Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,074

ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР МЕДИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ

Смирнов В.А. 1 Ткачук В.В. 1 Полякова В.В. 1 Бирюков М.И. 2
1 ФГАОУ ВПО «Южный федеральный университет»
2 ООО «Владикавказский технологический центр ‟Баспик„»
Сканирующая зондовая микроскопия является одним из основных методов анализа и модификации поверхности подложки, который широко используется в области нанотехнологий, при проведении научных исследований физических и химических свойств объектов с высоким пространственным разрешением. Проведен анализ существующих литографических методов профилирования поверхности подложки. Представлены результаты экспериментальных исследований по разработке методики изготовления зондов для электрохимической сканирующей туннельной микроскопии. Показано, что использование разработанной методики позволяет получать зонды с радиусом закругления менее 50 нм, применение которых позволило проводить осаждение наноразмерных структур меди на поверхности подложки золота методом электрохимической сканирующей туннельной микроскопии. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов формировании наноразмерных структур, элементов наноэлектроники и наносистемной техники.
нанотехнологии
электрохимическое осаждение
сканирующая туннельная микроскопия
наноразмерные структуры
1. Зондовая фотонно-стимулированная нанолитография структур на основе пленки титана / О.А. Агеев, Б.Г. Коноплев, В.А. Смирнов и др. // Микроэлектроника. – 2007. – Т. 36. – № 6. – С. 403–408.
2. Получениe наноразмерных структур на основе нанотехнологического комплекса НАНОФАБ НТК-9 / О.А. Агеев, А.С. Коломийцев, В.А. Смирнов и др. // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2011. – Т. 114. – № 1. – С. 109–116.
3. Фотоактивация процессов формирования наноструктур методом локального анодного окисления пленки титана / О.А. Агеев, Б.Г. Коноплев, В.А. Смирнов и др. // Известия высших учебных заведений. Электроника. – 2010. – № 2 (82). – С. 23–30.
4. Асеев А.Л. Нанотехнологии в полупроводниковой электронике. – Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2004. – 368 с.
5. Коноплев Б.Г., Агеев О.А. Элионные и зондовые нанотехнологии для микро- и наносистемной техники // Известия Южного федерального университета. Технические науки. – 2008. – Т. 89. – № 12. – С. 165–175.
6. Dawn A.B. Scanning probe microscopy and spectroscopy: theory, techniques, and applications / 2 nd ed. Willey-Vich, 2001. – 493 p.
7. Said R.A. Microfabrication by localized electrochemical deposition: experimental investigation and theoretical modeling // Nanotechnology. – 2003. Vol. 14. – P. 523–531

Сканирующая зондовая микроскопия (СЗМ) является одним из основных методов анализа и модификации поверхности подложки, который широко используется в области нанотехнологий при проведении научных исследований физических и химических свойств объектов с высоким пространственным разрешением [1, 2, 3, 5].
Анализ существующих литографических методов профилирования поверхности подложки, таких как электронно-лучевая литография, рентгеновская литография и ионная литография, показал, что применение таких методов ограничено из-за сложности и высокой стоимости литографических систем, поэтому для формирования структур наноэлектроники требуется разработка новых методов модификации поверхности подложки с нанометровым разрешением. Актуальным решением этой проблемы является разработка процессов профилирования поверхности подложки на основе зондовой нанолитографии методом электрохимической сканирующей туннельной микроскопии (ЭХ СТМ), позволяющей создавать наноразмерные структуры наноэлектроники и наносистемной техники на поверхности подложки, формировать каталитические центры, проводить исследования процессов электрохимического осаждения и электрохимического растворения различных материалов
[4, 6, 7].

В электрохимической сканирующей туннельной микроскопии одним из основных параметров, оказывающих влияние на параметры формируемых наноструктур, является качество зонда, основной особенностью которого является покрытие химически стойким диэлектрическим материалом. Изоляция наносится на всю поверхность зонда, кроме непосредственно самого кончика острия, причем диаметр неизолированной области должен быть минимальным. Такие требования к изготовлению ЭХ СТМ зондов обусловлены спецификой электрохимической СТМ, т.к. процессы осаждения наноразмерных структур проводятся в электрохимической ячейке с четырьмя электродами, одним из которых является зонд с потенциальным контролем при помощи бипотенциостата. Формирование наноструктур происходит из электролита на область подложки, находящейся под неизолированным острием зонда за счет протекания туннельного тока, стимулирующего возникновение электрохимических реакций в системе зонд-подложка. Таким образом, диаметр неизолированной области кончика острия зонда будет определять геометрические размеры формируемых наноразмерных структур.

Целью работы является разработка методики изготовления зондов для ЭХ СТМ и исследование их параметров, а также проведение электрохимического осаждения наноразмерных структур меди на поверхности подложки.

Материалы и методы исследования

Анализ литературных данных показал, что для изготовления ЭХ СТМ зондов широкое распространение получил метод, основанный на нанесении диэлектрического вакуумного воска «Apiezon» с помощью специальной оснастки и нагревателя [1]. На первом этапе заготовку в виде вольфрамовой проволоки затачивают методом электрохимического травления, затем наносят изоляцию по поверхности заготовки, а на завершающем этапе снимают изоляцию с острия зонда. На основе существующей методики была разработана новая методика изготовления ЭХ СТМ зондов, особенность которой состоит в том, что сначала заготовку в виде вольфрамовой проволоки покрывают изолирующим материалом, а затем методом электрохимического травления формируют острие зонда.

После изготовления экспериментальных образцов ЭХ СТМ зондов проводилось исследование их параметров на растровом электронном микроскопе Nova NanoLab 600 (FEI Company, Нидерланды). На рис. 1 представлены РЭМ-изображения ЭХ СТМ зондов, сформированных по существующей и разработанной методике соответственно. Анализ полученных РЭМ-изображений показал, что острие зонда, полученного по существующей методике (рис. 1, а), покрыто частицами изолирующего материала, которые будут негативно влиять на параметры процесса формирования наноразмерных структур методом ЭХ СТМ. Тогда как острие зонда, полученного по разработанной методике, имеет радиус закругления острия около 56 нм без наличия частиц изоляционного материала на его рабочей поверхности (рис. 1, б).

арис_70.tif  брис_71.tif

Рис. 1. РЭМ-изображение ЭХ СТМ зондов, полученных:
а – по существующей методике; б – по разработанной методике

Результаты исследования и их обсуждение

С использованием зондов, изготовленных по разработанной методике, проводилось электрохимическое осаждение наноразмерных структур меди в режиме ЭХ СТМ с использованием зондовой нанолаборатории Ntegra (НТ-МДТ, Россия) на поверхности подложки Au (111) в растворе электролита 50 мМ H2SO4 + 1 мМ CuSO4. Сначала по вольтамперограмме, построенной методом циклической вольтамперометрии (рис. 2), проводились операции по определению режимов осаждения меди, настройке бипотенциостата, контролю чистоты электрохимической ячейки и состояния поверхности рабочего электрода. После определения и установки оптимальных параметров проводилось электрохимическое осаждение наноразмерных структур меди, результаты которого представлены на рис. 3.

рис_72.tif

Рис. 2. Вольтамперограмма процесса ЭХ СТМ

арис_73.tif брис_74.tif

врис_75.tif грис_76.tif

Рис. 3. СТМ-изображение поверхности подложки золота и профилограммы вдоль линии:
а, б – до ЭХО; в, г – после ЭХО

Анализ полученных СТМ-изображений (см. рис. 3) показал, что на поверхности подложки золота были сформированы наноразмерные структуры меди шириной около 122 нм и высотой около 315 нм.

Заключение

В результате работы разработана методика изготовления зондов для электрохимической сканирующей туннельной микроскопии. Изготовлены экспериментальные образцы ЭХ СТМ-зондов. Показано, что разработанная методика позволяет формировать зонды с радиусом закругления острия менее 50 нм. Показана перспективность применения полученных зондов при исследовании процессов формирования наноразмерных структур меди на поверхности золотой подложки методом электрохимической сканирующей туннельной микроскопии. Полученные результаты могут быть использованы при разработке технологических процессов формировании наноразмерных структур, элементов наноэлектроники и наносистемной техники.

Работа выполнена при поддержке государственными соглашениями № 12-08-90045/12, № 14.А18.21.0126, № 14.A18.21.0923, № 14.A18.21.0933, № 14.A18.21.0900, № 14.A18.21.0887, № 14.A18.21.1206 в рамках проектов РФФИ и ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009–2013 годы.

Рецензенты:

Рындин Е.А., д.т.н., профессор, ведущий научный сотрудник ЮНЦ РАН;

Жорник А.И., д.ф.-м.н., профессор кафедры теоретической, общей физики и технологии ФГБОУ ВПО ТГПИ.

Работа поступила в редакцию 26.10.2012.


Библиографическая ссылка

Смирнов В.А., Ткачук В.В., Полякова В.В., Бирюков М.И. ФОРМИРОВАНИЕ НАНОРАЗМЕРНЫХ СТРУКТУР МЕДИ МЕТОДОМ ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ СКАНИРУЮЩЕЙ ТУННЕЛЬНОЙ МИКРОСКОПИИ // Фундаментальные исследования. – 2012. – № 11-3. – С. 656-659;
URL: http://www.fundamental-research.ru/ru/article/view?id=30591 (дата обращения: 14.11.2019).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074