Felülettudomány és nanotechnológia, atomi léptékű manipulátor, nanolitográfia

az STM felfedezéséért kapott Nobel-díj megünneplése 1986 IBM-Laboratórium, Zurich

Gerd Binnig, Heinrich Rohrer

Scanning Probe Microscopy (SPM)

STM, AFM (SFM), MFM (SMM)

az első kísérleti megvalósítás

Si (111)-(7x7)

Az alagútmikroszkóp elvi működési vázlata

1. elektronika, számítástechnika,

2. zajcsökkentés, mechanikai stabilitás

3. reprodukálható tű készítés

4. képfeldolgozás, megjelenítés

5. kiegészítő módszerek alkalmazása

a gyakorlati munka szempontjából fontos faktorok

STM üzemmódok SPM funkciók

konstans áramú leképezés

It = const., Z-piezo visszacsatolás

képi információ: Z-piezo feszültség

állandó távolságú leképezés

Z-piezo konstans, nincs visszacsatolás

képi információ: It alagútáram

I / U spektrumok felvétele (STS) X, Y, Z-piezo konstans

mikroszkóp

nanomanipulátor

spektrométer

Milyen irányban kell fejlesztenünk az SPM módszereket ? ? ?

1. minta-preparáció, mélyhőmérsékleti mérések

2. a spektroszkópia nagyobb kihasználása (STS)

3. a felvételi sebesség növelése (video STM)

4. nanomanipuláció írányított végzése

5. „in situ” társítás más felületanalitikai módszerekkel

Nanomanipuláció pásztázó alagútmikroszkóppal

A legtöbb módszer bizonyos paraméterek túllépésekor képes megváltoztatni a vizsgált anyagot („beam effect”, sugárhatás), ami általában káros, de ki is használható szándékolt manipulációra.

Az SPM-módszerek mindegyike alkalmas nanoméretű szerkezeti változások előidézésére (nanolitográfia).

Az alapvető paraméterek, melyek kritikus értéke felett felületi modifikáció léphet fel:a, energia fluxus

disszipált energia (alagútáram, Joule-hő) sugárzási energia (minta tű )

b, potenciálkülönbség (elektromos térerő) a minta és a csúcs közötttérionozációs folyamatok;

c, fizikokémiai erők fellépte alagutazás közbenelektrosztatikus erők;kontakt erők;

Individuális atomok mozgatása

és hasonló folyamatok technológiai jelentősége

képméret: 5 nm x 5 nm

10 nm széles fémhuzal kialakítása alagutazásban indukált gázfázisú W(CO)6 –ból történő leválasztással; képméret: 430 nm x 430 nm.

Xe-atomok rendezése Ni(110) felületen

D. M. Eigler, E. K. Schweizer: Nature 344 (1990) 524

STM-nanolitográfia lehetséges fizikokémiai körülményei, típusai

1. Mechanikai kontaktusban indukált nanoszerkezetek;

2. Foto- és elektronérzékeny vékonyfilmek lokális kezelése hagyományos fotolitográfiai eljárásokban;

3. Az STM-tűre előzetesen juttatott bevonat depozíciója a minta adott pontján („mártós toll”);

4. Ultravékony filmek, bevonatok kezelése (több komponensű filmek belső sztöchiometriájának lokális megváltoztatása);

5. Organometallikus és egyéb gázfázisú vegyületek lecsapatása (indukált disszociációja);

6. Manipuláció adszorbeált atomokkal és molekulákkal;

7. Elektro- és fotokémiai folyamatok indukálása az alagútazási tartományban (lokális maratás, lokális oxidáció);

8. Aktivált felületi diffúzió révén kialakított nanoszerkezetek;

9. Felületeken kötött nano- és mikroobjektumok átformálása (fullerének, biológiai makromolekuláris rendszerek manipulálása);

az atomok mozgatásának lépései:

(i) megközelítés, vagyis az alagútáram fokozatos növelése;

(ii) a mozgatandó részecske átugratása a szomszédos adszorpciós centrumba (az eseményt az alagútáram megváltozása mutatja);

(iii) a tű visszahúzása és tovább mozgatása az új helyen lévő molekula fölé.

(Az egész procedúra automatizálható !)

Cu(211) (111) teraszok + (100) lépcsők

A lépcső atomok világos sorok formájában jelentkeznek.A sötét pontok az adszorbeált CO molekulákkal azonosíthatók. A területek mérete: 13.5 nm x 13.5 nm. A manipulációt 15 K hőmérsékleten hajtották végre.

Az STM, mint nanomanipulátor

A leképező tű megfelelő alagútáram és feszültség esetén képes arra, hogy a felületen kötött atomot vagy molekulát felvegye vagy lerakja, ily módon atomokból szabályos elrendeződések rakhatók ki (csak türelem kérdése).

Carbon Monoxide Man Carbon Monoxide on Platinum (111)

The Beginning Xenon on Nickel (110)

Atomi litográfia a Si(111)-(7x7) felületen

A nyíllal jelölt atomot a következő módon távolították el:

30 ms időtartamra –5.5 V feszültséget alkalmaztak az egyébként leképezésre használt + 2.0 V helyett (0.6 nA alagútáram mellett)

A hidrogénnel passzivált Si felületen a hidrogén-hiányos helyek fénylő pontokként jelentkeznek.

6-7 V tartományban adott impulzus hatására a pontok száma nagy valószínűséggel növelhető, azaz hidrogén távolítható el a felületről.

Az ún. küszöbfeszültség értéke az elektronszerkezettel magyarázható, ugyanis kb éppen 7 V nagyságrendű a átmenet értéke.

küszöbfeszültségmanipuláció előtt

manipuláció után

kráter indukálás (+ 4 V ; 10 nA)

Kiemelkedés indukálás (+ 3.7 V ; 0.1 nA)

Leképezés(+ 1.5 V ; 0.2 nA)

küszöb feszültség3.5 V

A tiszta TiO2(110) felületen nanoszerkezetek indukálása

Alagútazással indukált nanoszerkezetek a Rh-mal borított TiO2(110)-(1x2) felületen ( a tű állapotától is függ az eredmény)

1

2

A B

B’C

z = 1.7 nm z = 2.5 nm

z = 5.2 nm

50 nm x 50 nm

7.9 nm

+ 4 V 2 nA

10 sec

1. Lecsapatás a tűről

2. A felületen indukált hőkezelés

ha van anyag a tűn

ha nincs anyag a tűn

Az egyszerűbb atomi manipuilációkat viszonylag jól lehet kvantumkémiai számításokkal ellenőrizni ill. a megfelelő manipulációs lépéseket megtalálni.

A teljes energia (total energy) térkép jól mutatja

az STM-tű által a felső részben okozott perturbációt.