Модификация поверхности золота и оксида никеля импульсом напряжения в сканирующем туннельном микроскопе тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.07 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Г Л А В А 1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ СТМ (краткий обзор).

1.1. Теоретические основы работы СТМ.

1.2. Технические основы работы СТМ.

Г Л А В А 2. ИЗМЕНЕНИЕ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ ОБРАЗЦА В СТМ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ НА НЕЁ СИЛЬНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПОЛЯ (обзор основных механизмов и характерных особенностей).

2.1. Введение.

2.2. Основные особенности локальной модификации поверхности сильным электрическим полем.

2.3. Влияние внешних и внутренних факторов на процесс модификации импульсом напряжения. Причины трудности объяснения механизма модификации.

2.4. Возможные механизмы локальной модификации исследуемой поверхности сильным электрическим полем.

2.4.1. Термический разогрев поверхности образца (резистивный нагрев).

2.4.2. Десорбция (испарение) полем.

2.4.3. Стимулированное полем перемещение частиц вдоль поверхности.

2.4.4. Механизм формирования контакта острия с поверхностью. Термическое расширение острия как возможная причина образования контакта.

2.4.5. Стимулированные химические реакции.

Актуальность темы.

С древнейших времён и до настоящего времени технология часто становилась катализатором, который делал возможным и определял прогресс человеческой цивилизации. Прогресс в технологии обычно связан с развитием оборудования и методов, что обеспечивает новые пути осуществления человеческого воздействия на природу. В последнее время в связи с развитием принципиально новых технологических процессов и созданием принципиально новых твердофазных материалов с разнообразными физико-химическими свойствами, повсеместным стремлением к миниатюризации приборов и интеграции максимального количества быстродействующих активных элементов на поверхности одного кристалла в единый функциональный элемент (интегральную схему) роль поверхности становится определяющей, и поэтому существенно возрастает потребность детального исследования поверхностного состава веществ и протекающих в этой области процессов и явлений, так как на свойствах именно тонких поверхностных слоев вещества основана работа многочисленных типов приборов электронной промышленности и вычислительной техники.

Всё это, в совокупности, стимулировало изобретение (Биниг и Роер [1], 1979-1982 годы) и применение в многочисленных исследованиях уникального прибора для изучения поверхностного состава твёрдых тел - сканирующего туннельного микроскопа (СТМ). Уникальность его состоит в том, что на сегодняшний день он даёт наиболее подробную информацию о свойствах поверхности твёрдого тела в различных средах на истинно атомном уровне. Это обуславливается уникальным разрешением СТМ по сравнению с другими существующими методами исследования поверхности: до нескольких сотых ангстрема по нормали к поверхности исследуемого образца и единицы ангстрема вдоль неё [2].

Научную и технологическую значимость этого совершенно нового прибора трудно переоценить. Его работа целиком основана на квантово-механических закономерностях, и вследствие этого возможности СТМ близки к фундаментальным физическим пределам. С помощью СТМ-микроскопии получили развитие совершенно новые методы исследования поверхности твёрдых тел, позволяющие исследовать их атомную и электронную структуру и получать их микротопографию с атомным разрешением, что было недоступно для существовавших до этого традиционных методов исследования поверхности [3].

Из множества неоспоримых преимуществ исследования поверхности с помощью СТМ перед другими способами поверхностно-чувствительного контроля изучения твёрдого тела особенно важно выделить следующие:

1) Возможность быстрого и часто без специальной подготовки образца получения реального трёхмерного изображения поверхности со сверхвысоким пространственным разрешением (вплоть до атомного) по всем трём координатам с независимым увеличением по любой из них [4].

2) Возможность работы в широком температурном диапазоне (от нескольких сотен градусов до гелиевых температур) и практически в любой непроводящей среде, включая вакуум, обычные атмосферные условия, а также газ и жидкость [5-7].

3) Поверхность анализируется с использованием низкоэнергетического пучка электронов (около нескольких мэВ) без непосредственного контакта с ней, вследствие чего практически не вносится каких-либо искажений в исследуемый материал и реализуется неразрушающий характер анализа поверхности [8].

4) Совмещение в одном приборе метрологических и технологических функций: возможность осуществления наряду с неразрушающим анализом поверхности целенаправленных изменений формы, приповерхностной структуры и электрофизических свойств материала с очень высокой локальностью (вплоть до воздействия на одиночный атом). Этому способствует возможность создания условий в СТМ для получения экстремальных мощностных характеристик, возникающих вследствие сильной локализации электрического поля и электронного тока под иглой СТМ, которые приводят к существенным изменениям как структуры, так и электрофизических характеристик этой локальной области нанометровых размеров [9-11].

5) Уникальная возможность одновременного исследования на поверхности твёрдых тел как естественных структур, так и искусственно созданных.

6) Наличие свободного доступа к поверхности, что позволяет изучать происходящие на ней физико-химические процессы как за счёт совмещения всего набора процессов по формированию, контролю и функциональному тестированию структур в одном месте, так и за счёт объединения СТМ с другими методиками анализа и подготовки поверхности.

Во многих областях науки, техники и современных технологий сканирующие туннельные микроскопы уже используются с большим успехом, и число результатов их применений быстро увеличивается [5,11-18]. Сканирующая туннельная микроскопия является одним из новых, быстро развивающихся методов анализа и изменения структуры поверхности твёрдого тела.

Основные области применения СТМ в настоящее время представляются такими [34,12-14]:

1. Физика и химия поверхности на атомном уровне; именно здесь достигнуты наиболее впечатляющие результаты, такие как прямое наблюдение реконструкции поверхности кремния Бинигом и Роером [15].

2. Исследование биологических структур и органическая химия. СТМ является многообещающей методикой для экспериментов в этом направлении, поскольку с его помощью биобъекты можно наблюдать в их природном состоянии и в условиях естественной среды обитания, что является принципиально важным для изучения природы и процессов, происходящих в живой материи. Однако, в силу определённых трудностей, эта область находится пока в зачаточном состоянии и исследования в ней немногочисленны [12-14].

3. "Нанометрия" - исследование с нанометровым разрешением шероховатости поверхности в связи с проблемой изучения рассеяния поверхностью электронов проводимости, света, рентгеновского излучения и т.п., зародышеобразования при росте плёнок, процессов ионного или химического травления, осаждения и т.п. Эта область сейчас получила весьма бурное развитие [12-14,17].

4. "Нанотехнология" - область электроники, охватывающая проблемы получения, исследования и применения нанометровых структур в микро- и наноэлектронике. Важным её направлением является нанолитография. Под этим термином обычно понимается всякая контролируемая и достаточно стабильная локальная модификация поверхности методами сканирующей туннельной микроскопии. Результатом таких модификаций является изменение морфологии исследуемой поверхности. В зависимости от степени контроля и интенсивности взаимодействий игла-поверхность модификация поверхности может быть осуществлена от микронного до атомного уровня.

Существует четыре фундаментальных процесса реализации модификации поверхности: удаление атомов поверхности, осаждение нового вещества, перемещение адсорбированных атомов и стимулирование поверхностных химических реакций. К настоящему времени в области нанолитографии получены уникальные результаты: на поверхностях создаются искусственные электронные компоненты нанометрового размера в виде холмов и/или ямок [10-12,17-19], проводятся эксперименты по манипулированию отдельными атомами и молекулами (в виде перемещения по поверхности, удаления, осаждения и пр.), о составлению рисунков из отдельных атомов и атомному конструированию новых систем [3,4,7,20-21], локальной стимуляции химических процессов [11-14] и др. Наиболее яркие достижения нанотехнологии в последнее время, показывающие её потенциальные возможности, представлены на рис.1. Тем самым, вполне реальным становится развитие совершенно нового направления в электронике - наноэлектроники [22-23], основанной на физических процессах, имеющих место в объектах атомных размеров.

В настоящее время работы по переходу от микроэлектроники к наноэлектронике получили интенсивное развитие, поскольку резервы дальнейшего повышения быстродействия микроэлектронных приборов, работающих на основе дрейфо-диффузионного переноса носителей, технологически практически уже исчерпаны. Характерной особенностью наноэлектроники является стремление к предельному уменьшению линейных размеров функциональных элементов вплоть до размеров атомов. Это обусловлено современными практическими потребностями формирования и использования таких элементов. Если их характерные размеры становятся сравнимыми с масштабом когерентности электронной волновой функции: с межатомными расстояниями и с дебройлеровской длиной волны электронов, то происходит изменение свойств твёрдых тел и существенными являются квантовые эффекты, принципиально меняющие физику происходящих процессов. Поэтому переход от микроэлектроники к наноэлектронике - это уже не количественный, а качественный переход от манипуляции с веществом к манипуляции отдельными атомами. Это открывает новые, нередко необычные возможности использования таких объектов в качестве элементов приборов электронной и вычислительной техники.

Желание модифицировать вещества на атомном уровне стимулируется целями, простирающимися от сохранения информации с высокой плотностью записи до преднамеренного преобразования генетического материала. Наблюдающийся в настоящее время большой интерес к нанотехнологии в первую очередь обусловлен её потенциальными возможностями по удовлетворению потребности дальнейшего усовершенствования элементной базы уже существующих электронных приборов и создания принципиально новых. Он стимулируется тем, что СТМ позволяет формировать и исследовать электрические свойства структур, размеры которых недоступны современным методам литографии таким, например, как электронно-лучевая и рентгеновская (-1-10 нм) [3-4]. Приборы с такими характерными размерами, по всей видимости, составят основу элементной базы интегральных схем следующего поколения. Новые потенциальные технологические возможности нанотехнологии открыли пути к реализации новых типов диодов, транзисторов и электронных функциональных устройств, выполняющих соответствующие функции за счёт особенностей взаимодействия электронов с наноструктурами [23-24]. Достоинством таких приборов является высокая компактность, повышенное быстродействие, исключительно низкое энергопотребление, высокая степень надёжности и совместимость с микроэлектронными устройствами, что, несомненно, приведёт к качественному совершенствованию всей вычислительной и электронной техники. Стремительное развитие технологических работ по созданию элементов нанометровых размеров приближает реализацию приборов со сверхвысокой плотностью интеграции а)

Рис.1. Наиболее яркие достижения нанотехнологии в последнее время, а) Последовательные СТМ изображения, полученные во время создания упорядоченного массива из атомов ксенона на поверхности кристалла никеля (110) при -4Kb сверхвысоком вакууме. Высота буй, составленных из атомов ксенона, составляет 5 нм [10,20]. б) Последовательные СТМ изображения, полученные в режиме постоянного тока (0.01 В, 1.0 нА) во время сборки круга из атомов Fe на поверхности Cu(l 11) при очень низкой температуре (~4 К) в сверхвысоком вакууме. Средний диаметр круга составляет 14.25 нм. Структура собиралась посредством поштучной атомной сборки с помощью иглы СТМ. Наблюдаемые на изображении концентрические кольца есть изменения в локальной плотности состояний, связанные со стоячими волнами, создаваемыми поверхностными электронами, находящимися внутри круга из атомов Fe ("квантовый коралл") [18]. более 1014 элементов/см3) и сверхвысоким быстродействием (более 1012 операций/с). К сравнительным недостаткам в настоящее время следует отнести наивысшие по трудности реализации требования к созданию нанометровых областей наименьших размеров, позволяющих осуществить функционирование данных устройств при комнатной температуре, а также высокие требования к однородности и химической совместимости используемых материалов.

Одним из важнейших достоинств нанотехнологии, реализующей процесс послойной сборки, является возможность трёхмерного изготовления наноэлектронных схем. Наличие такого свойства у разрабатываемой технологии играет исключительно важную роль, так как полупроводниковая микроэлектроника, фактически, так и осталась планарной, позволив реализовать очень ограниченное число уровней металлизации для формирования межсоединений. Это не только сдерживает развитие интегральных схем с большим числом элементов, но и не позволяет технологически реализовать исключительно важные типы нейронных схем, в которых доминирует большое число связей между элементами.

Таким образом, казалось бы, что в некотором смысле технология дошла до своего естественного предела: молекулярных и атомных размеров. Однако, именно это породило существенные трудности и, несмотря на то, что СТМ сейчас не имеет себе равных по разрешающей способности и потенциальным возможностям манипулирования отдельными атомами, привело к тому, что нанотехнология и базирующаяся на ней наноэлектроника не получили пока широкого применения ввиду целого ряда имеющихся проблем: -малой области сканирования (до 10 мкм2), трудности локализации интересующей области образца в пределах сканирования, преимущественно статического метода анализа происходящих на поверхности процессов и ограниченного круга используемых материалов; -ограниченного быстродействия СТМ-литографии и сравнительно невысокой производительности и воспроизводимости процесса модификации в настоящее время по отношению к процессам традиционной планарной технологии;

-отсутствие адекватных теоретических моделей предполагаемых процессов, протекающих на поверхности при её модификации методами СТМ вследствие недостаточной изученности физических процессов, протекающих на локальном участке исследуемой поверхности под иглой микроскопа при осуществлении процесса модификации, а также структуры, свойств, стабильности и воспроизводимости получаемых на нём наноструктур ввиду большой сложности проведения анализа наноразмерных объектов в процессе их формирования;

-неизученностью технологических параметров и влияния различных факторов, определяющих воспроизводимый процесс модификации.

Таким образом, несмотря на радужные прогнозы и большое количество исследований [10-12,14-15,17-19], объём которых постоянно растёт, достижения в этой области пока приходится признать, в некотором смысле, достаточно скромными в силу вышеприведённых проблем. В связи с этим, в настоящее время работы, направленные на углубление понимания процессов модификации поверхности представляются весьма актуальными. Для практического воплощения достижений нанотехнологии в реально действующих устройствах ещё необходимо решить большое число проблем как на уровне исследовательских работ, так и на уровне технологических разработок. Тем не менее, это отнюдь не умаляет уже достигнутого в этом направлении, а скорее характеризует существенную сложность решаемых задач, находящихся на границах возможностей различных технологических направлений. Поэтому исследования в области нанотехнологии всё ещё остаются предметом искусства экспериментатора, требуя высокого профессионализма и специального оборудования.

В настоящее время в развитии нанотехнологии наступил этап, когда первые рекордные результаты, скорее показывающие её потенциальные возможности, уже достигнуты, а массовая технология, которой можно пользоваться для создания наноэлектронных схем (также, как сейчас пользуются планарной), пока отсутствует. Главной причиной её отсутствия является наряду с вышеприведёнными проблемами нерешённость задачи создания проводящих наноструктур на изолирующей поверхности диэлектрической подложки. С помощью современной техники на базе сканирующих туннельных микроскопов можно активировать лишь материал, расположенный между вершиной острия и проводящей, а не диэлектрической поверхностью, как это обычно требуется для практических целей.

Поэтому главное направление развития нанотехнологии - это создание проводящих элементов на изолирующих материалах. В силу этого, наряду с традиционным исследованием поверхностей металлов в СТМ в настоящее время всё большое внимание уделяется исследованию и модификации поверхностей материалов, имеющих отчётливо выраженные диэлектрические или полупроводниковые свойства [9,11,17-19,23-25].

Теоретическое и экспериментальное исследование СТМ-системы (игла-образец) в двух её довольно разнородных ипостасях: металл-металл и металл-диэлектрик также весьма важно и интересно и с точки зрения изучения физики и технологии осуществления самого процесса модификации поверхности, который, как уже упоминалось, до сих пор остаётся не полностью понятым.

Доведение методов модификации поверхности с помощью СТМ до уровня технологии, позволяющей с высокой степенью надёжности и воспроизводимости создавать низкоразмерные элементы нужной конфигурации, требует ясного понимания происходящих при этом физических процессов. Используемые способы модификации поверхности разнообразны как по техническому исполнению, так и по используемым физическим процессам. В настоящее время известен целый ряд физических процессов, которые могут быть использованы в качестве доминирующих при локальной модификации поверхности. Возможные воздействия острия СТМ на поверхность твёрдого тела при нанолитографии с определённой долей условности можно разделить на четыре вида [26]: механическое, влияние сильного электрического поля, массоперенос вследствие градиента температур и стимулированные химические реакции. Однако, для получения достоверных и надёжно воспроизводимых результатов необходимы более детальные исследования этих процессов.

Граница нашего познания всегда находится в движении. Сегодняшнее открытие завтра становится уже составной частью той духовной обстановки, в которой протекает каждодневная исследовательская работа. Процесс продвижения границы наших завоеваний, возделывания и освоения нового идёт последовательными этапами. Так и нанотехнология медленно, но верно движется в сторону создания регулярных структур малых размеров с высокой плотностью элементов. Пока это только разного рода массивы наноструктур на поверхности, но стремительное развитие работ по нанотехнологии, осуществляющееся в настоящее время на базе СТМ, по всей видимости, всё же приведёт к решению вопроса о создании массовой технологии, к "наноиндустриальной революции" и невиданному прогрессу новых технологий [22-23,27]. Цель и задачи исследования.

Исходя из сказанного выше, главной целью настоящей работы являлось выявление основных закономерностей формирования неоднородностей на исследуемых в СТМ поверхностях разнородных материалов (металлов, диэлектриков и полупроводников) при локальном воздействии на них сильного электрического поля, а также изучение различных факторов, определяющих воспроизводимый процесс модификации.

Для достижения поставленной цели было необходимо решение следующих задач:

1. Исследование влияния сильных электрических полей в СТМ на морфологию поверхности различных по физико-химическим свойствам материалах при одинаковых экспериментальных условиях, изучение стабильности и воспроизводимости возникающих наноструктур.

2. Исследование особенностей модификации поверхности при наличии тонких оксидных слоёв.

3. Исследование влияния физико-химических свойств материала острия на модификацию поверхности в СТМ.

4. Изучение влияния характеристик электронной схемы СТМ на процесс модификации поверхности.

Цель достигалась экспериментальным исследованием процессов, протекающих на исследуемых поверхностях при создании в локальной области сильного электрического поля; установлением и выявлением оптимальных параметров воздействия иглы СТМ на приповерхностную область образца, при котором имеет место устойчивое формирование наноструктур.

В качестве объекта исследований использовались тонкие металлические плёнки Аи, естественные оксидные плёнки на поверхности металлического Ni и полупроводникового РЬТе.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней получены новые результаты при исследовании процессов модификации поверхностей и создаваемых при этом наноструктур на основе методики импульсного увеличения напряжения между остриём и образцом в сканирующем туннельном микроскопе на воздухе:

1. На примере модельной системы металлическое остриё-плёнка золота впервые показано, что на величину амплитуды импульса, необходимую для модификации, существенное влияние оказывают физико-химические характеристики материала, из которого изготовлено остриё.

2. Впервые продемонстрирована возможность модификации поверхности системы оксид никеля - никель. В результате воздействия одиночных электрических импульсов в зависимости от амплитуды модифицирующего импульса возникают характерные особенности либо в виде холмов нанометровых размеров (диаметром 20-70 нм и высотой 7-20 нм), либо в виде ямок (диаметром 100-300 нм), процесс образования которых имеет вероятностный порогообразный характер.

3. Впервые обнаружены существенные различия в характеристиках процесса модификации в системе оксид-проводник по сравнению с поверхностями металлов, выражающиеся в большей величине разности потенциалов, необходимой для модификации поверхности, в случае эмиссии электронов из образца и наличии зависимости размеров создаваемых наноструктур от амплитуды импульса.

4. Впервые обнаружено, что величина порогового напряжения существенно зависит от характеристик электронной цепи СТМ. Сопоставление значений пороговых напряжений возможно только при условии стандартизации параметров используемого электронного обеспечения микроскопа.

Таким образом, в результате проведённых экспериментальных исследований и анализа их результатов получены новые научные результаты, которые позволили сформулировать основные защищаемые положения.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Величина порогового напряжения существенно зависит от характеристик электронной цепи используемого СТМ. Сопоставление значений пороговых напряжений возможно только при условии стандартизации параметров используемого электронного обеспечения микроскопа.

2. Уменьшение порогового напряжения более чем в два раза при увеличении входной емкости свидетельствует, что механизмы, имеющие пороговую зависимость от напряженности электрического поля (десорбция полем, поверхностная диффузия, стимулированная полем) не являются определяющими для процесса модификации поверхности.

3. Существует зависимость между физико-химическими характеристиками материала острия, характеризующими его удлинение при нагревании (коэффициентом линейного расширения материала острия, его плотностью и удельной теплоёмкостью) и величиной порогового напряжения модифицирующего импульса. Такая связь может быть объяснена в рамках механизма модификации, основанного на образовании контакта вследствие термического расширения острия.

4. Наблюдается различие в модификации поверхности системы оксид-проводник по сравнению со случаем модификации поверхности металлов. Оно выражается в различной зависимости величины модифицирующего напряжения от его полярности и наличии зависимости размеров создаваемых наноструктур от амплитуды импульса напряжения. Степень достоверности и возможность практического использования полученных результатов.

Достоверность полученных результатов определяется применением надежно апробированных методов, позволяющих проводить исследования в хорошо контролируемых условиях, а также хорошим совпадением с известными из литературы результатами тестовых исследований и хорошей повторяемостью результатов.

Полученные экспериментальные результаты и их анализ могут быть использованы для разработки и оптимизации методики изготовления систем с нанометровыми линейными размерами, для создания наноразмерных структур для возможного использования в приборах или для фундаментальных исследований поведения нанообъектов. Личный вклад автора.

В диссертации обобщены результаты исследований, выполненных автором в 19962000 годах. Автор принимал непосредственное участие в модернизации экспериментальной установки, в проведении экспериментов и физической интерпретации полученных результатов.

Апробация работы.

Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных семинарах лаборатории физической электроники НИИ Физики СПбГУ, на 9-ой международной конференции по вакуумной микроэлектронике (Санкт-Петербург, 1996), на 2-ой научной молодёжной школе "Поверхность и границы раздела структур микро- и наноэлектроники" (Санкт-Петербург, 1999), на Всероссийском рабочем совещании "Зондовая микроскопия-2000" (Нижний Новгород, 2000). Публикации.

Основные результаты исследований по материалам диссертации опубликованы в 6 научных работах, полный перечень которых приведён в списке литературы (ссылки [113114] и [116-119]).

Структура и объём диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, основных результатов и выводов работы, заключения и списка литературы из 122 наименований. Диссертация изложена на 133 страницах, содержит 52 рисунка.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ.

Полученные экспериментальные результаты и их обсуждение позволяют сформулировать следующие основные выводы:

1. В режиме сканирования острия вдоль поверхности в результате воздействия одиночных электрических импульсов любой полярности на исследуемых поверхностях (золото, оксид никеля, теллурид свинца) возможно создание характерных особенностей нанометровых размеров: на поверхности золота в виде холмов диаметром 10-30 нм и высотой 1-3 нм и в виде ямок диаметром 5.0 нм и глубиной 1.0 нм; на поверхности оксида никеля в виде холмов с диаметром 20-70 нм и высотой 7-20 нм и ямок с диаметром 100-300 нм; на поверхности теллурида свинца в виде ямок с диаметром 120-300 нм.

2. Процесс образования наноструктур вне зависимости от используемого материала подложки носит вероятностный, порогообразный характер. Величина порогового напряжения при модификации с помощью вольфрамовых игл поверхности золота составляет 3.9-4.0 В, при модификации оксида никеля и теллурида свинца 2.0 В и -9.0 В соответственно и практически не зависит от индивидуальных характеристик использовавшихся острий.

3. Исследование вероятности образования наноструктур от амплитуды импульса напряжения для разных полярностей данного импульса показывает, что при модификации поверхности металла (золото) в случае отрицательной полярности величина порога на несколько десятых вольта (-0.2-0.3 В) больше, чем в случае противоположной полярности, что свидетельствует о различии в эффектах, вызывающих выделение энергии на вершине острия.

4. Величина порогового напряжения существенно зависит от характеристик ирпользуемой электронной цепи. Сопоставление их значений возможно только при условии стандартизации используемой электронной схемы СТМ.

5. Уменьшение порогового напряжения более чем в 2 раза при увеличении входной ёмкости свидетельствует о том, что механизмы, имеющие пороговую зависимость от напряжённости электрического поля (десорбция полем, стимулированная полем поверхностная диффузия) не являются определяющими для процесса модификации поверхности.

6. Исследование модификации поверхности золота с использованием игл из различных материалов (вольфрам, золото, серебро, медь, нихром, никель, константан) показало, что имеется закономерная зависимость между физико-химическими свойствами материала острия и величиной порогового для модификации напряжения. Эти результаты можно расценивать как аргумент в пользу механизма образования контакта между остриём и образцом вследствие термического расширения иглы.

7. Обнаружено существенное различие в процессах модификации и их характеристиках в системах оксид-проводник (полупроводник) по сравнению с поверхностями металлов, выражающееся в различном направлении смещения кривых вероятности по отношению к полярности внешнего напряжения и наличии зависимости размеров создаваемых наноструктур от амплитуды импульса напряжения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Проведенный сравнительный анализ существующих к настоящему времени возможных механизмов модификации импульсным методом с помощью СТМ и полученные собственные экспериментальные данные позволяют считать, что наиболее вероятным доминирующим процессом, отвечающим за изменение морфологии поверхности, является образование контакта между остриём и образцом вследствие термического расширения острия. Этот процесс в значительной степени определяется режимом протекания тока в системе остриё-образец, а также особенностями конструкции электрической схемы микроскопа и конкретных физико-химических свойств используемого материала острия и образца. *

1. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscope: patent USA (10.08.82). 1.t.Cl.G01 N23/00, N4.343.993.

2. Kuk Y., Sulverman P.J. Scanning tunneling microscope instrumentation. Rev. Sci.Instrum.,60(2), 1989,pp. 165-180.

3. Whitman L.J. Tunneling microscopy and spectroscopy. Encyclopedia of Applied Physics, Vol.22, edited by G.I.Trigg. WILEY-VCH, New York,1988,pp.361-383.

4. Howland R, Benatar L. A practical guide to scanning probe microscopy. Park Scientific Instruments, Sunnyvale,CA,1996.

5. Itaya K., Tomita E. Scanning tunneling microscope for electrochemistry-a new concept for the in situ scanning tunneling microscope in electrolyte solutions. Surf.Science 201,1998,L507-L512.

6. Dovek M.M., Heben M.J., Lang C.A., Lewis N.S., Quate C.F. Design of a scanning tunneling microscope for electrochemical applications. Rev.Sci.Instrum. 59(11),1998,pp.2333-2336.

7. Chang T.C., Chang C.S., Lin H.N., Tsong T.T. Creation of nanostructures on gold surfaces in nonconducting liquid. Appl.PhysXett.,67(7),1995,pp.903-905.

8. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy. IBM J.Res.Develop. Vol.30(4), 1986,pp. 3 5 5-3 69.

9. Farrell H.H., Levinson M. Scanning tunneling microscope as a structure-modifying tool. Phys.Rev.B,Vol.31(6),1985,pp.3593-3598.

10. Shedd G.M., Russel P.E. The scanning tunneling microscope as a tool for nanofabrication. Nanotechnology. Vol. 1 (1), 1990,pp.67-80.

11. Эдельман B.C. Сканирующая туннельная микроскопия. ПТЭ, N5,1989,c.25-49.

12. Behm R.J., Hosier W. Scanning tunneling microscopy. Chem. And Phys. of Solid Surf.(Springer,Berlin), 1988.

13. L. van Leemput, H. van Kempen. Scanning tunnelling microscopy. Rep .Prog.Phys.55,1992,pp. 1165-1240.

14. Binnig G., Rohrer H. Scanning tunneling microscopy-from birth to adolescence. The Nobel Foundation, 1987.

15. Шайхутдинов Ш.К., Кочубей Д.И. Исследования гетерогенных каталитических систем и их моделей методом сканирующей туннельной микроскопии. Успехи химии, 62(5),1993,с.443.

16. Эдельман B.C. Развитие сканирующей туннельной и силовой микроскопии. ПТЭ, Nl,1991,c.24-42.

17. Володин А.П. Новое в сканирующей микроскопии (обзор материалов международной конференции СТМ-97). ПТЭ,6,1998,с.З-42.

18. Eigler D.M., Schweitzer Е.К. Positioning atoms with a scanning tunneling microscope. Nature, Vol.344(6266),1990,pp.524-526.

19. Crommie M.F., Lutz C.P., Eigler D.M. Confinement of electrons to quantum corrals on a metal surface. Science 262,1993,pp.218-220.

20. Владимиров Г.Г., Лускинович П.Н., Никишин B.H. Нанотехнология-новое направление в создании изделий электронной техники. Электронная промышленность, вып.9(167),1987,с.33-35.

21. Wada Y. Atom electronics: a proposal of atom/molecule switching devices. Surf.Sci.386,1997,pp.265-278.

22. Matsumoto K., Ishii M., Segawa K. Application of scanning tunneling microscopy nanofabrication process to single electron transistor. J.Vac.Sci.Technol. B14(2),1996,pp.1331-1335.

23. Bonnell D.A. Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of oxide surfaces. Prog, in Surf. Science, Vol. 57(3), 1998,pp. 187-252.

24. Владимиров Г.Г., Грязев A.JI. Механизмы воздействия острия на поверхность в сканирующем туннельном микроскопе. Вестник СПбГУ, сер. 4, вып.1(4),1993,с.24-40.

25. Tanaka К. Nanotechnology towards the 21st century. Thin solid films. 341,1999,pp.120-125.

26. Ландау Л.Д., Лившиц E.M. Теоретическая физика. т.З. Квантовая механика. М. .Наука, 1974.

27. Feuchtwang Т.Е., Cutler Р.Н. Tunneling and scanning tunnel microscopy: a critical review. Physica Scripta. Vol.35,1987,pp.132-140.

28. Simmons J.G. Generalized formula for the electric tunnel effect between similar electrodes separated by a thin insulating film. J.Appl.Phys. Vol.34(6),1963,pp.1793.

29. Binnig G., Garcia N., Rohrer H. Electron-metal-surface interaction potential with vacuum tunneling: observation of image force. Phys.Rev.B., Vol.30(8),1984,pp.4816-4818.

30. Панкратов С., Панов В. Поверхности твёрдых тел. Наука и жизнь, N5-6,1986,с.34-65.

31. Владимиров Г.Г. Физические процессы при массопереносе с острий. Диссертация на соискание учёной степени доктора физ.-мат. наук, Ленинград, 1989.

32. Tersoff J., Hamann D.R. Theory of the scanning tunneling microscope. Phys.Rev.B, Vol.31(2), 1985,p. 805.

33. Tersoff J., Hamann D.R. Theory and application for the scanning tunneling microscope. Phys.Rev.Lett., Vol.50(25), 1983,p. 1998.

34. Bardeen J. Tunneling from a many-particle point of view. Phys.Rev.Lett., Vol.6(2),1961.

35. Хайкин M.C. Сканирующий туннельный микроскоп с большим полем зрения. ПТЭ,Ш, 1989, с. 161-165.

36. Fujita D., Sheng H.-Y., Dong Z.-C., Nejoh H. Nanostructure fabrication with a point contact formation between a gold tip and a Si(lll)-(7x7) surface with an ultrahigh vacuum scanning tunneling microscope. Appl.Phys.A66,1998,S753-S756.

37. Владимиров Г.Г., Дроздов A.B. Изменение строения поверхности в сканирующем туннельном микроскопе в результате воздействия электрического поля. Поверхность, 2,1998, с. 111-124.

38. Mamin H.J., Guethner Р.Н, Rugar D. Atomic emission from a gold scanning-tunneling-microscope tip. Phys.Rev.Lett. Vol.65(19),1990,pp.2418-2421.

39. Lin H.N., Chang C.S., Tsong T.T. Generation of nanometer holes at Pt surfaces in air and a nonconducting liquid with the scanning tunneling microscope. J.Appl.Phys. Vol.77(6), 1995,pp.2825-2827.

40. Ohi A., Mizutani W., Tokumoto H. Nanometer-scale modifications of gold surfaces by scanning tunneling microscope. J.Vac.Sci.Technol. B13(3),1995, pp. 1252-1256.

41. Bessho K., Hashimoto S. Fabricating nanoscale structures on Au surface with scanning tunneling microscope. Appl.Phys.Lett. Vol.65(17),1994,pp.2142-2144.

42. Wang C., Shang G., Qiu X., Bai C. STM-studies of characteristics of the surface fabrication process using chemical and electrical methods. Appl.Phys.A68,1999,pp.181-185.

43. Lebreton C., Wang Z.Z. Nano-hole formation on gold surface using scanning tunneling microscope. Appl.Phys.A66,1998,S777-S782.

44. Kondo S., Heike S., Lutwyche M., Wada Y. Surface modification mechanism of materials with scanning tunneling microscope. J.Appl.Phys. Vol.78(l),1995, pp. 155-160.

45. Tsong T.T., Chang C.S. High field effect and methods useful transferring atoms in scanning tunneling microscope. Jpn.J.Appl.Phys. Vol.34. Part 1. No.6B,1995,pp.3309-3318.

46. Tsong T.T. Effects of an electric field in atomic manipulations. Phys.Rev.B,Vol.44(24),1991,pp. 13703-13710.

47. Li Y.Z., Vazquez L., Piner R., Andres R., Reifenberger R. Writing nanometer-scale symbolsin gold using the scaning tunneling microscope. Appl. Phys.Lett. Vol.54(15),1989,pp.1424-1429.

48. Chang C.S., Su W.B., Tsong T.T. Field evaporation between a gold tip and a gold surface in the scanning tunneling microscope configuration. Phys.Rev.Lett. Vol.72(4),1994,pp.574-577.

49. Mamin H.J., Chiang S., Birk H., Guethner P., Rugar D. Gold deposition from a scanning tunneling microscope tip. J.Vac.Sci.Technol. B9(2),1991,pp.l398-1402.

50. Taylor R, Williams R.S., Chi V., Bishop G., Fletcher J., Robinett W., Washburn S. Nanowelding: tip response during STM modification of Au surfaces. Surf. Sci.Lett.306,1994,pp. 534-538.

51. Дорофеев И. А., Косыев В.Я. Туннельный контакт под действием импульса напряжения наносекундной длительности. Письма в ЖТФ,23(17),1997,с.22-27.

52. Ostrom R.M., Tanenbaum D.M., Gallagher A. Construction of silicon nanocolumns with the scanning tunneling microscope. Appl.Phys.Lett. Vol.61(8),1992,p.925.

53. Yokoi N., Ueda S., Namba S., Takai M. Change in scanning tunneling microscope (STM) tip shape during nanofabrication. JpnJ.Appl.Phys. Vol.32,1993, pp.129-131.

54. Ни X., Blanckenhagen P. Generation and analysis of nano-scale A1 islands by STM. Appl.Phys.A66,1998, S707-S710.

55. Moriarty P., Beton P.H., Woolf D.A. Atomic scale modifications of GaAs using a scanning tunneling microscope. Appl.Phys.Lett.66(12),1995,pp.l515-1517.

56. Sigimura H., Uchida Т., Kitamura N., Masuhara H. Nanofabrication of titanium surface by tip-induced anodization in scanning tunneling microscopy. JpnJ.Appl.Phys. Vol.32,1993,pp.L553-L555.

57. Lebreton C., Wang Z.Z. Critical humidity for removal of atoms from the gold surface with scanning tunneling microscopy. J.Vac.Sci.Technol.B14(2),1996,pp.l356-1359.

58. Schaub Т., Wiesendanger R, Guntherodt H.-J. Comparative study of different tip materials for surface modification by the scanning tunneling microscope. Nanotechnology 3,1992,pp.77-83.

59. Libioulle L., Houbion Y., Gilless J.M. Very sharp gold and platinum tips to modify gold surfaces in scanning tunneling microscopy. J.Vac.Sci.Technol.B13(3),1995,pp.l325-1331.

60. Koning R., Jusko O., Koenders L., Schlachetzki A. Systematic investigations of nanostructuring by scanning tunneling microscopy. J.Vac.Sci.Technol.B14(l),1996,pp.48-53.

61. Hosaka S., Hosoki S., Hasegawa Т., Koyanagi H., Shintani Т., Miyamoto M. Fabrication of nanostructures using scanning probe microscopes. J.Vac.Sci.Technol.B13(6),1995,pp.2813-2817.

62. Ни X., Blanckenhagen P. Nano-scale metal cluster deposition using STM.

63. Appl.Phys.A68,1990,137-143.

64. Asenjo A., Schwaack Т., Pablo P., Gomez-Herrero J., Schweizer E.K., Pettenkofer C., Fuchs H., Baro A.M. Scanning tunneling microscopy and spectroscopy of atomic modifications on WSe2. Surf.Sci.398,1998,pp.231-240.

65. Fujita D., Qidu J., Nejoh H. Fabrication of gold nanostructures on a vicinal Si(l 11)7x7surface using ultrahigh vacuum scanning tunnling microscope and gold-coated tungsten tip.

66. J.Vac.Sci. Technol.B 14(6), 1996,pp.3413-3419.

67. Nagahara L., Lindsay S.M., Thundat T.S., Knipping U. Tip-bias induced surface modification of gold surfaces. J.Microsc. Vol. 152,1988,p.145.

68. Taylor G. Disintegration of water drops in an electric field. Proc.Roy.Soc. (London). Ser. A. Vol.280(1382), 1964,pp.383-397

69. Marella P.F., Pease R.F. Comment on "Writing nanometer-scale symbols in gold using the scanning tunneling microscope." Appl.Phys.Lett., Vol.55(22),1989,pp.2366-2367.

70. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М., Наука, 1973.

71. Li Y.Z., Andres R.P., Reifenberger R. Responce to "Comment on writing nanometer-scale symbols in gold using the scanning tunneling microscope". Appl.Phys.Lett.55,1989,p.2366.

72. Staufer U., Wiesendanger R, Eng L., Rosenthaler L., Hidber H.R., Guntherodt H, Garcia N. Surface modification in the nanometer range by the scanning tunneling microscope. J.Vac.Sci.Technol.A. Vol.6(2),1988,p.537.

73. Staufer U., Wiesendanger R, Eng L., Rosenthaler H.R., Hidber H.R., Guntherodt H.J., Garcia N. Nanometer scale structure fabrication with the scanning tunneling microscope. Appl.Phys.Lett.51(4), 1987,pp.244-246.

74. Muller E. Field desorption. Phys.Rev., Vol.l02(3),1956,pp.618-624.

75. Gomer R., Swanson L. Theory of field desorption. J.Chem.Phys., Vol.38(7), 1963,pp. 16131629.

76. Miscovsky N.M., Tsong T.T. Field evaporation of gold in single-and double-electrode systems. Phys.Rev.B. Vol.46(4);1992,pp.2640-2643.

77. Miscovsky N.M., Wei C., Tsong T.T. Field evaporation of silicon in the field ion microscope and scanning tunneling microscope configurations. Phys. Rev.Lett., Vol.69(16),1992,pp.2427-2430.

78. Lang N.D. Field-induced transfer of an atom between two closely spaced electrodes. Phys.Rev.B. Vol.45(23), 1992,p. 13599.

79. Kirchner F, Ritter H.A. Uber die desorption von positiven und negativen ionen durch starke elektrischen felder.// Z.Naturforsch. B.,1956,lla,S.35-37.

80. Gratzke U., Simon G. Mechanism of nanostructure formation with the scanning tunneling microscope. Phys.Rev.B, Vol.52(l 1),1995, pp.8535-8540.

81. Li Z., Wu L., Li X. Field evaporation in the configuration of a scanning tunneling microscope. Ultramicroscopy 73,1998,pp. 147-155.

82. Aono M., Kobayashi A., Grey F., Uchida H., Huang D. Tip-sample interactions in the scanning tunneling microscope for atomic-scale structure fabrication. Jpn.J.Appl.Phys. Vol.32,1993. Rl.No.3B.,pp. 1470-1477.

83. Kobayashi A., Grey F., Williams R., Aono M. Formation of nanometer-scale grooves in silicon with a scanning tunneling microscope. Science, Vol.259,1993, pp. 1724-1726.

84. Whitman L.J., Stroscio J.A., Dragoset R.A. Science, Vol.251(4998),1991,pp.l206-1210.

85. Landman U., Luedtke W.D. Nanomechanics and dynamics of tip-substrate interactions. J.Vac.Sci.Technol.B9(2), 1991,pp.414-423.

86. Landman U., Luedtke W.D. Stability and collapse of metallic structures on surfaces. Phys.Rev.Lett. Vol.73(4),1994,pp.569-572.

87. Pascual J.I., Mendez J., Gomez-Herrero J., Baro A., Binh V.T., Garcia N. Quantum contact in gold nanostructures by scanning tunneling microscopy. Phys.Rev.Lett. Vol.71 N12,1993,pp. 18521855.

88. Mendez J., Gomez-Herrero J., Pascual J.I., Saenz J.J., Soler J.M., Baro A.M. Diffusion of atoms on Au(lll) by the electric field gradient in scanning tunneling microscopy. J.Vac.Sci.Technol.B14(2),1996,pp. 1145-1148.

89. Garcia-Martin A., Lopez-Ciudad Т., Torres J.A., Caamano A.J., Pascual J.I., Saenz J.J. Differential conductance in atomic-scale metallic contacts. Ultramicroscopy 73,1988,pp. 199-203.

90. Pascual J.I., Mendez J., Gomez-Herrero J., Baro A.M., Garcia N., Binh V.T. Reply to "Comment on quantum contact in gold nanostructures by scanning tunneling microscopy". Phys.Rev.Lett. Vol.72(7),1994,p.ll29.

91. Huang D.H., Nakayama Т., Aono M. Platinum nanodot formation by atomic point contact with a scanning tunneling microscope platinum tip. Appl.Phys.Lett.Vol.73(23),pp.3360-3362.

92. Mamin H.J., Rugar D. Comment on "Quantum contact in gold nanostructures by scanning tunneling microscopy". Phys.Rev.Lett. Vol.72(7),1994,p.ll28.

93. Campbell P.A., Farnan G.A., Walmsley D.G. Geometrical field effects in voltage pulse fabrication of nanostructures using scanning tunneling microscopy. J.Appl.Phys., Vol. 84(3), 1998,pp. 1378-13 82.

94. Guo С.Х., Thomson D J. Ultramicroscopy, 42-44,1992,p. 1452.

95. Владимиров Г.Г., Дроздов A.B., Баскин JIM. О механизме модификации поверхности в СТМ под воздействием импульса напряжения. Письма в ЖТФ, вып. 21(11), 1995, с.66-71.

96. Baskin L.M., Drozdov A.V., Vladimirov G.G. The thermal expansion as a possible mechanism of nanofabrication. Surf.Sci.369,1996,pp.385-392. Tech.Phys.Lett.21(6), 1995,pp.426-428.

97. Vladimirov G.G., Drozdov A.V. Surface modification by voltage pulse in a scanning tunnelling microscope. J.Vac.Sci.Technol.B15(2),1997,pp.482-487.

98. Vladimirov G.G., Drozdov A.V., Linkov N.E. Nottingham effect for trapezoidal potential barrier. Phys.Low-Dim.Struct.,7/8,1996,pp. 127-136.

99. Nottingham W.B. Phys.Rev.59,ll,1941,pp.907-908.

100. Gimzewski J., Moller R. Transition from the tunneling regime to point contact studied using scanning tunneing microscopy. Phys.Rev.B., Vol.36(2), 1987,pp. 1284-1287.

101. Rabe J.P., Buchholz S., Ritcey A.M. Reactive graphite etch and the structure of an adsorbed organic monolayer a scanning tunneling microscopy study. J.Vac.Sci.Technol.A8,1990,pp.679-683.

102. Ringger M., Hidber H., Schlogl R, Oelhafen P.,' Guntherodt H.J. Nanometer lithography with the STM. Appl.Phys.Lett. Vol.46(9),1985,pp.832-834.

103. Адамчук B.K., Ермаков A.B., Любинецкий И.В. Растровый туннельный профилометр. ПТЭ, 1,1990, с.23 0-235.

104. Платы серии L-1250. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. АОЗТ "L-card", Москва, 1996.

105. Эдельман B.C. Высоковакуумный сканирующий туннельный микроскоп. ПТЭ,4,1989,с. 149-153.

106. Зоммер К. Аккумулятор знаний по химии. М.,Мир,1985.

107. Emsley J., The elements. Oxford, Clarendon Press, 1991.

108. Sawatzky G.A., Allen J.W. Magnitude and origin of the band gap in NiO. Phys. Rev.Lett. 53,1984,pp.2339-2342.

109. Ekvall I., Wahlstrom E., Claesson D., Olin H., Olsson E. Preparation and characterization of electrochemically etched W tips for STM. Meas.Sci.Technol.lO,1999,pp.ll-18.

110. Ochmann M, Munzer H.-J., Boneberg J., Leiderer P. A circuit for measuring the gap voltage of a scanning tunneling microscope on a nanosecond time scale. Rev.Sci.Instrum., Vol.70(4), 1999,pp.2049-2052.

111. Vladimirov G.G., Drozdov A.V., Rezanov A.N. About a change of the threshold voltage at nanostructure formation in the scanning tunneling microscope. 9th Intern. Vac.Microelectr.Conf,

112. Tech.digest, St.Petersburg, 199б,рр.453-457.

113. Владимиров ГГ., Дроздов A.B., Резанов A.H. Об изменении порога образования наноструктур в сканирующем туннельном микроскопе. Письма в ЖТФ, т.22(18),1996,с.67-71.

114. Andoh Н., Yokoi N., Takai М. Nanoscale deposition from a metal-covered scanning tunneling microscope tip. J.Appl.Phys.79(6),1996,pp.3348-3350.

115. Владимиров Г.Г., Дроздов А.В., Резанов А.Н. Влияние физико-химических свойств материала острия на модификацию поверхности импульсом напряжения в сканирующем туннельном микроскопе. Письма в ЖТФ, т. 26(9),2000,с.36-40.

116. Владимиров Г.Г., Дроздов А.В., Резанов А.Н. Зависимость модификации золота от импульса напряжения и материала острия в сканирующем туннельном микроскопе. Поверхность,! 1,2000,с.32-35.

117. Владимиров Г.Г., Дроздов А.В., Линьков Н.Е., Чубарь Л.Н. Особенности модификации поверхности олова импульсами напряжения в сканирующем туннельном микроскопе на воздухе. Поверхность,7,1999,с.52-55.

118. Hagstrom A.L., Fahlman A. The interaction between oxygen and the lead chalcogenides at room temperature studied by photoelectron spectroscopy. Appl.Surf.Sci. l,1978,pp.455-470.

119. Bettini M., Richer H.J. Oxidation in air and thermal desorption on PbTe, SnTe and Pbo.8Sno.2Te surfaces. Surf.Sci. 80,1979,pp.334-343.