VYSOKÉ U�ENÍ TECHNICKÉ V BRN� BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ ÚSTAV FYZIKÁLNÍHO INŽENÝRTSVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PHYSICAL ENGINEERING

TVORBA NANOSTRUKTUR VYUŽITÍM MIKROSKOPU AFM

BAKALÁ�SKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS AUTOR PRÁCE ANTONÍN DOUPAL AUTHOR

BRNO 2008

VYSOKÉ U�ENÍ TECHNICKÉ V BRN� BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

FAKULTA STROJNÍHO INŽENÝRSTVÍ

ÚSTAV FYZIKÁLNÍHO INŽENÝRSTVÍ FACULTY OF MECHANICAL ENGINEERING INSTITUTE OF PHYSICAL ENGINEERING

TVORBA NANOSTRUKTUR VYUŽITÍM MIKROSKOPU AFM FABRICATION OF NANOSTRUCTURES USING ATOMIC FORCE MICROSCOPY

BAKALÁ�SKÁ PRÁCE BACHELOR´S THESIS AUTOR PRÁCE ANTONÍN DOUPAL AUTHOR

VEDOUCÍ PRÁCE Ing. Miroslav Bartošík SUPERVISOR

BRNO 2008

Abstrakt Tato bakalá�ská práce pojednává o tvorb� nanostruktur využitím mikroskopie atomárních sil. Teoretická �ást poskytuje stru�ný úvod do mikroskopie atomárních sil a lokální anodické oxidace a je založena na literární rešerši. Experimentální �ást je zam��ena na vyšet�ování závislosti opera�ních parametr� (nap�tí mezi hrotem a vzorkem, rychlost hrotu) na rozm�rech LAO nanostruktur na Si (111). Dále je na t�chto oxidových nanostrukturách pozorován a analyzován selektivní r�st kobaltu a galia. Summary This bachelor thesis deals with fabrication of nanostructures using atomic force microscopy. The theoretical part gives a brief introduction into atomic force microscopy and local anodic oxidation and it is based on literature retrieval. The experimental part is concentrated on investigation of influence of operational parameters (tip-sample voltage, speed of the tip) on dimensions of LAO nanostructures on Si(111). Further the selective growth of cobalt and gallium on such oxide nanostructures is observed and analysed. Klí�ová slova LAO, AFM, Nanolitografie, Si(111), Co, Ga Keywords LAO, AFM, Nanolithography, Si(111), Co, Ga

DOUPAL, A. Tvorba nanostruktur využitím mikroskopu AFM. Brno: Vysoké u�ení technické v Brn�, Fakulta strojního inženýrství, 2008. 32 s. Vedoucí bakalá�ské práce Ing. Miroslav Bartošík.

Pod�kování Na tomto míst� bych rád pod�koval svému vedoucímu bakalá�ské práce Ing. Miroslavu Bartošíkovi za pomoc p�i ovládání mikroskopu AFM a za pomoc p�i �ešení problém� týkajících se výroby nanostruktur. Dále bych cht�l pod�kovat Ing. Miroslavu Kolíbalovi a Ing. Jind�ichu Machovi�za p�ípravu vzork�. D�kuji své rodin� za poskytnutí zázemí p�i studiu na Fakult� strojního inženýrství.

Prohlášení Prohlašuji, že jsem tuto bakalá�skou práci vypracoval samostatn� pod vedením Ing. Miroslava Bartošíka. Dále prohlašuji, že veškeré podklady, ze kterých jsem �erpal, jsou uvedeny v seznamu použité literatury. V P�erov� dne 21. kv�tna 2008

……………………………… podpis

1

Obsah

ÚVOD................................................................................................................................... 3

1 RASTROVACÍ SONDOVÉ MIKROSKOPIE ............................................................. 5

1.1 Rastrovací sondová mikroskopie ................................................................................ 5

1.1.1 Princip �innosti SPM......................................................................................... 5

1.2 AFM .......................................................................................................................... 6

1.2.1 Konstrukce AFM............................................................................................... 6

1.2.2 Interakce mezi povrchem vzorku a hrotem ........................................................ 7

1.2.3 Kontaktní mód AFM ......................................................................................... 9

1.2.4 Bezkontaktní mód AFM .................................................................................. 10

1.2.5 Poklepový mód AFM ...................................................................................... 12

1.2.6 Mikroskopie laterárních sil .............................................................................. 12

2 NANOLITOGRAFIE POMOCÍ SPM ........................................................................ 13

2.1 Lokální anodická oxidace......................................................................................... 13

3 EXPERIMENTÁLNÍ VÝSLEDKY ............................................................................ 17

3.1 Vytvá�ení oxidových nanostruktur na Si(111) .......................................................... 17

3.2 Selektivní r�st Co a Ga na oxidových nanostrukturách na Si(111) ............................ 21

ZÁV�R .............................................................................................................................. 27

DODATKY ........................................................................................................................ 29

LITERATURA .................................................................................................................. 31

2

3

ÚVOD

Zmenšování nejen elektrotechnických sou�ástek v dnešní dob� dosp�lo do stadia, kdy se jejich rozm�ry pohybují pod hranicí 100 nm. Pokud má sou�asný trend miniaturizace pokra�ovat, je zapot�ebí vyvinout nové metody a nové techniky výroby t�chto struktur v nanometrickém m��ítku. Sou�asná klasicky využívaná optická litografie již totiž dosahuje svých limitních omezení1.

V p�ípad�, kdy alespo� jeden rozm�r je menší než 100 nm a umož�uje p�ímou kontrolu fyzikálních a chemických vlastností, mluvíme o tzv. nanotechnologiích. Tento neustále se rozši�ující v�dní obor v sob� spojuje r�zné v�dní disciplíny, jako jsou fyzika, biologie, chemie �i materiálové inženýrství. Rastrovací sondové mikroskopie – SPM (z angl. Scanning Probe Microscopy) se ukázaly jako výte�ný nástroj pro studium povrch� vzork� s rozlišením až na atomární úrove�. Dále se tato metoda osv�d�ila jako vhodný nástroj pro tvorbu nanostruktur na r�zných površích.

Tato bakalá�ská práce se týká práv� p�ípravy nanostruktur pomocí AFM (z angl. Atomic Force Microscopy). Jedná se o práci, která má za úkol studovat využití mikroskopu AFM p�i p�íprav� nanostruktur, a to p�edevším pomocí metody lokální anodické oxidace. Tato práce se však nezabývá pouze touto metodou, ale i dalšími možnostmi p�ípravy nanostruktur pomocí mikroskopu AFM a dále topografickými vlastnostmi vyoxidovaných struktur.

Veškeré vyoxidované struktury, o kterých tato práce pojednává, byly vyrobeny a následn� vyhodnocovány pomocí mikroskopu AutoProbe CP-R od firmy Veeco. Tento mikroskop byl v roce 2002 zakoupen na Ústav fyzikálního inženýrství (ÚFI), Fakulty strojního inženýrství VUT v Brn�. Jedná se o komplexní za�ízení pracující v atmosférických podmínkách a umož�uje využívat velké množství technik rastrovacích sondových mikroskopií.

První kapitola pojednává o SPM mikroskopii, zvlášt� pak o AFM, která je založena na principu silové interakce sondy s povrchem zkoumaného vzorku. Tato kapitola se také ve stru�nosti zabývá základními módy AFM spolu s jejich fyzikálními a technickými principy. Tématem druhé kapitoly je popis litografických metod využívajících elektrického pole. T�etí kapitola shrnuje experimentální výsledky, kterých bylo dosaženo p�i lokální anodické oxidaci na Si(111) a p�i studiu selektivního r�stu Ga a Co na rozhraní Si(111)/SiOx.

1 V sou�asnosti se rozm�ry objekt� vytvá�ených pomocí optické litografie pohybují kolem 40 nm.

4

5

Kapitola 1

Rastrovací sondové mikroskopie

1.1 Rastrovací sondová mikroskopie Rastrovací sondovou mikroskopií, známou pod zkratkou SPM (z angl. Scanning Probe Microscopy), se souhrnn� ozna�ují mikroskopie, kterými jsou získávány informace o topografii nebo jiných specifických vlastnostech vzorku. Spole�ným znakem t�chto mikroskopií je využití interakce sondy s povrchem daného vzorku. Tyto druhy mikroskopií se vyzna�ují vysokým až atomárním rozlišením.

V pr�b�hu posledních let se SPM techniky rozší�ily z n�kolika málo specializovaných laborato�í do prakticky všech institucí zabývajících se fyzikou pevných látek �i fyzikou povrch� a tenkých vrstev. 1.1.1 Princip �innosti SPM Získávání informací o povrchu a jeho lokálních vlastnostech je �asto provád�no metodami SPM. Metody SPM obecn� využívají hrotu (angl. tip) s polom�rem �ádov� desítek nanometr�. R�zné interakce zkoumaného povrchu s hrotem pak dovolují zkoumat daný povrch �i tenkou vrstvu. Aby nastala vzájemná interakce sondy se zkoumaným povrchem, a bylo tak možné sledovat požadované vlastnosti, je nutné uvést hrot do kontaktu se vzorkem, resp. do vzdálenosti n�kolika jednotek nanometr� od povrchu, a zárove� p�itom pohybovat s hrotem (vzorkem) v rovin� rovnob�žné s povrchem.

SPM mikroskopie mají, jak již bylo uvedeno výše, tu vlastnost, že dosahují velmi vysokých rozlišovacích schopností, a to až na úrove� jednotek angström�. Takovýchto rozlišení je dosaženo p�i použití velmi ostrých hrot� s malým vrcholovým polom�rem a také pomocí p�esného �ízení pohybu vzorku v��i hrotu. Tyto velmi jemné posuvy jsou realizovány piezoelektrickými elementy. Podle druhu interakce povrchu vzorku se skenovacím hrotem se rozlišují tyto odlišné metody zobrazování:

� Mikroskopie magnetických sil (Magnetic Force Microscopy - MFM),

� Rastrovací tunelovaní mikroskopie (Scannig Tunneling Microscopy - STM),

� Rastrovací mikroskopie blízkého pole (Scanning Near-field Optical Microscopy - SNOM),

� Mikroskopie elektrostatických sil (Electrostatic Force Microscopy - EFM),

� Spinová rastrovací tunelová mikroskopie (Spin Polarized STM - SP-STM),

6

� Mikroskopie atomárních sil (Atomic Force Microscopy - AFM).

Výše uvedené metody zobrazování však nejsou veškeré existující. SPM mikroskopie jsou dynamicky se rozši�ující oblastí zobrazovacích metod a v d�sledku toho vznikají stále nové modifikace [1, 2].

Metody MFM, AFM a EFM jsou založeny na silové interakci mezi hrotem a zkoumaným vzorkem a pat�í tedy mezi metody SFM (Scanning Force Microscopy).

V této práci je využívána metoda AFM, a to nejen k zobrazování povrch�, ale i k lokální anodické oxidaci (Local Anodic Oxidation - LAO) a následné analýze vyoxidovaných nanostruktur.

1.2 AFM AFM mikroskopie je jednou z nejrozší�en�jších metod z oblasti SPM mikroskopií. Tato metoda byla poprvé p�edstavena v roce 1986 týmem tvo�eným Binnigem, Quatem a Gerberem. Ti ve výzkumných laborato�ích IBM ve Švýcarsku v Zürichu pozorovali parazitní odpuzování (p�itahování) p�i STM analýze povrchu vzorku [3].

Metoda AFM je nejvíce používanou metodou SPM, protože m�že být použita i na nevodivé vzorky nebo dokonce i vzorky živých bun��ných organism�. Dalšími výhodami této metody je relativn� vysoká zobrazovací rychlost a relativní nenáro�nost na �istotu povrchu zkoumaného vzorku. 1.2.1 Konstrukce AFM Na obr. 1.1 je znázorn�no jedno z možných konstruk�ních uspo�ádání mikroskopu AFM. Na rozdíl od STM tato metoda detekuje zm�ny atomárních sil mezi hrotem a povrchem zkoumaného vzorku, který je umíst�n na držáku skládajícího se z n�kolika piezoelement�. Tyto elementy umož�ují pohyb vzorku v��i sond�. Zm�ny silových pom�r� mezi hrotem a zkoumaným vzorkem nutí elastické raménko odchylovat se z rovnovážné polohy. Tyto odchylky jsou pak detekovány pomocí laserového svazku, který je ze zdroje (laserová dioda � = 600 ÷ 700 nm s výstupním výkonem 0,2 mW [5]) sm�rován na raménko pomocí nastavitelného zrcátka. Laserový paprsek se od tohoto raménka odráží a pomocí dalšího nastavitelného zrcátka je pak sm�rován ke �ty�segmentovému fotodeketoru (PSPD). Zm�ny elektrického signálu, které jsou získávány z dopad� foton� laserového sv�tla na fotodiodu, jsou pak využívány ke zp�tnovazebním korekcím a k získávání informací o samotné struktu�e povrchu zkoumaného vzorku.

7

Obrázek 1.1: Schéma uspo�ádání AFM [4].

Hrot se nachází na konci pružného raménka, které je trojúhelníkového nebo obdélníkového tvaru (obr. 1.2). Samotná raménka jsou integrována na nosné desti�ce pro snadn�jší manipulaci. Parametry t�chto desti�ek jako délka, ší�ka, tlouš�ka a také vlastní parametry samotného hrotu jako rezonan�ní frekvence (1 ÷ 1000 kHz) �i tuhost (10-4 ÷ 101 N/m), v�tšinou udává výrobce AFM sond. Hrot má pyramidový nebo kónický tvar a je v�tšinou vyroben z nitridu k�emíku (Si3N4), oxidu k�emíku (SiO2) nebo diamantu. Na hrot je pak možné nanášet r�zné vrstvy pro zlepšení vodivosti nebo magnetických �i mechanických vlastností. Tyto nanášené vrstvy mohou být z TiN, Au, Pt, Co, atd. Nemén� d�ležitými údaji o hrotech jsou pak jejich tvarové vlastnosti jako polom�r k�ivosti vrchol� hrot� (1 ÷ 100 nm) a vrcholový úhel kužele, pop�. jehlanu (10º ÷ 30º).

a) b) c) d) Obrázek 1.2: Ukázky r�zných ramének a hrot� zobrazených pomocí rastrovacího elektronového mikroskopu: a) trojúhelníkový typ raménka, b) obdélníkový, c) pyramidový tvar hrotu, d) kónický tvar hrotu 1.2.2 Interakce mezi povrchem vzorku a hrotem Popis interakce mezi hrotem a povrchem zkoumaného vzorku není jednoduchý. P�i této interakci p�sobí vždy n�kolik typ� sil sou�asn�. Výsledná interakce závisí nejen na použitých materiálech, ze kterých je zhotoven hrot a zkoumaný vzorek, ale sv�j vliv zde má také geometrie hrotu. Obecn� m�žeme tedy síly, které p�sobí mezi povrchem zkoumaného vzorku

8

a hrotem, rozd�lit na van der Waalsovy síly, magnetické síly a elektrostatické síly. M�žeme mezi n� ale zahrnout i síly zp�sobené iontovou a kovalentní vazbu.

Po�átkem 20. století bylo zjišt�no, že nelze jednoduše teoreticky odvodit vztah, který by popisoval vzájemné p�sobení mezi jednotlivými atomy nebo molekulami. Proto byla snaha hledat spíše semiempirické vztahy. Roku 1903 Mie navrhl jedno z možných vyjád�ení interak�ního potenciálu dvou atom� (resp. molekul), které má tvar [7]

mn r

BrA

rw ���)( , (1.1)

kde A a B jsou kladné konstanty, které jsou charakteristické pro danou interakci, r p�edstavuje vzdálenost mezi atomy a m, n jsou p�irozená �ísla, která vyjad�ují ú�innost interakce dané soustavy. Ve vztahu (1.1) je zahrnuta nejen interakce p�itažlivá, která je vyjád�ena záporným �lenem, ale i interakce odpudivá, která je popsána �lenem kladným.

Speciálním p�ípadem potenciálu, který popsal Mie, je tzv. Lennard-Jones�v potenciál. Ten je dán celkovou potenciální energií odpudivé i van der Waalsovy síly a má tvar [8]

���

�

��

��

��

���

�

��

��

612

04)(rr

wrw��

, (1.2)

kde minimální energie potenciálu w0 se nachází v bod� �12,1�r . V p�ípad�, kdy ��r , je tento potenciál roven nule. Interak�ní síla odvozená z rovnice (1.2) je pak záporn� vzatou derivací potenciálu podle r. Výsledný vztah pro interak�ní sílu je tedy dán vztahem [8]

���

���

��� 7

6

13

12

0

224)(

rrwrF

��. (1.3)

Tato síla má dv� složky: složku odpudivou ~ 13�r a složku p�itažlivou ~ 7�r .

a) P�itažlivá složka síly

Podstatou p�itažlivé složky interakce je tzv. van der Waalsova polariza�ní síla, jejíž vzdálenost dosahu se pohybuje v rozmezí od 2 Å do 1000 Å. Tato síla vzniká v d�sledku nehomogenního rozložení hustoty elektrického náboje v atomu, resp. molekule. Tato nehomogenita vede k vytvo�ení dipólového momentu v sousedním atomu, resp. molekule, a ke vzniku p�itažlivé polariza�ní síly.

b) Odpudivá složka síly

Odpudivá interakce lze vysv�tlit pomocí Pauliho vylu�ovacího principu, protože tato interakce má �ist� kvantov�-mechanický charakter. Podle Pauliho vylu�ovacího principu nemohou mít dva elektrony stejnou sadu kvantových �ísel. P�i p�iblížení dvou atom� dojde k p�ekrytí jejich elektronových obal� a n�které elektrony tedy musí p�ejít do stavu s vyšší energií. Tento p�echod elektron� do vyšších energetických stav� pak vyvolává odpudivou složku síly.

9

Obrázek 1.3: Závislost Lennard-Jonesova interak�ního potenciálu w a síly F na vzdálenosti r mezi dv�ma �ásticemi (atomy) [4].

Na obrázku 1.3 je znázorn�n pr�b�h potenciálu w(r) a interak�ní síly F(r), které p�sobí mezi dvojicí atom�, resp. molekul. K�ivka síly nad osou r p�edstavuje výslednou odpudivou sílu a k�ivka síly pod osou r znázor�uje sílu p�itažlivou. Z pr�b�hu grafu m�žeme �íci, že odpudivá síla pro hodnoty r jdoucí zleva k re velmi rychle klesá k nule. Proto se tato síla nazývá silou krátkého dosahu. Naproti tomu van der Waalsova síla, která p�sobí pom�rn� na velké vzdálenosti, je nazývána silou dlouhého dosahu. Ve vzdálenosti re, kde interak�ní potenciál dosahuje svého minima, jsou jak odpudivé, tak i p�itažlivé síly v rovnováze, a tedy výsledná síla je zde nulová.

Ve skute�nosti však není špi�ka hrotu tvo�ena jediným atomem, ale množstvím atom�. Tvar konce hrotu se proto charakterizuje polom�rem k�ivosti, jak již bylo zmín�no výše. V dosahu interak�ního potenciálu na sebe tedy nep�sobí jen dva nejbližší atomy, ale i blízké okolí sousedících atom�. Výsledná síla je potom dána sou�tem všech sil od jednotlivých atom�, které se na interakci podílejí. Podle výpo�t� a zkušeností [9] k oboustranné interakci významn� p�ispívají pouze první t�i až �ty�i vrstvy atom� hrotu a povrchu zkoumaného vzorku. 1.2.3 Kontaktní mód AFM V kontaktním módu (C-AFM) je hrot v p�ímém kontaktu s povrchem zkoumaného vzorku tak, že p�sobí mezi hrotem a povrchem výsledná odpudivá interakce, jak je znázorn�no na obrázku 1.3 na k�ivce vlevo. Celková síla, která p�sobí mezi hrotem a povrchem se pohybuje �ádov� v rozmezí 10-6 ÷ 10-8 N. P�i této zobrazovací metod� je vhodné použít raménko s malou tuhostí, aby nebyla zobrazovaná topografie zkreslena rytím hrotu do m�kkého vzorku, protože odpudivé silové p�sobení je pom�rn� velké. I p�esto je použití kontaktního módu omezeno na relativn� tvrdé povrchy. Velikost síly, kterou p�sobí hrot na povrch zkoumaného vzorku, lze stanovit z Hookova zákona a vyjád�ení má tvar [8]

10

zkFz �� , (1.4) kde k je tuhost raménka a z� výchylka konce raménka z rovnovážné polohy.

K zobrazení topografie povrchu je možné využít dva AFM módy. Jedním z t�chto mód� je režim konstantní síly, tím druhým režim konstantní výšky. Režim konstantní síly Tento režim (obr. 1.4a) se typicky využívá k zobrazování velkých ploch nebo vzork� s v�tší povrchovou nerovností. Pomocí zp�tné vazby, která udržuje konstantní prohnutí raménka, jsou získávány informace o topografii zkoumaného povrchu. Pot�ebnou p�ítla�nou sílu ur�uje operátor. Zp�tná vazba kontroluje z-ovou pozici vzorku vzhledem k hrotu tak, aby síla byla udržována na konstantní úrovni. Zp�tnovazební signál je použit p�i generování obrázku topografie.

a) b) Obrázek 1.4: a) Princip �innosti AFM v režimu konstantní síly. b) Princip �innosti AFM v režimu konstantní vzdálenosti od povrchu vzorku. Režim konstantní výšky Režim konstantní výšky (obr. 1.4b) je rychlý (v d�sledku vypnuté zp�tné vazby) a vhodný pro atomárn� hladké povrchy (kde nehrozí ulomení raménka p�i vypnuté zp�tné vazb�), ale má (resp. je schopen dosahovat) stejného rozlišení jako režim konstantní síly. Samotné generování obrázku s topografií je provád�no pomocí zm�n ohnutí raménka. 1.2.4 Bezkontaktní mód AFM V bezkontaktním módu (NC-AFM) je hrot držen ve v�tší vzdálenosti (p�ibližn� 50 ÷ 100 Å) nad povrchem vzorku. P�sobí na n�j tedy p�itažlivé síly od povrchu vzorku (obr. 1.3). Tyto síly jsou ve skute�nosti velmi malé (�ádov� 10-9 N) [10]. Nejsou však dostate�né natolik, aby mohly p�itáhnout hrot na raménku k povrchu vzorku. Proto se používá ramének s malou tuhostí. Ta jsou nad povrchem vzorku rozkmitána na frekvenci blízkou jejich rezonan�ní frekvenci. Tyto frekvence se pohybují v rozmezí 100 ÷ 400 kHz s amplitudami 10 ÷ 100 nm [10]. Silová interakce mezi vzorkem a hrotem m�ní efektivní rezonan�ní frekvenci

11

raménka a amplitudu kmitání. A práv� tyto zm�ny slouží k zobrazení povrchu zkoumaného vzorku. Souvislost mezi efektivní rezonan�ní frekvencí raménka a zm�nami topografie vzorku se dá popsat následujícím zp�sobem. Velikost efektivní rezonan�ní frekvence raménka v blízkosti povrchu zkoumaného vzorku je možné vyjád�it ve tvaru [10]

m

kefR �� , (1.5)

kde m je hmotnost raménka a kef je efektivní tuhost raménka, která vyjad�uje tuhost raménka v poli nelineárních sil v blízkosti povrchu zkoumaného vzorku. Efektivní tuhost raménka kef se dá dále vyjád�it pomocí vztahu [10]

rF

kkef�

��� , (1.6)

kde k reprezentuje vlastní tuhost raménka, r je vzdálenost mezi hrotem a povrchem zkoumaného vzorku a rF �� / p�edstavuje gradient síly, která p�sobí na hrot p�i interakci s povrchem. Z obrázku 1.3 je z�ejmé, že v bezkontaktní vzdálenosti gradient rF �� / p�i p�ibližování hrotu k povrchu zkoumaného vzorku nar�stá, a z výše uvedených vztah� (1.5) a (1.6) pak plyne, že se efektivní tuhost raménka snižuje a v d�sledku toho klesá i jeho efektivní rezonan�ní frekvence, kterou je možné detekovat a tak získat informaci o topografii nebo silovém p�sobení mezi hrotem a vzorkem (obr. 1.5).

Obrázek 1.5: Závislost amplitudy na frekvenci p�i zm�n� rezonan�ní frekvence ve dvou r�zných vzdálenostech hrotu od povrchu zkoumaného vzorku.

Velkou výhodou NC-AFM je jeho malé silové p�sobení mezi hrotem a povrchem a žádný kontakt s jeho povrchem. Díky této relativn� malé silové interakci m�žeme zkoumat velmi m�kké, elastické povrchy �i povrchy citlivé na ot�r nebo poškrábání.

12

1.2.5 Poklepový mód AFM Tento mód (z angl. tapping mode, semicontact mode nebo intermittent-contact) je speciální variantou NC-AFM metody. Tento mód pracuje také na principu, kdy je raménko s hrotem rozkmitáno na své rezonan�ní frekvenci s amplitudou 10 ÷ 1000 nm [3]. Na rozdíl od NC-AFM metody, je však hrot umíst�n do v�tší blízkosti k povrchu zkoumaného vzorku, než �iní jeho amplituda, a tak se hrot dostává do kontaktu se vzorkem. V tomto módu jsou výsledné interakce hrotu zap�í�in�ny nejen topografií, ale i mechanickou elasticitou povrchu vzorku. Tyto vlivy pak mají p�ímý vliv na amplitudu a fázi oscilací, ze kterých je pak vytvo�en výsledný obraz.

Velkou výhodou tohoto módu je to, že na hrot nep�sobí žádné t�ecí síly. Pokud však analyzujeme m�kké a elastické povrchy, za�ínají se p�i tomto módu projevovat deformace. 1.2.6 Mikroskopie laterárních sil (LFM) P�i kontaktním módu je možno také sou�asn� s topografií sledovat laterární síly p�sobící na hrot a pracovat tak v tzv. mikroskopii laterárních sil – LFM (z angl. Lateral Force Microscopy). P�i této zobrazovací metod� se detekuje zkroucení raménka vlivem sil p�sobících na hrot rovnob�žn� s povrchem zkoumaného vzorku (obr. 1.6). M��ení laterárních sil je citlivé nejen na zm�ny t�ecích sil mezi hrotem a samotným vzorkem, ale také na zm�ny sklonu povrchu vzorku. Pro odlišení t�chto dvou efekt� se používá soub�žné m��ení vertikálního vychýlení raménka (C-AFM) a jeho zkroucení (LFM). Další možností je nasnímání dvou obrázk� topografie pro opa�né sm�ry rastrování. Tuto metodu lze výhodn� využít pro zobrazení zm�n v povrchovém t�ení. Tato t�ení jsou d�sledkem nehomogenity materiálu, který tvo�í povrchovou vrstvu. Dále lze tento mód s výhodou použít pro získání obrazu hran nerovností povrchu s vysokým kontrastem.

Obrázek 1.6: Zm�na zkroucení raménka s hrotem vlivem rozdílného t�ení (a) a topografie (b) [4].

13

Kapitola 2

Nanolitografie pomocí SPM

SPM je díky svému vysokému rozlišení velmi slibnou metodou nejen pro studium nanostruktur, ale také pro jejich tvorbu. Optická litografie, jejíž rozlišení je omezeno vlnovou délkou sv�tla, se již v sou�asné dob� blíží ke svým fyzikálním limit�m (v sou�asnosti kolem 40 nm [27]). Jednou z podmínek p�i vytvá�ení nanostruktur je totiž skute�nost, že alespo� jeden rozm�r vytvo�ené struktury musí být menší než 100 nm. Proto se v poslední dob� klade stále v�tší d�raz na zavád�ní nových metod pro tvorbu stále menších za�ízení a vzor� v nanometrovém m��ítku. Jedním z možných �ešení by mohla být práv� SPM litografie, protože spl�uje p�ísné kritérium o velikosti nanostruktur uvedené výše. Je s ní totiž možné dosáhnout takového rozlišení, které p�ekonává standardy ostatních litografických metod.

Nanostruktury lze vytvá�et dvojím zp�sobem. Jedním z nich je proces, který se ozna�uje anglickým názvem top-down, kdy se menší celky vytvá�ejí pomocí v�tších celk�. Druhý postup spo�ívá v tom, že se z menších �ástí (atomy, molekuly) vytvá�ejí celky v�tší. Tento proces je ozna�ován jako bottom-up [4].

AFM lze použít k tvorb� nanostruktur a modifikaci povrchu a to pomocí t�chto dvou zp�sob�:

� Pomocí elektrického pole. � Silovým p�sobením hrotu na povrch vzorku.

Pomocí elektrického pole U této metody dochází nejen k topografickým zm�nám povrchu, ale i k elektrochemickým zm�nám. Tyto zm�ny vznikají v d�sledku p�iložení jistého nap�tí mezi daný vzorek a hrot AFM. Díky velmi malé vzdálenosti (jednotky nm) a p�iloženého nap�tí mezi vzorkem a hrotem se za�ne vytvá�et vrstvi�ka oxidu. Tento proces využívá metoda lokální anodické oxidace (LAO). Silové p�sobení hrotu na povrchu vzorku U této metody dochází pouze k topografickým zm�nám povrchu v d�sledku silového p�sobení hrotu. Tyto zm�ny jsou vytvá�eny pomocí velmi tvrdého hrotu, který je vtlá�en do relativn� m�kkého materiálu. Jednou z mnoha možností je nap�íklad rytí hrotem do vzorku.

I když byla demonstrována celá �ada SPM nanolitografických metod, všechny jsou stále ve svém ranném stádiu vývoje.

2.1 Lokální anodická oxidace Lokální anodická oxidace (LAO) pat�í mezi techniky, které k vytvá�ení nanostruktur používají elektrické pole. Poprvé byla p�edstavena v roce 1990 týmem J. A. Dagaty [11]

14

s využitím STM na pasivovaném2 Si(111) typu N za atmosférických podmínek. Podobné chování lze však pozorovat i s využitím AFM. Výhoda AFM spo�ívá v tom, že dokáže zobrazit i nevodivý povrch (tedy oxid). V p�ípad� STM proud z oxidace ovlivní tunelovací proud, a tak je ztracena informace o topografii.

LAO metoda se široce aplikuje na výrobu oxidových struktur kov�, polovodi�� a dalších materiál�. Díky intenzivnímu výzkumu je možné vytvá�et pom�rn� p�esn� složité struktury jako Metal Oxide Semiconductor - MOS tranzistory [13]. V dnešní dob� je totiž možné tento proces �ídit rychlostí pohybu hrotu, velikostí p�iloženého nap�tí, povrchovou vodivostí substrátu [14] nebo tenké vrstvy vyrobené na jeho povrchu. Dalšími možnostmi, jak ovliv�ovat oxida�ní proces, je zm�na atmosférických podmínek �i zaost�ení hrotu.

Podstatou LAO je chemická reakce zap�í�in�ná vysokou elektrickou intenzitou mezi vzorkem a hrotem. Tato oxidace probíhá pouze za atmosférických podmínek, proto vodní vlhkost adsorbuje3 na povrchu vzorku. Po p�iblížení hrotu k povrchu vzorku, na kterém chceme vytvo�it požadované struktury, pak vytvo�í voda mezi hrotem a povrchem vzorku vodní meniskus. Jelikož je molekula vody siln� polární, dochází v d�sledku vysoké elektrické intenzity (108 ÷ 1010 V/m) mezi hrotem a vzorkem k disociaci (rozšt�pení) molekuly vody na ionty. Záporné ionty OH- a O2- jsou pak vlivem vysoké elektrické intenzity p�itahovány sm�rem k povrchu vzorku, kde chemicky reagují s povrchem a vytvá�ejí tak oxid a plynný vodík H2. Ten pak voln� odchází do prostoru.

Obrázek 2.1: Princip LAO p�i kterém dochází k disociaci molekul vody v d�sledku velké elektrické intenzity.

Analytický model oxidace

První kvantitativní model oxidace tenkých vrstev pomocí iontové difúze O2- a OH- navrhli Gordon a kol. (p�esná povaha difúze však v té dob� nebyla známa) [12]. Návrh spo�íval v difúzi iont� p�es oxidovou vrstvu k rozhraní k�emík – oxid k�emíku. Rozdílná nap�tí

2 Pasivace je samovolná nebo �ízená tvorba ochranné vrstvy na povrchu pevné látky, která zabra�uje oxidaci (korozi) povrchu dané látky. Pasivovaný povrch je nereaktivní a hydrofobní (odpuzující vodu). 3 Adsorpce je separa�ní proces, kdy se plynné látky usazují na povrchu pevné pátky ve velmi tenké vrstvi�ce.

15

vytvo�ená mezi absorbovanou vrstvou iont� a zoxidovanou vrstvou se nazývá Mott�v potenciál U0. Díky n�mu vzniká elektrické pole, které podporuje difúzi. Kvantitativní analýza je odvozená z teorie Cabrery a Motta a je upravena pro oxidaci tenkých vrstev. Elektrické pole je tak velké, že driftová rychlost iont� není úm�rná elektrickému poli. Pokud W je intersticiální energie pot�ebná pro difúzi (W v sob� zahrnuje aktiva�ní energii pro difúzi spolu s po�áte�ní energií potenciální bariéry o ší�ce 2a’ mezi intersticiálními polohami), pak je možné ukázat, že r�st oxidu je dán vztahem [12]

hh

udtdh 1exp� , (2.1)

kde [12]

kT

Uqah

'1 � , (2.2)

kde q je elementární náboj, U = U0 + Uext je sou�et Mottova potenciálu a p�iloženého nap�tí mezi hrotem a povrchem vzorku, k je Boltzmanova konstanta, T je teplota a u je pak dáno vztahem [12]

��

��

� ��

kTW

uu exp0 , (2.3)

kde u0 je �ádov� 104 cm/s. Rovnice (2.1) je platná pouze pro h << h1, kde h1 se �ádov� pohybuje v n�kolika nm. Z toho je z�ejmé, že rychlost r�stu oxidové vrstvy je velká pro malé výšky oxidu h rovnice (3.1). Pokud výška oxidu p�ekro�í maximální hodnotu hL, pak elektrické pole poté již další oxidaci nevyvolá. To odpovídá poklesu elektrického pole pod hodnotu EL = 107 V/m. Lze tak dojít ke vztahu pro maximální výšku oxidu [12]

L

L EU

h � . (2.4)

�ešení rovnice (2.1) je pak [12]

uth

hhh

L

1

2

1

log11

� . (2.5)

K získání výšky oxidu na rychlosti hrotu je nutno vyjád�it �as, po který je oxidována �ára o délce l p�i rychlosti v

vl

t � . (2.6)

Souvislost mezi výškou oxidu a rychlostí hrotu je dána vztahem [12]

16

uth

hh

vhh

L

1

2

11

log1

log11

�� . (2.7)

Pro konstantní rychlost hrotu pak dostaneme [12]

U

Uulqa

vkThkTqa

hL log

'log

'

2

����

���

�� . (2.8)

Platí-li, že log'

log2

�����

���

�

ulqavkThL U, což je ve v�tšin� p�ípad� spln�no, dá se pak vztah (2.8)

aproximovat na [12]

U

ulqavkTh

kTqa

hL

���

���

��

'log

'

2. (2.9)

Tento model vysv�tluje závislost výšky oxidové vrstvy na velikosti p�iloženého nap�tí, která

je lineární, a na rychlosti hrotu, která je úm�rná vlog

1. R�zné výzkumné skupiny nezávisle na

sob� potvrdily lineární závislost výšky oxidu na p�iloženém nap�tí. Ale jejich názory na

závislost výšky oxidu na rychlosti hrotu se však liší. Navrhují závislosti ve tvaru v1

log , 2

1v

nebo 4

1v

. Tyto záv�ry jsou v�tšinou odvozeny pouze experimentáln� z nam��ených dat

a nejsou podloženy žádnou teoretickou analýzou. Nezodpov�zenou otázkou také z�stává velikost prahového nap�tí v závislosti na zastoupení p�ím�sí v substrátu nebo relativní vlhkosti okolního prost�edí [12]. Jinou závislost rychlosti r�stu oxidové vrstvy pozorovali Avouris, Hertel a Martel [15]. Jejich experimentálním dat�m odpovídá lépe model, ve kterém je rychlost r�stu oxidové vrstvy na k�emíku úm�rná [15]

���

���

� ��

cLh

udtdh

exp , (2.10)

kde konstanta oxida�ního procesu Lc � 1 nm. Tato odchylka od Cabrerovy-Mottovy teorie má být zp�sobena lokálním nap�tím v oxidové vrstv� [15]. Velká nap�tí jsou vytvá�ena objemovými poruchami mezi SiO2 a okolním nezoxidovaným k�emíkem. Elektrické pole mezi hrotem a vzorkem tak nejen vyvolává samotný proces oxidace, ale p�ispívá i k nap��ové relaxaci na povrchu.

17

Kapitola 3

Experimentální výsledky

K p�íprav� nanostruktur pomocí lokální anodické oxidace a p�i samotném zobrazování byly používány hroty uvedené v dodatku. V pr�b�hu oxidace je vzorek p�ipojen ke kladné v�tvi regulovatelného zdroje nap�tí s rozsahem 0 ÷ 10 V (sou�ást mikroskopu AutoProbe CP-R). Dále je na AFM mikroskop instalováno za�ízení, které dovoluje kontrolovat teplotu a relativní vlhkost b�hem oxida�ního procesu. Po samotné oxidaci byl pak vzorek zm��en bu stejným hrotem nebo hrotem jiným, v kontaktním (C-AFM) i v bezkontaktním módu (NC-AFM).

3.1 Vytvá�ení oxidových nanostruktur na Si(111) Cílem t�chto experiment� bylo zjistit závislosti ší�ky a výšky vyoxidovaných struktur na r�zných parametrech oxidace, a to jak na r�zném nap�tí, tak na odlišných rychlostech oxidace. Tyto struktury byly vytvá�eny p�i teplot� 21 ÷ 23 ºC a relativní vlhkosti 37 ÷ 52 % pomocí hrotu CSG 10 Au. Parametry vzorku: Si(111) dopován fosforem, polovodi� typu N, m�rný odpor � = 0,02 ÷ 0,05 ·cm. Oxida�ní motiv je zobrazen na obr. 3.1. T�sn� p�ed samotnou oxidací byl pak povrch vzorku ošet�en následujícím postupem:

� deionizovaná voda, � buffered HF (4 ml 40% HF + 20 ml NH4HF) 2 min, � deionizovaná voda, � NH4HF (oh�ev 120 ºC) 0,5 min, � deionizovaná voda, � N2.

Vyoxidované struktury pak byly zobrazeny v kontaktním módu pomocí hrotu CSG 10 a CSG 10 Au, a to hrotem použitým p�i samotné oxidaci i hrotem zcela novým. V bezkontaktním módu pak hrotem NSG 10. Nejlepšího zobrazení bylo dosaženo pomocí hrotu NSG 10 (obr. 3.2). Pomocí tohoto obrázku pak byla vyhodnocena veškerá data, která byla následn� graficky zpracována do závislostí pološí�ek a výšek oxidových �ar p�i m�nícím se nap�tí na r�zných rychlostech oxidace (obr. 3.3a) - d) a obr. 3.4a) - d).

18

Obrázek 3.1: P�edloha LAO na povrchu Si(111).

Obrázek 3.2: Oxidové �áry vytvo�ené pomocí LAO dle p�edlohy (viz. obr. 3.1).

19

a)

y = 27,532U - 43,297

R2 = 0,9041

0

50

100

150

200

250

300

5 6 7 8 9 10 11

U (V)

polo

ší�ka

(nm

)

b)

y = 17,58U + 140,22

R2 = 0,9302

0

50

100

150

200

250

300

350

400

5 6 7 8 9 10 11

U (V)

polo

ší�ka

(nm

)

c)

y = 0,002U + 314,05R2 = 5E-08

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

5 6 7 8 9 10 11

U (V)

polo

ší�ka

(nm

)

20

d)

y = 17,774U + 183,59

R2 = 0,9092

0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

5 6 7 8 9 10 11

U (V)

polo

ší�ka

(nm

)

Obrázek 3.3: Pološí�ka vyoxidované �áry v závislosti na nap�tí p�i rychlosti oxidace a) v = 200 nm/s, b) v = 100 nm/s, c) v = 50 nm/s, d) v = 10 nm/s.

a)

y = 1,3944U - 7,4064

R2 = 0,9453

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

5 6 7 8 9 10 11

U (V)

výšk

a (n

m)

b)

y = -0,0582U + 6,11

R2 = 0,0132

0

1

2

3

4

5

6

7

8

5 6 7 8 9 10 11

U (V)

výšk

a (n

m)

21

c)

y = -0,1899U + 6,2541

R2 = 0,3065

0

1

2

3

4

5

6

7

5 6 7 8 9 10 11

U (V)

výšk

a (n

m)

d)

y = -0,0763U + 3,8735R2 = 0,2229

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

4,5

5 6 7 8 9 10 11

U (V)

výšk

a (n

m)

Obrázek 3.4: Výška vyoxidované �áry v závislosti na nap�tí p�i rychlosti oxidace a) v = 200 nm/s, b) v = 100 nm/s, c) v = 50 nm/s, d) v = 10 nm/s. S hrotem CSG 10 Au se poda�ilo vytvá�et oxidové �áry, jejichž minimální ší�ka byla 97 nm a výška 1 nm. Hodnota maximální ší�ky byla 410 nm a výšky 8 nm. Vzhledem k polom�ru použitého hrotu (35 nm) je to pro ší�ku relativn� hodn�. Zkušenosti z t�chto experiment� byly použity dále pro výrobu oxidových nanostruktur pro experimenty selektivního r�stu.

3.2 Selektivní r�st Co a Ga na oxidových nanostrukturách na Si(111)

Další �ást experimentálních výsledk� se týká studia povrch�, na které byly pomocí lokální anodické oxidace vytvo�eny ur�ité struktury. Následn� pak bylo na povrchy t�chto vzork� nadeponováno4 galium nebo kobalt a pozoroval se jejich selektivní r�st. Selektivní r�st Co

4 Depozice je chemický proces využívaný pro p�ípravu tenkých vrstev, který probíhá za vysoké teploty. P�i tomto procesu se �asto uvol�ují vedlejší produkty, které jsou z reak�ního prostoru odstra�ovány nap�. vakuem.

22

byl studován vzhledem k jeho magnetickým vlastnostem a selektivní r�st Ga pro následné studium plazmon�. Depozice Co se provád�la ve vakuové komo�e p�i tlaku 5·10-7 Pa a teplot� 450 ºC, v p�ípad� Ga pak p�i stejném tlaku a teplot� 350 ºC. P�ed samotnou depozicí byl vzorek zah�íván po dobu 20 minut p�i teplot� 550 ºC (flashování) (nepublikované výsledky Ing. Miroslava Kolíbala).

P�i studiu selektivního r�stu Co byl použit Si(111) dopovaný P, polovodi� typu N

s m�rným odporem � = 0,02 ÷ 0,05 ·cm a byl pasivován následujícím postupem: � deionizovaná voda, � buffered HF (4 ml 40% HF + 20 ml NH4HF) 2 min, � deionizovaná voda, � NH4HF (oh�ev 120 ºC) 0,5 min, � deionizovaná voda, � N2.

Oxidace byla provád�na pomocí hrotu CSG 10 Au. Parametry byly následující:U = 10 V, v = 50 nm/s, T = 26 ºC, RH = 41 %. Topografie vyoxidované struktury byla zobrazena pomocí stejného typu hrotu, jakého bylo použito p�i oxidaci.

Obrázek 3.5: Topografie získaná v bezkontaktním módu pomocí hrotu NSG 10 v krátké dob� po depozici Co. Na samotném oxidu se žádné útvary nadeponovaného Co nevyskytují.

23

a) b) Obrázek 3.6: Topografie v bezkontaktním módu pomocí hrotu NSG 10 a) 5 dn� po depozici, b) 14 dn� po depozici. Velikost ostr�vk� z�stává s �asem nezm�n�na. Jejich pr�m�rná výška je 23 nm a pr�m�r 247 nm.

Kobalt se choval tak, že v blízkosti vyoxidované struktury byl mén� nahušt�n a na samotném oxidu žádný Co pozorován nebyl (obr. 3.5). Pozd�ji se však Co p�eskupil tak, že vytvo�il na oxidu pravidelné útvary (ostr�vky). Po delší dob� se však tento proces ustálil a velikost t�chto útvar� již z�stala s �asem nezm�n�na (obr. 3.6).

Nadeponovaný kobalt náhodn� migruje po povrchu vzorku. Pokud p�i této migraci „narazí“ na oxid, zvýší se pravd�podobnost jeho vypa�ení. Proto v okolí vyoxidované nanostruktury pozorujeme menší hustotu ostr�vk� Co než jinde na vzorku. Vznik pravidelných ostr�vk� na oxidové nanostruktu�e, který byl pozorován po delší dob�, neumíme vysv�tlit. Galium po depozici na povrch Si(111) formuje p�i vyšších teplotách ostr�vky [28]. Velikost t�chto ostr�vk� je možné ovliv�ovat parametry depozice. Uspo�ádání ostr�vk� je náhodné. P�i selektivním r�stu Ga na oxidových nanostrukturách vytvo�ených LAO je možné docílit toho, aby ostr�vky p�ednostn� rostly na ur�itých místech. P�itom se využívá toho, že Ga deponované za teploty vyšší než 300 ºC p�ednostn� roste na nezoxidovaných místech. Cílem experimentu bylo zjistit, jak se vyvíjí objem (resp. po�et ostr�vk�) deponovaného Ga, jestliže omezíme oxidovými bariérami plochu možného r�stu. Za tímto ú�elem byly vytvo�eny dv� struktury. Na obr. 3.7 je zachycena první struktura ve tvaru Asklepiovy hole. Tato struktura je tvo�ena postupn� se zmenšujícími �tverci o rozm�rech (nm2): 250 x 250, 300 x 300, 400 x 400, 550 x 550, 1000 x 1000, 1750 x 1750. Její p�ednost spo�ívá v tom, že je možné ji vytvo�it jako jedinou uzav�enou k�ivku. Jako vzorek byl použit Si(111) dopovaný P, polovodi� typu N s m�rným odporem � = 0,02 ÷ 0,05 ·cm a byl pasivován stejným postupem jako v p�ípad� selektivního r�stu Co. Oxidace byla provád�na pomocí hrotu CSG 10 Au a parametry oxidace byly následující: U = 10 V, v = 100 nm/s, T = 26 ºC, RH = 43 %. Po depozici, bylo pozorováno, že nadeponované Ga bylo více nahušt�no v blízkosti vyoxidované nanostruktury (obr. 3.7). Ovšem výrazn�jší zm�ny velikostí ostr�vk�

24

nadeponovaného Ga v uzav�ených strukturách samotného oxidu pozorovány nebyly (obr. 3.8).

Obrázek 3.7: Obrázek po�ízený v bezkontaktním módu pomocí hrotu NSG 10. Galium je nahušt�no v blízkosti vyoxidované nanostruktury.

Obrázek 3.8: Topografie po�ízená v bezkontaktním módu pomocí hrotu NSG 10. Velikost ostr�vk� Ga uv�zn�ných uvnit� vyoxidované struktury z�stává prakticky nezm�n�na. Druhá struktura, na které byly zkoumány velikosti ostr�vk� Ga, m�la tvar odstup�ované m�ížky a byla vytvo�ena pomocí LAO na stejném vzorku jako v p�edchozím p�ípad�, p�i�emž povrch vzorku byl pasivován stejným zp�sobem. Velikosti jednotlivých polí�ek se m�nily, a to od 350 x 350 až po 500 x 500 (nm2). Oxidace byla provád�na pomocí hrotu CSG 10 Au a parametry oxidace byly následující: U = 10 V, v = 200 nm/s, T = 26 ºC, RH = 47 %. V tomto p�ípad� bylo pozorováno, že po depozici se v každém jednotlivém polí�ku vyoxidované m�ížky vyskytuje pouze jeden ostr�vek Ga (obr. 3.9).

25

Obrázek 3.9: Obrázek po�ízený v bezkontaktním módu pomocí hrotu NSG 10. Z obrázku je patrné, že velikost uv�zn�ných ostr�vk� se m�ní s velikostí jednotlivých polí�ek. Z velikosti korela�ního koeficientu R2 je patrné, že regresní p�ímka, proložená experimentáln� získanými daty, pom�rn� dob�e vystihuje závislost velikosti uv�zn�ného ostr�vku Ga na velikosti plochy polí�ka (obr. 3.10). Z experiment� je z�ejmé, že r�st Ga ostr�vk� ovliv�uje povrchová difúze. S v�tší plochou nejprve nar�stá velikost ostr�vk�, až dosáhne ur�ité kritické hodnoty, a poté již dochází k r�stu více ostr�vk�. Experimenty názorn� demonstrují možnosti selektivního r�stu p�i ovlivn�ní velikosti a uspo�ádání Ga ostr�vk�.

y = 4,6236x - 185692

R2 = 0,8853

0

200 000

400 000

600 000

800 000

1 000 000

1 200 000

1 400 000

100 000 120 000 140 000 160 000 180 000 200 000 220 000 240 000 260 000 280 000

S / (nm2)

V /

(nm

3 )

Obrázek 3.10: Velikost objemu nadeponovaného Ga v závislosti na velikosti plochy polí�ka vyoxidované nanostruktury.

26

27

Záv�r

Tato bakalá�ská práce se zabývá p�ípravou nanostruktur pomocí metody AFM s využitím lokální anodické oxidace (LAO). Všechna topografická m��ení i samotná p�íprava nanostruktur byla provád�na na mikroskopu AutoProbe CP-R zakoupeného na Ústav fyzikálního inženýrství FSI VUT v Brn� v roce 2002. P�i studiu oxidace na Si(111) byly stanoveny závislosti rozm�r� oxidových nanostruktur na r�zných nap�tích a rychlostech oxidace. Závislosti výšky a pološí�ky na nap�tí m�ly rostoucí tendenci. Závislosti t�chto parametr� na rychlostech m�ly spíše konstantní až klesající charakter. Další experimenty se týkaly selektivního r�stu, speciáln� pak selektivního r�stu Co a Ga na Si(111). Bylo zjišt�no, že Co se po depozici vyskytuje s menší hustotou práv� v okolí oxidových nanostruktur. Ga se v t�chto oblastech vyskytovalo naopak hust�ji. Dále bylo pozorováno, že po ur�ité dob� se p�ítomný Co z okolí vyoxidované struktury p�esunul na samotný oxid, ale v pr�b�hu �asu se již dále nep�esouval a výsledná struktura z�stávala za pokojových teplot stabilní. V p�ípad� Ga byl pozorován pravý opak. Ga se na oxidu nevyskytovalo. Byla ale pozorována jiná skute�nost, a to taková, že v p�ípad� uv�zn�ní jednotlivých ostr�vk� nadeponovaného Ga se jejich velikost, resp. objem, v závislosti na velikosti plochy uzav�ené vyoxidované struktury zv�tšovala. Z podrobn�jšího zkoumání se pak tato závislost jeví jako lineární. Uvedené zkušenosti, získané p�i studiu selektivního r�stu, mohou být dále využity, p�edevším pro výrobu polí ostr�vk� Ga p�i studiu plazmon�.

28

29

Dodatky

Konstruk�ní uspo�ádání mikroskopu AutoProbe CP-R

Obrázek 5.1: Systémové komponenty SPM mikroskopu CP-R [4].

Obrázek 5.2: Schéma hlavy s uchycením hrotu mikroskopu CP-R [4].

30

Obrázek 5.3: Schéma kazety s pozicí uložení desti�ky s hroty mikroskopu CP-R [4].

Parametry použitých hrot� V následující tabulce jsou uvedeny parametry všech hrot�, které byly použity p�i studiu a p�íprav� nanostruktur pomocí mikroskopu AutoProbe CP-R v této bakalá�ské práci. Všechny hroty jsou od stejného výrobce NT-MDT.

Hrot Tuhost raménka (N/m)

Rezonan�ní kmito�et (kHz)

Polom�r k�ivosti hrotu (nm)

Výška hrotu (�m)

CSG 10 0.1 20 10 10-15 CSG 10 TiN 0.1 20 35 10-15 CSG 10 Au 0.1 20 35 10-15 NSG 10 11.5 255 10 10-15 DCP 20 48 420 50-70 10-15

Tabulka 5.1: Tabulka použitých hrot�.

31

Literatura

[1] R. Wiesendanger: Scanning Probe Microscopy and Spectroscopy: Methods and Applications, Cambridge University Press, 1998

[2] E. Meyer, H. J. Hug, R. Bennewitz: Scanning Probe Microscopy – The Lab on a Tip, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2004

[3] G. Binnig, C. F. Quate, and Ch. Gerber: Phys. Rev. Lett. 56, 930, 1986

[4] M. Bartošík: Aplikace AFM/STM v oblasti nanotechnologií, diplomová práce, VUT FSI v Brn�, Ústav fyzikálního inženýrství, 2003

[5] AutoProbe CP-Research User’s guide, Part I, TM Microscopes Company, 2001

[6] Internetové stránky: http://www.veeco.com, 21.3. 2008

[7] J. N. Israelachvili: Intermolecular and Surface Forces, 2nd ed., Academic Press Ltd., 1994

[8] D. Sarid: Scanning Force Microscopy, Optical Science Center, Oxford University Press, revise edition, 1994

[9] R. Kalousek: In-situ monitorování povrch� pevných látek modifikovaných iontovými svazky metodou SFM/STM v podmínkách ultravakua, diplomová práce, VUT FSI v Brn�, Ústav fyzikálního inženýrství, 1996

[10] AutoProbe CP-Research User’s guide, Part II, TM MIcroscopes Company, 2001

[11] J. A. Dagata a kol.: Modification of hydrogen-passived silicon by a scanning tunneling microscope operating in air, Appl. Phys. Lett., Vol. 56, 1990

[12] D. Stiévenard, P. A. Fontaine, E. Dubios: Nanooxidation using a scanning probe microscope: An analytical model based on field induced oxidation, Appl. Phys. Lett., Vol. 70, 1997

[13] X. N. Xie, H. J. Chung, C. H. Sow, A. T. S. Wee: Nanoscale material pattering and engineering by atomic force microscopy nanolithography, Mat. Sci. And Eng., 2006

[14] V. Cambel, J. Martaus, J. Šoltýs, R. Kúdela, D. Gregušová: AFM nanooxidation process – Technology perspektive for mesoscopic struktures, Surf. Sci., (Vol. nep�id�leno), 2006

[15] P. Avouris, T. Hertel, R. Martel: Apl. Phys. Lett. 71 (2), 285, 1997

[16] Internetové stránky: http://www.ntmdt-tips.com, 27.3. 2008

[17] S. Gwo: Scanning probe oxidation of Si3N4 masks for nanoscale lithography, micromachining, and selective epitaxial growth on silicon, J. Phys. Chem. Sol., 62, 2001

[18] J. �ervenka: Aplikace rastrovací sondové mikroskopie v oblasti nanotechnologií, diplomová práce, VUT FSI v Brn�, Ústav fyzikálního inženýrství, 2004

[19] Encyklopedie Wikipedia: http://cs.wikipedia.org/wiki/Depozice, 28.3. 2008

[20] B. Rezek, C. Sauerer, J. A. Garrido: Scribing into hydrogenated diamond surfaces using atomic force microscopy, Appl. Phys. Lett. 82, 19, 2003

[21] I. Brodie, J. J. Muray: The Physics of Micro/Nanofabrication, Springer, 1993

32

[22] J. �ervenka, R. Kalousek, M. Bartošík, D. Škoda, O. Tomanec, and T. Šikola: Fabrication of nanostructures on Si(100) and GaAs(100) by local anodic oxidation, p�ijato do Appl. Surf. Sci. 253, 2006

[23] Encyklopedie Wikipedia: http://cs.wikipedia.org/wiki/Adsorbce, 28.3. 2008

[24] D. Halliday, R. Resnick, J. Walker: Fyzika, �ást 5 Moderní fyzika, Vutium 2000

[25] M. Shibata, S. S. Stoyanov, M. Ichikawa: Selective growth of nanometer-scale Ga dots on Si(111) surface windows formed in an ultrathin SiO2 film, Phys. Rev. B, 59, 1999

[26] M. Zapletal: P�íprava nanostruktur pomocí metody AFM, diplomová práce, VUT FSI v Brn�, Ústav fyzikálního inženýrství, 2007

[27] J. �echal, M. Kolíbal, P. Kostelník, T. Šikola: Gallium structure on the Si(111)-(7 x 7) surface: influence of Ga coverage and temperature, Journal of Physics: Condensed Matter, Vol.19, 2007, No.1