Физические эффекты, протекающие в системе зонд-подложка

Рассмотрим физические эффекты, лежащие в основе туннельно-зондовой нанотехнологии и используемые при формировании наноструктур.

В растровом туннельном микроскопе при напряжении между игольчатым электродом и подложкой 5В и зазоре между ними 0.5нм возникают электрические поля приблизительно 10⁸В/см, сравнимые с внутриатомными. «Преимуществами таких полей являются их локальность, по крайней мере в областях на поверхности подложек с поперечником до 20нм, и низкие приложенные напряжения, которые не могут вызывать ионизацию молекул и атомов в межэлектродном зазоре» [3]. При таких полях возможны плотности токов электронной эмиссии до 10⁸А/см², которые можно оценить по формулам Фаулера - Нордгейма:

(1)

где E - напряженность электрического поля, В/см, φ - работа выхода электрона из электрода, к которому приложено электрическое поле, В. Сверхплотный пучок энергетических электронов из игольчатого электрода может вызвать на подложке локальный разогрев. Локальное повышение температуры по радиусу вдоль поверхности от оси пучка для изотропных подложек можно оценить по формуле:

(2)

где U - напряжение, приложенное к электродам; I - туннельный ток; κ - коэффициент термической проводимости подложки; l - длина неупругого рассеяния электронов в подложке [3].

«Электростатическое поле порождает также нормальное к поверхности электродов механическое напряжение:

(3)

где ε - диэлектрическая проницаемость среды между электродами, ε₀- диэлектрическая проницаемость вакуума. Это поле может быть достаточным для локальных упругих и пластических деформаций поверхности металлических электродов» [3].

Для полупроводниковых подложек, когда внешнее электрическое поле проникает в объем полупроводника, ситуация усложняется, при этом возможна, в частности, локальная глубинная деформация подложек.

«С помощью сильного электрического поля в межэлектродном зазоре возможна заметная поляризация молекул среды и их перестройка (например, геометрическая изомерия), а за счет диполь-дипольного взаимодействия молекул и допирующих примесей возможно образование проводящих молекулярных мостиков из адсорбата электродов, либо из жидкой диэлектрической фазы, находящейся в межэлектродном зазоре. При этом существует критическое электрическое поле E _m для образования молекулярных мостиков:

(4)

где μ - постоянный дипольный момент молекулы, α - ее поляризуемость, T - абсолютная температура, k - постоянная Больцмана» [3].

При E > E _m поляризованные молекулы будут связаны диполь-дипольным взаимодействием и ориентированы в направлении внешнего поля. При E<E _m тепловое движение молекул должно разрушать мостики. Наконец, при полях E>E _p возможно полевое испарение отдельных атомов и их комплексов с игольчатого электрода или подложки. Значение электрического поля E _pпри котором начинается массоперенос в виде положительных ионов можно вычислить по формуле:

(5)

где e - заряд электрона, β - кратность ионизации испаряемого атома; I _k - потенциал k - кратной ионизации атома; λ - энергия испарения атома, φ - работа выхода электрона. Выражение для плотности тока испаряемых ионов при комнатных температурах и ниже можно приближенно записать в виде:

(6)

где j₀ - плотность тока насыщения ионов, определяющаяся условиями на электроде, с которого происходит испарение:

Для массопереноса в виде отрицательных ионов имеем:

(7)

здесь β - кратность зарядового состояния атома, φ - работа выхода электрона.

Для стационарного полевого испарения атомов, очевидно, должно выполняться условие:

E ₀ > E_p,

где E ₀ – электростатическое поле порога пластической деформации.

В противном случае, вместо испарения полем будут возникать металлические перемычки между игольчатым электродом и подложкой. Поскольку поля E_p велики (~10⁸В/см), актуальной является проблема понижения величины этих полей.

При лазерном излучении в межэлектродном зазоре для образования на поверхности электродов возбужденных атомов вместо величины I _kв формуле (5) для E_p необходимо использовать где ν - частота резонансного возбуждения атомов, ћ- постоянная Планка.

Концентрация возбужденных атомов определяется соотношением:

где N ₀ - концентрация атомов в основном состоянии; ρ(ν) - плотность лазерного излучения на частоте ν; B ₁₀ - коэффициент вероятности перехода из основного cостояния в возбужденное; A ₀₁ - вероятность спонтанного перехода из возбужденного состояния в основное. Используя метастабильные уровни, для которых A ₀₁ мала, можно существенно снизить плотность необходимого электромагнитного излучения. При более детальном рассмотрении необходимо еще учитывать вероятность "тушения" возбужденных атомов на поверхности электродов. Заметим, что с помощью перестраиваемого лазерного излучения можно управлять избирательностью процесса полевого массопереноса [3].

Электронные токи с плотностями до 10⁹А/см², которые могут протекать в СТМ, вызывают не только локальный разогрев подложки. Может оказаться существенным влияние пондеромоторных объемных сил, распределенных с плотностью:

F = 1/c [ j, B] (8)

где c - скорость света, B - индукция магнитного поля, которое создается втекающим в подложку током. Как показывает опыт, через туннельные зонды из вольфрама в защитной среде можно пропускать кратковременные токи до 100мА. Такие токи создают небольшие магнитные поля, однако за счет сверхбольших плотностей токов значение электродинамической силы может быть существенным.

«Наибольшее воздействие будет испытывать область подложки, находящаяся непосредственно под острием зонда. Как показывает опыт, через туннельные зонды из вольфрама в защитной среде можно пропускать кратковременные токи до 100 мА. Такие токи создают небольшие магнитные поля, однако за счет сверхбольших плотностей токов значение электродинамической силы может быть существенным. Если давление будет превышать напряжение начала пластического течения материала подложки, то возможно локальное изменение свойств подложки. Этому способствует и то, что электронный пучок, входящий в подложку, вызывает ее разогрев, снижая величину напряжения пластического течения материала» [4].

«При удельных энергиях электронного пучка более 10⁶Вт/см²возрастают механические силы, действующие на облучаемый участок и обусловленные давлением на приповерхностный слой самого электронного пучка. Давление электронного пучка можно оценить по формуле:

F_e = jmv/e = 1,06*10^-3(P_e/W^0.5) (9)

где e, m, v – заряд, масса и скорость электронов соответственно; Р_e – удельная мощность, Вт/см²; W – энергия электронов в ускоряющем поле, кэВ; F_e – давление, Па» [3].

Таким образом, основными факторами, определяющими процессы туннельно-зондовой нанотехнологии, являются:

• локальные электрические поля (10⁸...10⁹В/см), сравнимые с внутримолекулярными и внутриатомными;

• сверхбольшие плотности токов (до 10⁹А/см²);

• сверхплотные локальные потоки тепла;

• возможны и внешние инициирующие воздействия (например, лазерное излучение и др.).

При взаимодействии ускоренных электронов с твердым телом может происходить множество взаимосвязанных процессов, приводящих к необратимым изменениям в локальной приповерхностной области образца.

СТМ позволяет реализовать концепцию атмосферной нанотехнологии, причем полученные результаты не уступают по многим параметрам результатам, полученным методами нанотехнологии в глубоком вакууме.

Дата добавления: 2015-10-21