 Относительна доза облучения в % от оптимальной

Рисунок 14 - Расчетная зависимость площади сечения нанопровода от дозы

протонного облучения

20-

» 10 нм ВЮ2 « 24 нм ВЮ2

| 0 200 Т 400 ' 600 ' 800 1000 2 Относительна доза облучения в % от оптимальной

Рисунок 15 - Расчетная зависимость минимально возможного расстояния между двумя соседними нанопроводами от дозы протонного облучения

Как видно из графика (рисунок 14) площадь сечения нанопровода нелинейно зависит от дозы облучения. Минимально доступное расстояние между проводами (рисунок 15) при облучении до оптимальной дозы пленок ВЮ2 толщиной 24 и 10 нм составляет ~11 и -6 нм соответственно. Достигнутое на практике значение составляет ~40 нм. Расхождение расчетных и экспериментальных величин связано с существованием переходной области и отсутствии четкой границы металл-оксид.

Выводы

1. Разработана методика создания нанопроводов методом СУА и определены оптимальные параметры процесса протонного облучения оксида висмута.

2. Разработана технология и созданы шаблоны защитной маски требуемой геометрии, обеспечившие наилучшую точность передачи рисунка при сохранении ее защитных свойств под продолжительным воздействием ионного пучка.

3. Изготовлены наноструктуры на основе одиночных и парных металлических висмутовых нанопроводов в диэлектрической матрице из собственного оксида.

к Разработаны методики и исследованы структура и электрические свойства единичных и парных нанопроводов. При этом установлено:

• минимально достигнутая ширина висмутовых нанопроводов составляет 70±10 нм при длине 1270±30 нм, а минимальное расстояние между параллельными тнопроводами достигает 40±10 нм;

• материалом нанопроводов является поликристаллический висмут с характерным размером зерен —20 нм;

• достигнуты электрофизические характеристики, удовлетворяющие ребованиям, предъявляемым к функциональным элементам на основе висмутовых шнопроводов: наилучшие значения удельного сопротивления нанопроводов юставили 480 ±150 мкОмсм

• уровень сопротивления утечки между парными нанопроводами составил более 100 МОм; была достигнута плотность тока в нанопроводе более 3-106 А/см2, при шотности мощности тепловыделения —10 ГВт/см3;

• временная стабильность характеристик незащищенных висмутовых шнопроводов, полученных методом СУА, существенно выше, чем для проводов, полученных альтернативными методами: изменение электросопротивления ~2% в сутки против -1% в час;

5. Проведено комплексное компьютерное моделирование процесса образования шнопроводов методом СУА для произвольной геометрии маски, позволяющее:

• получать расчетные профили сечений одиночных и парных нанопроводов в оксиде металла;

• строить расчетные зависимости площади сечений нанопроводов и минимально возможных расстояний между двумя соседними нанопроводами от (озы протонного облучения.

Основные публикации по теме диссертации

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. «Определение глубины восстановления тонких пленок оксида вольфрама под действием протонного облучения», Б.А.Гурович, К.Е.Приходько, Л.В.Кутузов, Е.А.Ротанов, А.П.Бандура «Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования», 2011, ном.1, стр. 35-39

2. «Создание металлических нанопроводов методом селективного удаления атомов и исследование их свойств», Б.А.Гурович, К.Е.Приходько, А.Н.Талденков, А.Г.Домантовский, Д.А.Комаров, Л.В.Кутузов, «Российские нанотехнологии», 2012, т.7, вып. 1-2, стр. 41-45

3. «Разработка ионно-пучкового метода изготовления кремниевых нанопроводов», Б.А.Гурович, К.Е.Приходько, К.И.Маслаков, Д.А.Комаров, Л.В.Кутузов, А.Н.Талденков, Г.Е. Федоров, А.Ю. Якубовский, «Российские нанотехнологии», 2012, т.7, вып. 1-2, стр. 90-93

Материалы конференций:

4. VI национальная конференция РСНЭ-НБИК 2009, "Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем i материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии", Москва, 16-21 ноября 2009

5. III Высшие курсы стран СНГ для молодых ученых, аспирантов и студентов старших курсов по современным методам исследований наносистем и материалов "Синхротронные и нейтронные исследования наносистем" (СИН-нано-2010), Москва - Дубна, 4-17 июля 2010

6. Международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар "Нанотехнологии-2010", Геленджик, 19-24 сентября 2010

7. Четвертая Всероссийская конференция по наноматериалам "Нано 2011", Москва, 1-4 марта 2011

8. VII национальная конференция РСНЭ-НБИК 2011, "Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем i материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии", Москва, 14-18 ноября 2011

9. Конференция-конкурс научных работ студентов, аспирантов и молоды: специалистов, Москва, 13 февраля 2012

10. Конференция выпускников Высших курсов стран СНГ для молодых ученых аспирантов и студентов старших курсов по современным методам исследованиГ наносистем и материалов "Синхротронные и нейтронные исследования наносистем (СИН-нано-2012), Дубна, 17 - 21 июля 2012

11. Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологш функциональных материалов» (НФМ'2012), Санкт-Петербург, 27-29 июня 2012.

Подписано в печать 06.12.2012. Формат 60x90/16 Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,25 Тираж 70. Заказ 13

Отпечатано в НИЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

На правах рукописи

Кутузов Леонид Вячеславович

ЭЛЕКТРОФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ НАНОПРОВОДОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ИЗМЕНЕНИЯ АТОМНОГО СОСТАВА

Специальность 01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики

СО 00

Ю „

о Диссертация

СО сч

^ на соискание ученой степени

? ^ кандидата физико-математических наук

Москва - 2012

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 4

Глава 1. Основные методы получения и применение нанопроводов 11

1.1 Перспективы использования нанопроводов 11

1.1.1 Металлические нанопровода 13

1.1.2 Висмутовые нанопровода 14

1.1.3 Использование нанопроводов в детектировании 16

1.2 Методы изготовления нанопроводов 18

1.2.1 Изготовление нанопроводов с использованием трафаретов 19

1.2.2 Методы создания наноструктур из жидкой фазы 20

1.2.2.1 Метод продавливания через трафарет 21

1.2.2.2 Электрохимическое осаждение 22

1.2.2.3 Золь-гель процесс 25

1.2.3 Методы создания наноструктур из газовой фазы 27

1.2.3.1 Физическое осаждение 28

1.2.3.2 Химическое осаждение 28

1.2.3.3 Метод пар-жидкость-твердое тело 29

1.2.3.4 Химическое осаждение металлоорганики 34

1.2.4 Методы создания наноструктур из твердой фазы 37 1.2.4.1 Кремний на изоляторе 37

1.2.5 Метод селективного удаления атомов 40

1.2.6 Заключение 45 Глава 2. Создание нанопроводов под действием протонного облучения 46

2.1 Выбор толщины исходного оксида 48

2.2 Исследование структуры пленки исходного оксида 48

2.3 Выбор геометрии наноструктур 51

2.4 Выбор толщины маски 54

2.5 Процесс литографии 57

2.6 Процесс протонного облучения 58

2.6.1 Определение параметров облучения 58

2.6.2 Характеристики восстановленных пленок 63

2.6.3 Облучение наноструктур 65 Глава 3. Структурные и электрофизические свойства нанопроводов 66

3.1 Существующие методы исследования структуры нанопроводов 66

3.1.1 Дефекты в наноструктурах 73

3.1.2 Критический размер дефектов в висмутовых нанопроводах 74

3.2 Структурные исследования висмутовых нанопроводов созданных 75 методом СУА

3.2.1 Просвечивающая электронная микроскопия 77

3.2.2 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия 86

3.2.3 Растровая электронная микроскопия 88

3.3 Методы измерения электрических параметров 92 3.3.1 Методика электрических измерений применительно к висмутовым 96 наноструктурам

3.4 Результаты измерений электрических характеристик нанопроводов 100

3.4.1 Сопротивление утечки 100

3.4.2 Электросопротивление наноструктур 103

3.4.3 Электросопротивление одиночных нанопроводов толщиной 20 нм 104

3.4.4 Электросопротивление одиночных нанопроводов толщиной 8 нм 104

3.4.5 Сопротивление контактов 105

3.4.6 Зависимость электросопротивления от длины нанопроводов 105

3.5 Измерение максимального тока и рабочего напряжения 106 3.5.1 Исследование процесса прохождения максимального тока 108

3.6 Временная стабильность электрического сопротивления нанопроводов 117 Глава 4. Расчет профиля нанопроводов, полученных методом СУА 121

4.1 Компьютерная модель процесса создания нанопроводов 121

4.2 Расчет профиля нанопроводов 122 Выводы 130 Список используемой литературы 132

ВВЕДЕНИЕ Актуальность работы

Актуальность темы диссертации обусловлена большим интересом к разработке способов изготовления и исследованию электрофизических характеристик нанопроводов.

Нанопровода представляют собой широкий класс одномерных наноструктур, перспективных для самых разных нанотехнологических применений, главным образом, для будущей наноэлектроники. Их характеристики легко контролируемы уже на этапе создания и сопоставимы с параметрами массивных материалов (зачастую превосходя их). Именно возможность управлять параметрами и их временная стабильность являются главными преимуществами нанопроводов. Указанные преимущества дают возможность рационально осуществлять различные стратегии интеграции элементов. В частности, уже были изготовлены наноразмерные полевые транзисторы, а также реальные приборы на их основе -сверхчувствительные газовые и биологические сенсоры. Их высокая чувствительность обусловлена огромным отношением поверхности нанопровода к объему по сравнению с планарными структурами. Связывание химической или биологической молекулы на поверхности нанопровода приводит к изменению концентрации носителей во всем сечении нанопровода, тогда как в планарной структуре это изменение происходит только в приповерхностном слое.

Одним из перспективных материалов для создания и исследования свойств нанопроводов является висмут. На его основе возможно создание сенсоров и различных термоэлектрических устройств. Висмут отличается от других металлов самой низкой теплопроводностью, малой эффективной массой и большой длиной свободного пробега носителей, что в области наноразмеров предвещает скорое проявление квантовых эффектов. Висмутовые нанопровода изготавливают традиционными методами электроники с использованием электронной литографии. Проблема состоит в том, что из-за низкой точки плавления висмута и его химической нестабильности тонкие висмутовые провода получаются очень

хрупкими. К тому же, они чрезвычайно чувствительны к статическим электрическим зарядам и окислению, что приводит к очень низкому выходу годных проводов. Разработка эффективного метода создания висмутовых нанопроводов в рамках имеющихся МОП и КМОП-технологии позволит практически реализовать все их достоинства.

Цель работы

Целью работы являлись разработка методики создания металлических нанопроводов одним из методов селективного изменения атомного состава -селективным удалением атомов (СУА) под действием протонного облучения и получение новых знаний о служебных свойствах металлических нанопроводов: структуре, геометрических параметрах и электрических свойствах. Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

• исследовать дозовые зависимости электрического сопротивления пленок исходного материала при облучении протонами различных энергий и таким образом выявить оптимальные параметры облучения для конкретных толщин исходных пленок;

• разработать шаблоны, на основе которых методом электронной литографии создать защитные маски требуемой геометрии и оптимальной толщины, способной обеспечить точность передачи рисунка при сохранении защитных свойств под действием ионного пучка;

• создать образцы наноструктур двух видов (из одиночных нанопроводов и пар параллельных близкорасположенных нанопроводов) путем облучения протонами;

• изучить методом просвечивающей электронной микроскопии структуру нанопровода и профиль защитной маски;

• разработать методику измерений, а также выполнить измерения электрических свойств полученных наноструктур: электросопротивления нанопроводов, токов утечки через подложку и через тонкий слой диэлектрика, разделяющий пары нанопроводов;

Объект и предмет исследования

Объектами исследования были пленки оксида висмута до и после процесса протонного облучения, а также образцы висмутовых нанопроводов, полученные из оксида под действием протонного облучения.

Предметом исследования являлись структурные и электрические свойства пленок и сформированных наноструктур.

Научная новизна

• Методом селективного удаления атомов впервые получены одиночные металлические нанопровода и структуры из пар нанопроводов в диэлектрической матрице.

• Определены основные требования к подложке, напыляемым слоям исходного оксида и параметрам литографической маски, обеспечивающим получение требуемых характеристик металлических нанопроводов.

• Методами растровой и просвечивающей электронной микроскопии исследованы геометрические и структурные параметры металлических нанопроводов.

• Разработана методика и впервые измерены электрические сопротивления созданных методом СУА наноструктур и токи утечки через слой разделяющего диэлектрика в парах проводов.

• Впервые созданы параллельные металлические нанопровода на расстоянии менее 50 нм друг от друга.

• Проведено компьютерное моделирование процесса формирования нанопроводов в оксиде под действием протонного облучения.

Практическая ценность работы

Практическая ценность работы состоит в развитии метода селективного удаления атомов под действием протонного облучения применительно к созданию металлических нанопроводов:

• Созданы серии образцов с различными геометрическими параметрами и определены их размеры, а также предельное расстояние между проводами в паре при заданной энергии пучка.

• Измерены электрические сопротивления созданных металлических нанопроводов из висмута и токи утечки через слой разделяющего диэлектрика в парах проводов.

• Проведено исследование процесса эволюции во времени данных нанопроводов и доказана их лучшая временная стабильность по сравнению с аналогами.

• Выполнено компьютерное моделирование процесса формирования нанопроводов под действием протонного облучения и экспериментально подтверждено, что модель применима для расчета профиля нанопроводов, полученных этим методом.

• Показано что метод СУА является перспективным для создания сенсоров различного типа, а также элементов электронной техники.

Степень обоснованности и достоверности полученных научных результатов

Полученные в диссертационной работе научные результаты обоснованы большой базой проведенных исследований на высокоточном оборудовании и использованием апробированных методик измерения, а также подтверждены воспроизводимостью параметров и соответствием полученных расчетных и экспериментальных данных.

Основные положения, выносимые на защиту

• Экспериментальное подтверждение возможности изготовления висмутовых нанопроводов в матрице собственного оксида путем модификации атомного состава материала под действием протонного облучения.

• Результаты структурных исследований и измерений электрических свойств металлических наноструктур в диэлектрической матрице.

• Компьютерная модель процесса образования нанопроводов методом СУА.

Личный вклад автора

• Выполнил работу по выбору параметров протонного облучения исходной пленки оксида висмута для создания наноструктур.

• Отработал технологию создания и изготовил электронно-литографические маски для получения нанопроводов с заданными геометрическими размерами путем последующего облучения через эту маску.

• Участвовал в проведении экспериментальных работ: подготовке образцов, процедуре облучения ускоренными частицами и измерении электрических свойств полученных образцов наноструктур.

• Провел анализ и обобщение результатов измерений.

• Выполнил компьютерное моделирование процесса селективного удаления атомов и осуществил сопоставление расчетных и экспериментальных данных.

Апробация работы

Основные результаты работы были представлены на ряде конференций:

• VI национальная конференция РСНЭ-НБИК 2009, "Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования наносистем и материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии", Москва, 16-21 ноября 2009 г.

• III Высшие курсы стран СНГ для молодых ученых, аспирантов и студентов старших курсов по современным методам исследований наносистем и материалов "Синхротронные и нейтронные исследования наносистем" (СИН-нано-2010), Москва - Дубна, 4-17 июля 2010 г.

• Международная научно-техническая конференция и молодежная школа-семинар "Нанотехнологии-2010", Геленджик, 19-24 сентября 2010 г.

• Четвертая Всероссийская конференция по наноматериалам "Нано2011", Москва, 1-4 марта 2011 г.

• VII национальная конференция РСНЭ-НБИК 2011, "Рентгеновское, Синхротронное излучения, Нейтроны и Электроны для исследования

наносистем и материалов. Нано-Био-Инфо-Когнитивные технологии", Москва, 14-18 ноября 2011 г.

• Конференция-конкурс научных работ студентов, аспирантов и молодых специалистов, Москва, 13 февраля 2012 г.

• Конференция выпускников Высших курсов стран СНГ для молодых ученых, аспирантов и студентов старших курсов по современным методам исследований наносистем и материалов "Синхротронные и нейтронные исследования наносистем" (СИН-нано-2012), Дубна, 17-21 июля 2012 г.

• Международная научно-техническая конференция «Нанотехнологии функциональных материалов» (НФМ'2012), Санкт-Петербург, 27-29 июня 2012 г.

Публикации

Основные результаты были опубликованы в 3 статьях, а также представлены в тезисах на 8 конференциях.

Структура и объем работы

Работа состоит из введения, 4 глав, основных результатов, выводов и списка используемой литературы. Общий объем работы 142 страница, включая 75 рисунков, 8 таблиц, и список цитированной литературы из 124 наименований.

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ И СОКРАЩЕНИЙ

pH - водородный показатель

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота

УФ - ультрафиолет

КМОП - комплементарная логика на транзисторах металл-оксид-полупроводник CVD - химическое осаждение

MOCVD - химическое осаждение металлоорганики VLS - метод пар-жидкость-твердое тело ТЕМ (ПЭМ) - просвечивающая электронная микроскопия КНИ - кремний на изоляторе

РФЭС - рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия SEM (РЭМ) - растровая электронная микроскопия EELS - спектроскопия потерь энергии электронов EDS - дисперсионная рентгеновская спектроскопия ПММА - полиметилметакрилат СУА - селективное удаление атомов ВАХ - вольтамперная характеристика

ГЛАВА 1 ОСНОВНЫЕ МЕТОДЫ ПОЛУЧЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ

НАНОПРОВОДОВ

Наноразмерными структурами принято называть объекты с характерным размером менее 100 нм в одном из направлений. Различают несколько их типов: трехмерные (нанокластеры), двумерные (нанопленки), одномерные (нанопровода) и нульмерные (квантовые точки). Самым известной разновидностью одномерных наноструктур являются углеродные нанотрубки. В отличие от них, нанопровода представляют собой не полые, а сплошные объекты с огромным количеством вариантов заданного состава и формы. Именно возможность выбора конкретного состава позволяет управлять характеристиками нанопроводов начиная с этапа их создания, что выгодно отличает их от углеродных нанотрубок. Параметры проводов и массивных материалов зачастую сильно отличаются. Основными причинами этого являются огромный вклад поверхности и структуры наноэлементов.

1.1 Перспективы использования нанопроводов

На данный момент, с использованием нанопроводов уже получены полевые транзисторы [1 ],р-п диоды [2], биполярные транзисторы [3], светодиоды [2], лазеры [4], элементы компьютерной логики [5], элементы электромеханических систем, а также приборы на их основе - такие как газовые и биологические сенсоры [6]. Самым большим потенциалом, с точки зрения практического применения, обладают био- и химические сенсоры. Главной особенностью сенсоров на основе нанопроводов является их огромная чувствительность. Подобные устройства могут успешно использоваться для измерения рН, для регистрации металлических ионов, белков, молекул ДНК [7] и одиночных вирусов [8].

Нанопровода представляют значительный интерес также в качестве «строительных блоков» для ключевых активных устройств нанофотоники, таких как светодиоды, лазеры и детекторы. Возможность компоновать и электрически управлять наноразмерными источниками и детекторами света позволяет, в принципе, создавать полностью интегрированные нанофотонные устройства для использования в различных областях.

Идея пересечения двух нанопроводов п- и />типа для генерации излучения из области перекрытия при подаче напряжения смещения была реализована на нанопроводах из 1пР сравнительно недавно [1]. Это позволило изготовить на одном чипе целый набор наносветодиодов, излучающих в диапазоне от инфракрасных до ультрафиолетовых частот, что ранее являлось непреодолимой проблемой для обычных планарных технологий. В развитие этой идеи был создан первый наноразмерный инжекционный лазер на нанопроводе из СёБ и-типа [9]. Помимо конструирования наноразмерных источников света, скрещенные нанопровода могут быть конфигурированы и в виде фотодетекторов - элементов, абсолютно необходимых для любого нанофотонного устройства.

Созданные в последние годы лавинные фотодиоды на скрещенных БьСсШ нанопроводах [10] демонстрируют сверхвысокую чувствительность (<100 фотонов) и пространственное разрешение на уровне 250 нм. Следует отметить, что элементами нанофотонной структуры можно управлять независимо, исключив при этом взаимные электрические наводки. Такие характеристики превосходят все ранее достигнутые для любого традиционного фотоприемника и открывают уникальные перспективы создания интегрированных «1аЬ-оп-а-сЫр» приборов и устройств биологической и медицинской визуализации.

Далее приведена таблица 1, в которой содержатся данные о конкретных материалах и сферах применения нанопроводов, созданных на их основе. Как видно из приведенной таблицы, одномерные структуры широко используют в качестве перс