مقالة منهجية
الإلكترونيات النانوية للأكسيد هي مجال سريع النمو يسعى إلى تطوير مواد جديدة ذات سلوك متعدد الوظائف بأبعاد نانوية. تظهر واجهات الأكسيد مجموعة واسعة من الخصائص التي يمكن التحكم فيها بما في ذلك التوصيل والسلوك الكهروإجهادي والمغناطيسية الحديدية والموصلية الفائقة والخصائص البصرية غير الخطية. في الآونة الأخيرة ، تم اكتشاف وتطوير طرق للتحكم في هذه الخصائص بأبعاد نانوية قصوى. فيما يلي وصف للإجراءات الصريحة خطوة بخطوة لإنشاء الهياكل النانوية LaAlO3 / SrTiO3 باستخدام تقنية الفحص المجهري للقوة الذرية الموصلة القابلة للانعكاس. يتم وصف خطوات المعالجة لإنشاء جهات اتصال كهربائية لواجهة LaAlO3 / SrTiO3 أولا. يتم إنشاء الهياكل النانوية الموصلة عن طريق تطبيق الفولتية على طرف مجهر القوة الذرية الموصلة وتبديل واجهة LaAlO3 / SrTiO3 محليا إلى حالة موصلة. تم تطوير مجموعة أدوات الطباعة الحجرية النانوية متعددة الاستخدامات صراحة لغرض التحكم في مسار طرف مجهر القوة الذرية (AFM) والجهد. بعد ذلك ، يتم وضع هذه الهياكل النانوية في ناظم البرد ويتم إجراء قياسات النقل. يجب أن تكون الإجراءات الموضحة هنا مفيدة للآخرين الراغبين في إجراء أبحاث في الإلكترونيات النانوية الأكسيد.
heterostructures أكسيد 1-5 المعرض تشكيلة واسعة من الظواهر الفيزيائية بشكل ملحوظ الناشئة التي هي على حد سواء مثيرة للاهتمام علميا ويمكن أن تكون مفيدة للتطبيقات 4. على وجه الخصوص، يمكن التفاعل بين LaAlO 3 (لاو) وSrTiO 3 (STO) 6 يحمل العازلة، وإجراء، فائقة التوصيل 7، متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف مثل 8 و 9 المغناطيسية السلوك. في عام 2006، ثيل وآخرون أظهرت أن هناك 10 انتقال حاد عازل إلى المعادن مثل سمك طبقة لاو هو زيادة، مع سمك الحرجة من 4 وحدة الخلايا (4uc). وقد تبين لاحقا أن الهياكل 3uc-LAO/STO يحمل الانتقال hysteretic التي يمكن السيطرة عليها محليا مع موصل ذرية قوة المجهر (ج فؤاد) التحقيق 11.
خصائص واجهات أكسيد مثل LaAlO 3/3 SrTiO تعتمد على غياب أو وجود إجراءالإلكترونات في واجهة. هذه الالكترونات يمكن السيطرة عليها باستخدام أعلى أقطاب بوابة 12،13، والعودة بوابات 10، سطح adsorbates و14، طبقات متعلق بالعازل الكهربائي الشفاف 15،16 وج فؤاد الطباعة الحجرية 11. ومن المزايا الفريدة لج فؤاد الطباعة الحجرية هي أن ميزات النانو صغيرة جدا يمكن أن تنشأ.
تبوب الأعلى الكهربائية، جنبا إلى جنب مع الحبس ثنائية الأبعاد، وغالبا ما يتم استخدامه لإنشاء نقاط الكم في أشباه الموصلات III-V 17. بدلا من ذلك، أسلاك شبه الموصلة شبه أحادية البعد يمكن بوابات كهربائيا بواسطة القرب. طرق لإنتاج هذه الهياكل هي مضيعة للوقت وعموما لا رجعة فيه. على النقيض من ذلك، فإن تقنية الطباعة الحجرية ج فؤاد هو عكسها، بمعنى أن البنية النانوية يمكن أن تنشأ عن تجربة واحدة، ثم "مسح" (على غرار لوحة بيضاء). عموما، يتم تنفيذ ج فؤاد الكتابة مع الفولتية الإيجابية تطبيقها على الطرف فؤاد، في حين، ومحويتم تنفيذ باستخدام الفولتية السلبية. الوقت اللازم لإنشاء بنية خاصة تعتمد على تعقيد الجهاز ولكن عادة ما يكون أقل من 30 دقيقة؛ وقضى معظم ذلك الوقت محو قماش. القرار المكانية النموذجي هو حوالي 10 نانومتر، ولكن مع ضبط السليم ملامح صغيرة مثل 2 نانومتر يمكن إنشاء 18.
وصف مفصل للإجراءات النانو تلفيق التالي. التفاصيل المقدمة هنا ينبغي أن يكون كافيا للسماح التجارب المماثلة التي يتعين القيام بها من قبل الباحثين المهتمين. الطريقة الموضحة هنا العديد من المزايا على النهج معدني التقليدية المستخدمة في إنشاء النانو الإلكترونية في أشباه الموصلات.
طريقة الطباعة الحجرية ج فؤاد الموصوفة هنا هي جزء من فئة أوسع بكثير من الجهود الطباعة الحجرية القائمة على المسح الضوئي مسبار، بما في ذلك المسح انوديك الأكسدة 19، وتراجع من ركلة جزاء nanolithography إرادة 20، الزخرفة كهرضغطية21، وهلم جرا. تقنية ج فؤاد الموصوفة هنا، إلى جانب استخدام واجهات أكسيد الرواية، يمكن أن تنتج بعض الهياكل الإلكترونية أعلى الدقة مع مجموعة غير مسبوقة من الخصائص الفيزيائية.
1. الحصول لاو / Heterostructures STO
2. تجهيز العينات الطباعة التصويرية
إنشاء الاتصالات الكهربائية إلى الواجهة لاوس / STO، مع منصات الترابط لوحات زيتية الأسلاك إلى الناقل رقاقة. ووصف خطوات المعالجة الفردية في التفاصيل أدناه.
3. أسلاك بوند عينة لتحضير للكتابة
ملاحظة: استخدام بوندر الأسلاك الكهربائية لجعل جonnections بين منصات الترابط على العينة والناقل رقاقة. نعلق 1 مل (25 ميكرون) أسلاك الذهب بين الاتصالات الكهربائية والناقل رقاقة. إرسال النانو
4. كتابة النانو
5. كول الأجهزة وأخذ قياسات
النتائج المعروضة هنا هي ممثل السلوك النقل التي يمكن عرضها من قبل هذه الفئة من النانو، ولقد وصفت في مكان آخر بتفصيل 23-26. في هذا المثال، تم بناؤها تجويف أسلاك متناهية الصغر (الشكل 4) من heterostructure لاو خلية 3.3 وحدة / STO. مسارات موصل (كما هو موضح باللون الأخضر) وعادة ما تكون 10 نانومتر واسعة، على النحو الذي يحدده أسلاك متناهية الصغر "قطع" التجارب 11. سرعة تلميح والجهد لكل جزء هو شكلي بشكل مستقل من لوحة الطباعة الحجرية الأمامية (الشكل 4B)، كما هو غيض سرعة الكتابة. "أقطاب الظاهري" أن واجهة بينية الاتصالات مع ضمان وجود اتصال كهربائي موصل للغاية إلى النانو.
بعد كتابة البنية النانوية، يتم نقله إلى الثلاجة التخفيف. والتعرض للضوء أو يقل عن 550 نانومتر انتاج photoconduction غير المرغوب فيها، لذلك هو عفريتortant لنقل الجهاز في الظلام أو مع المعونة من الحمراء "غرفة مظلمة" (5A الشكل) الخفيفة. وينبغي بذل التوصيلات الكهربائية في RT، وكما هو الحال مع معظم أشباه الموصلات النانو، ينبغي توخي الحذر الشديد عند تغيير التوصيلات الكهربائية في درجات الحرارة المبردة. إذا تم إخضاع الأجهزة لالتفريغ الكهربائي، فإنه من المرجح أن تصبح عازلة. بشكل ملحوظ، وظائف الجهاز يمكن استردادها عن طريق "ركوب الدراجات" درجة الحرارة إلى 300 K وتهدئة مرة أخرى.
خلال تباطوء، فمن الروتينية لمراقبة المقاومة الطرفية اثنين، وحتى المقاومة أربع المحطة، بوصفها وظيفة من درجة الحرارة. لهذه القياسات يتم تطبيق الجهد المتردد (عادة بالسيارات ~ 1) في التردد المنخفض (<10 هرتز) إلى واحد من الأقطاب، بينما يتم قياس ميلان الحالي باستخدام transimpedance مكبر للصوت. قفل في الإستخلاص ويتم تنفيذ التصفية باستخدام قفل في مكبر للصوت وضعت المنزل. مكعب ميلانويتم رصد rrent بوصفها وظيفة من درجة الحرارة (الشكل 5B).
مرة واحدة يتم تبريد الجهاز إلى درجة الحرارة قاعدة الثلاجة التخفيف (50 كلفن)، يتم تنفيذ قياسات نقل أربعة محطة (الشكل 5C). لهذه القياسات، مصدرها الحالية من خلال القناة الرئيسية للجهاز، بينما الجهد عبر جهاز يقاس في نفس الوقت. بدلا من قياس مع مكبر للصوت للانغلاق في، كامل الجهد الحالي (الرابع) ويتم قياس أثر. يحتوي هذا الأسلوب مزيد من المعلومات ويمكن حساب الفرق التوصيل عبر التمايز العددية. لجهاز معين، يتم قياس التوصيل التفاضلية بوصفها وظيفة من سان جرمان الجانب بوابة الجهد V. هذه البوابة تتيح إمكانية الكيميائية من الجهاز إلى تغيير. النقل من خلال الجهاز يظهر الاعتماد غير رتيب قوية، مشيرا إلى المناطق التي كولومب الحصار يأخذ مكان للقيم أصغر، والمرحاض رائحةنانوغرام الموصلية الفائقة لقيم أكبر من V سان جرمان. وسيتم وصف التفاصيل حول تفسير المادية لهذه الفئة من الأجهزة في أماكن أخرى.

. الرقم 1 الطباعة التصويرية تجهيز خطوات الخطوة 1: تدور مقاومة للضوء. الخطوة 2: فضح مقاومة للضوء باستخدام قناع اليجنر. الخطوة 3: تطوير مقاومة للضوء. الخطوة 4: أيون الطحن. الخطوة 5: DC الاخرق لإيداع تي والاتحاد الافريقي. الخطوة 6: رفع حالا. خطوة 7: إيداع الطبقة الثانية. خطوة 8: تنظيف البلازما.

الشكل 2. صور منقوشة lithographically heterostructures لاو / STO. (A) صورة تظهر 5mm العاشر 5MM الأسلاك عينة المستعبدين من الناقل رقاقة. (B) الصورة البصرية تظهر منصات الترابط واحدة من لوحات زيتية. (C) عن قرب من قماش واحد. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 3 (أ) تصميم رسمية لاو / STO البنية النانوية. (B) تخطيط دقيق من البنية النانوية باستخدام المصدر المفتوح مكافحة ناقلات الرسومات للتحجيم (SVG) المحرر.

الشكل 4 (أ) الطباعة الحجرية اللوحة الأمامية للج فؤاد الزخرفة. (B) لقطة من محاكاة 3D تظهر موقف والجهد من طرف ج فؤاد.w.jove.com/files/ftp_upload/52058/52058fig4large.jpg "الهدف =" _blank "> الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم.

الرقم 5. (A) لاوس / STO البنية النانوية يجري إدراجها في الثلاجة التخفيف. (B) رصد المقاومة العينة كما يتم تبريده من 300 ك إلى 50 كلفن. (C) رصد أربع سنوات محطة تصرف الفرق من جهاز بوصفها وظيفة من VSG بوابة الجانب الجهد والجهد عبر جهاز (V4t). يتم عرض الرسم البياني كثافة عرض في وحدات سيمنز (S)، والفولتية في وحدات فولت (V).
يعتمد الإنشاء الناجح للهياكل النانوية على عدة خطوات حاسمة. من المهم أن تزرع عينات LAO / STO بسماكة معروفة بأنها تقع على الحدود بين المرحلة العازلة والموصلة. (تقع تفاصيل نمو العينة خارج نطاق هذه الورقة ، ولكنها ضرورية للنجاح العام.) ثانيا ، من المهم أن يكون لديك رطوبة نسبية في نطاق 25-45٪ لكتابة c-AFM الناجحة. من غير المرجح أن تنتج القيم التي تقل عن 25٪ هياكل نانوية موصلة ، في حين أن الرطوبة العالية جدا ستنتج عموما ميزات كبيرة لا يمكن السيطرة عليها. أيضا ، يعد التحكم في درجة حرارة AFM أمرا مهما إذا كان طرف c-AFM يحتاج إلى تحقيق تسجيل دقيق على مدى فترات طويلة من الزمن. بمجرد إنشاء الهياكل النانوية ، يجب وضعها في بيئة مفرغة إذا كان سيتم إجراء تجارب تستمر أكثر من بضع ساعات. بالنسبة للتجارب الموضحة هنا ، يتم إنشاء الهيكل ونقله في غضون دقائق إلى بيئة فراغية.
يوصى قبل كتابة الكتابة بإجراء "اختبار الكتابة" على جميع الأقطاب الكهربائية ذات الصلة. في مثل هذا الاختبار ، يتم إنشاء قطبين افتراضيين لأول مرة ، ويتم كتابة سلك نانوي واحد أثناء مراقبة التوصيل في نفس الوقت. يمكن إجراء اختبار مماثل للمحو عن طريق "قطع" الأسلاك النانوية بعد ذلك بوقت قصير. إذا كانت البنية النانوية تتحلل بسرعة ، فمن المرجح أن تكون المشكلة إما بسبب جهات الاتصال البينية أو اللوحة القماشية نفسها. للتمييز بين هذين التأثيرين ، يجب إجراء قياس رباعي الأطراف للتوصيل ، ويجب مقارنة التوصيل ثنائي الطرف مع التوصيل رباعي الأطراف كدالة للوقت. إذا كان التوصيل ثنائي الطرفين يتحلل بسرعة أكبر من التوصيل رباعي الأطراف ، فإن المشكلة مرتبطة بجهات الاتصال الكهربائية بالواجهة. إذا كانت الموصلية ذات الأربعة أطراف تتحلل بمعدل مماثل ، فمن المرجح أن اللوحة القماشية غير مناسبة ويجب استبدالها.
هناك قيود طبيعية على الطريقة الحالية لإنشاء الهياكل النانوية. على وجه التحديد ، تقتصر سرعة الكتابة لأصغر الأجهزة على بضع مئات من النانومترات في الثانية. تؤدي السرعات التي تزيد عن هذه القيمة إلى نتائج غير متوقعة. استخدام تقنيات الكتابة المتوازية ممكن27،28 ، لكنها ليست متطورة للغاية ولها عيوبها الخاصة. حجم الهياكل النانوية التي يمكن إنشاؤها محدود بشكل طبيعي بنطاق المسح الضوئي ل AFM المستخدم. يوصى بشدة باستخدام AFM عالي الجودة مع ملاحظات الحلقة المغلقة في اتجاهي المسح. يجب إجراء تتبع الأجسام الشبيهة بالنقطة على سطح العينة لمراقبة الانجراف الزمني للعينة.
بمجرد إتقان إنشاء الهياكل النانوية الموصلة في واجهات الأكسيد ، هناك مجموعة واسعة من الاتجاهات التجريبية التي يمكن استكشافها. باستخدام هذه التقنية ، تم بالفعل عرض مجموعة متنوعة من الهياكل النانوية والأجهزة ، بما في ذلك الأسلاك النانوية18 ، وحواجز الأنفاق29 ، وتصحيح الوصلات30 ، والترانزستورات ذات التأثير الميداني18 ، والترانزستورات أحادية الإلكترون31 ، والأسلاك النانوية فائقة التوصيل32 ، وأجهزة الكشف الضوئية النانوية33 ، والبواعث وأجهزة الكشف THz النانوية34.
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
يتم الاعتراف بامتنان بالتعاون طويل الأمد مع Chang-Beom Eom في جامعة ويسكونسن ماديسون ، الذي قدم عينات LAO / STO. مساعدة تحرير الفيديو من كريستوفر سوليس موضع تقدير كبير. يتم دعم هذا العمل من قبل NSF (DMR-1104191 ، DMR-1124131) ، ARO (W911NF-08-1-0317) ، و AFOSR (FA9550-10-1-0524 ، FA9550-12-1-0268 ، FA9550-12-1-0057).
| الاسم | الشركة | رقم فهرسي | التعليقات |
|---|---|---|---|
| معدات | |||
| الاتصال التقويم | Karl-Suss | MA6 | |
| Spinner | Solitec | 5110C | |
| أيون مطحنة | الكومنولث العلمي | 8C | |
| نظام الاخرق | Leybold-Heraeus | Z-650 | |
| برميل الحفر | برانسون / IPC | 3000C | |
| سلك Bonder | Westbond | 7700E | |
| AFM | Asylum Research | MFP-3D | |
| التخفيف ثلاجة | تصميم الكم | P850 | |
| آلة الغسيل بالموجات فوق الصوتية | فيشر Scientific | 15-335-6 | |
| مكبر للصوت الحالي | Femto | DLPCA-200 | |
| Materials | |||
| LaAlO3< / sub> / SrTiO3< / sub> | البروفيسور تشانغ بيوم إيوم | 5 مم × 1 مم مع ~ 3.4 وحدة خلايا من LAO (انظر المرجع 18) | |
| المواد الإلكترونية المقاومة للضوء | الألف إلى الياء | P4210 | |
| المطور | AZ المواد الإلكترونية | 400 كيلو | |
| أسيتون | فيشر العلمي | A929SK-4 | |
| كحول الأيزوبروبيل | فيشر العلمي | A459-1 | |
| منزوع الأيونات المياه | فيشر Scientific | 23-290-065 | |
| سلك ذهبي | DuPont | 5771 | 1 مم |
| رقاقة الناقل | NTK Technologies | IRK28F1-5451D |