ננו-מבנים של תחמוצת מספקים הזדמנויות חדשות למדע וטכנולוגיה. ניתן לשלוט במוליכות הפנים בין LaAlO3 ל-SrTiO3 בדיוק כמעט אטומי באמצעות טכניקת מיקרוסקופ כוח אטומי מוליך. הפרוטוקול ליצירה ומדידה של ננו-מבנים מוליכים בממשקי LaAlO3/SrTiO3 מודגם.
ננו-מבנים של תחמוצת מספקים הזדמנויות חדשות למדע וטכנולוגיה. ניתן לשלוט במוליכות הפנים בין LaAlO3 ל-SrTiO3 בדיוק כמעט אטומי באמצעות טכניקת מיקרוסקופ כוח אטומי מוליך. הפרוטוקול ליצירה ומדידה של ננו-מבנים מוליכים בממשקי LaAlO3/SrTiO3 מודגם.
ננו-אלקטרוניקה של תחמוצת הוא תחום שצומח במהירות המבקש לפתח חומרים חדשים בעלי התנהגות רב-תכליתית בממדים ננומטריים. ממשקי תחמוצת מציגים מגוון רחב של תכונות הניתנות לשליטה כולל הולכה, התנהגות פיזואלקטרית, פרומגנטיות, מוליכות-על ותכונות אופטיות לא ליניאריות. לאחרונה התגלו ופותחו שיטות לשליטה בתכונות אלה בממדים ננומטריים קיצוניים. להלן מתוארים נהלים מפורשים שלב אחר שלב ליצירת ננו-מבנים LaAlO3/SrTiO3 באמצעות טכניקת מיקרוסקופ כוח אטומי מוליך הפיך. שלבי העיבוד ליצירת מגעים חשמליים לממשק LaAlO3/SrTiO3 מתוארים תחילה. ננו-מבנים מוליכים נוצרים על ידי הפעלת מתחים על קצה מיקרוסקופ כוח אטומי מוליך והחלפה מקומית של ממשק LaAlO3/SrTiO3 למצב מוליך. ערכת כלים רב-תכליתית לננו-ליתוגרפיה פותחה במפורש לצורך שליטה בנתיב הקצה והמתח של מיקרוסקופ הכוח האטומי (AFM). לאחר מכן, ננו-מבנים אלה ממוקמים בקריוסטט ומבוצעות מדידות הובלה. ההליכים המתוארים כאן אמורים להיות שימושיים לאחרים המעוניינים לערוך מחקר בננו-אלקטרוניקה של תחמוצת.
heterostructures תחמוצת 1-5 תערוכה מגוון רחב להפליא של תופעות פיזיות מתהוות אשר מעניינים גם מבחינה מדעית ועלולים להיות שימושיים עבור יישומים 4. בפרט, הממשק בין LaAlO 3 (לאו) וSrTiO 3 (STO) 6 יכול להפגין בידוד, ניצוח, מוליכי 7, 9 התנהגות כמו ferroelectric-8, ופרומגנטי. ב2006 Thiel et al הראה 10 שיש מעבר מבודדת למתכת חדה כעובי השכבה לאו הוא גדל, עם עובי קריטי של 4 תאי יחידה (4uc). זה לאחר מכן הראה כי מבני 3uc-LAO/STO תערוכת מעבר hysteretic שניתן לשלוט באופן מקומי באמצעות מיקרוסקופ כוח אטומי מוליך בדיקה (c-AFM) 11.
המאפיינים של ממשקי תחמוצת כגון LaAlO 3/3 SrTiO תלויים בהעדר או הנוכחות של ביצועאלקטרונים בממשק. ניתן לשלוט באלקטרונים אלו באמצעות אלקטרודות עליונה שער 12,13, גב שערים 10, משטח adsorbates 14, שכבות ferroelectric 15,16 ויתוגרפיה c-AFM 11. תכונה ייחודית של ליתוגרפיה c-AFM היא שניתן ליצור תכונות ננו קטנות מאוד.
gating העליון חשמל, בשילוב עם כליאה דו ממדים, משמש לעתים קרובות ליצירת נקודות קוונטיות במוליכים למחצה III-V 17. לחלופין, מוליכים למחצה nanowires מעין חד ממדי יכול להיות מגודרת חשמלי בקרבה. השיטות לייצור המבנים האלה הן זמן רב ובדרך כלל בלתי הפיך. לעומת זאת, טכניקת יתוגרפיה c-AFM היא הפיכה במובן זה שnanostructure ניתן ליצור עבור ניסוי אחד, ולאחר מכן "נמחק" (בדומה ללוח). באופן כללי, כתיבת c-AFM מבוצעת ברמות מתח חיובי מוחל על קצה AFM, בעוד, מחיקהמתבצע באמצעות מתח שלילי. הזמן הנדרש כדי ליצור מבנה מסוים תלוי במורכבותו של המכשיר, אך הוא בדרך כלל פחות מ 30 דקות; רוב הזמן הוא בילה למחוק את הבד. הרזולוציה מרחבית הטיפוסית היא כ 10 ננומטר, אך עם כוונון נכון תכונות קטנות כמו ניתן ליצור 2 ננומטרים 18.
תיאור מפורט של הליך ייצור ננו כדלקמן. הפירוט הניתן כאן צריך להיות מספיק כדי לאפשר ניסויים דומים שבוצעו על ידי חוקרים מעוניינים. יש השיטה המתוארת כאן יתרונות רבים על פני גישות מסורתיות ליתוגרפיות משמשות ליצירת ננו האלקטרוני במוליכים למחצה.
השיטה ליתוגרפיה c-AFM המתואר כאן היא חלק ממעמד הרבה יותר רחב של מאמצים ליתוגרפיה מבוססות סריקת בדיקה, כוללים חמצון anodic הסריקה 19, nanolithography לטבול עט 20, דפוסים פיזואלקטריים21, וכן הלאה. טכניקת c-AFM שתוארה כאן, יחד עם השימוש בממשקי תחמוצת רומן, יכולה לייצר כמה מהמבנים האלקטרוניים הגבוהה ביותר הדיוק עם מגוון חסר תקדים של תכונות פיזיות.
1. השג לאו / heterostructures STO
2. Photolithographic עיבוד של דוגמאות
יצירת מגעים חשמליים לממשק לאו / STO, עם כריות מליטה עבור בדי חיווט לנושאת שבב. מדרגות עיבוד הפרט מתוארות בפירוט בהמשך.
3. החוט בונד לדוגמא להכין לכתיבה
הערה: השתמש בונדר תיל כדי להפוך את ג חשמלonnections בין רפידות מליטה על המדגם ונושאת השבב. צרף mil 1 (25 מיקרומטר) חוטי זהב בין מגעים החשמליים ונושאת השבב. כתוב ננו
4. כתוב ננו
5. מגניב התקן ולקחת מידות
התוצאות שמוצגים כאן הם נציג של תחבורת ההתנהגות שיכולה להיות מוצגת על ידי המעמד הזה של ננו, ותוארו במקומות אחרים בפירוט 23-26. בדוגמא זו, חלל nanowire נבנה (איור 4) מheterostructure לאו תא 3.3 יחידה / STO. שבילים מוליכים (המוצגים בירוק) הם בדרך כלל 10 ננומטר רחב, כפי שנקבע על ידי nanowire "חיתוך" ניסויי 11. מהירות הקצה והמתח לכל מגזר להגדרה באופן עצמאי מהלוח הקדמי ליתוגרפיה (איור 4), כפי שהיא מהירות כתיבת קצה. "אלקטרודות וירטואליות" ממשק עם אנשי קשר interfacial להבטיח כי יש חיבור חשמלי מוליך מאוד לננו.
לאחר nanostructure כתוב, הוא הועבר למקרר הדילול. חשיפה לאור בבית או מתחת 550 ננומטר תפיק photoconduction לא רצוי, כך שזה שדortant להעביר את המכשיר בחושך או בסיוע (איור 5 א) אור אדום "חדר חושך". חיבורי חשמל צריכים להיעשות על RT, וכמו ברוב ננו המוליכים למחצה, יש לנקוט בזהירות רבה בעת שינוי חיבורי חשמל בקירור. אם ההתקנים הוא נתון לפריקה של חשמל סטטי, זה יהיה ככל הנראה להיות מבודד. למרבה הפלא, את תפקודו של המכשיר ניתן לשחזר על ידי "רכיבה על אופניים" את הטמפרטורה ל 300 K והרגעות שוב.
במהלך cooldown, זה שגרתי כדי לפקח על התנגדות שני הטרמינל, ואפילו התנגדות ארבעה מסוף, כפונקציה של טמפרטורה. עבור מדידות אלה מתח AC (בדרך כלל ~ 1 mV) מיושם בתדירות נמוכה (<10 הרץ) לאחת מהאלקטרודות, בעוד AC הנוכחי נמדד באמצעות מגבר transimpedance. נעילה ב demodulation וסינון מתבצע באמצעות מגבר נעילה בבית מפותח. מ"ק acrrent מנוטר כפונקציה של טמפרטורה (איור 5).
ברגע שהמכשיר הוא מקורר לטמפרטורת הבסיס של מקרר הדילול (50 ח"כ), מדידות תחבורה ארבעה מסוף מבוצעות (איור 5 ג). למדידות אלה, הנוכחיים הוא שמקורו בערוץ העיקרי של המכשיר, ואילו מתח על פני המכשיר נמדד בו זמנית. במקום למדוד עם מגבר נעילה ב, הנוכחי מתח מלא (IV) עקבות נמדדות. שיטה זו מכילה מידע נוסף והולכת ההפרש יכולה להיות מחושבת באמצעות בידול מספרי. למכשיר המסוים, ההולכה ההפרש נמדדת כפונקציה של sg מתח V בצד שער. שער זה מאפשר לפוטנציאל הכימי של המכשיר כדי להיות שונה. התחבורה באמצעות המכשיר מראה את תלות שאינה מונוטונית חזקה, המצביעה על אזורים שבהם מצור קולון מתרחש עבור ערכים קטנים יותר, וstrong מוליכות לערכים גדולים יותר של sg V. פרטים על הפרשנות הפיסית לסוג כזה של מכשיר שיתוארו במקום אחר.

.. איור 1 מדרגות עיבוד photolithographic שלב 1: photoresist ספין. שלב 2: לחשוף photoresist באמצעות aligner מסכה. שלב 3: לפתח photoresist. שלב 4: כרסום יון. שלב 5: DC המקרטעת להפקיד טי וAu. שלב 6: המראה. שלב 7: להפקיד את השכבה השנייה. שלב 8: ניקוי פלזמה.

איור 2. תמונות של heterostructures לאו / STO lithographically דוגמת. תמונה () מראה תיל 5mm x 5mm מדגם ערובה למוביל שבב. (B) תמונה אופטית המציגה רפידות מליטה ואחד מהציורים. תקריב של בד אחד (C). אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. () עיצוב פורמלי של nanostructure לאו / STO. (ב) פריסה מדויקת של nanostructure באמצעות גרפיקה וקטורית מדורגת קוד פתוח עורך (SVG).

איור 4. (א) ליתוגרפיה פנל קדמי עבור הדפוסים c-AFM. (ב ') תמונת מסך מסימולטור 3D מציג עמדה ומתח של קצה C-AFM.w.jove.com/files/ftp_upload/52058/52058fig4large.jpg "target =" _blank "> לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 5. () Nanostructure לאו / STO להיות מוכנס לתוך מקרר דילול. (ב) ניטור של התנגדות מדגם כפי שהוא התקרר מ300 K 50 ח"כ. ניטור (C) של מוליכות ההפרש ארבעה הטרמינל של מכשיר כפונקציה של VSG מתח שער צדדי ומתח על פני המכשיר (V4t). גרף עוצמת מוצג ביחידות של סימנס (S), ומתחים מוצגים ביחידות של וולט (V).
יצירה מוצלחת של ננו-מבנים תלויה במספר שלבים קריטיים. חשוב שדגימות ה-LAO/STO יגדלו בעובי הידוע כנמצא בגבול בין שלב הבידוד לשלב המוליך. (פרטים על גידול המדגם אינם נכללים במאמר זה, אך הם חיוניים להצלחה הכוללת.) שנית, חשוב שתהיה לחות יחסית בטווח של 25-45% לכתיבת c-AFM מוצלחת. ערכים מתחת ל-25% לא צפויים לייצר ננו-מבנים מוליכים, בעוד שלחות גבוהה מדי תייצר בדרך כלל תכונות גדולות ללא שליטה. כמו כן, בקרת טמפרטורה של ה-AFM חשובה אם קצה ה-c-AFM צריך להשיג רישום מדויק לאורך תקופות זמן ארוכות. לאחר יצירת הננו-מבנים, יש למקם אותם בסביבת ואקום אם יש לבצע ניסויים הנמשכים יותר מכמה שעות. עבור הניסויים המתוארים כאן, המבנה נוצר ומועבר תוך דקות לסביבת ואקום.
מומלץ לפני הכתיבה לבצע "בדיקת כתיבה" על כל האלקטרודות הרלוונטיות. בבדיקה כזו נוצרות תחילה שתי אלקטרודות וירטואליות, ונכתב ננו-חוט בודד תוך ניטור המוליכות בו זמנית. בדיקת מחיקה דומה יכולה להתבצע על ידי "חיתוך" הננו-חוט זמן קצר לאחר מכן. אם הננו-מבנה דועך במהירות, סביר להניח שהבעיה נובעת ממגעי הפנים או מהקנבס עצמו. כדי להבחין בין שתי ההשפעות הללו, יש לבצע מדידה של ארבעה טרמינלים של המוליכות, ולהשוות את המוליכות הדו-טרמינלית למוליכות ארבעת הטרמינלים כפונקציה של זמן. אם המוליכות הדו-טרמינלית דועכת מהר יותר מהמוליכות בעלת ארבעת הטרמינלים, הבעיה קשורה למגעים החשמליים לממשק. אם המוליכות בעלת ארבעת הטרמינלים מתפוררת בקצב דומה, סביר להניח שהבד אינו מתאים ויש להחליפו.
ישנן מגבלות טבעיות של השיטה הנוכחית ליצירת ננו-מבנים. באופן ספציפי, מהירות הכתיבה של המכשירים הקטנים ביותר מוגבלת לכמה מאות ננומטר לשנייה. מהירויות גבוהות בהרבה מהערך הזה מובילות לתוצאות בלתי צפויות. שימוש בטכניקות כתיבה מקבילות אפשרי27,28, אך אינן מפותחות במיוחד ויש להן חסרונות משלהן. גודל הננו-מבנים שניתן ליצור מוגבל באופן טבעי על ידי טווח הסריקה של ה-AFM בו נעשה שימוש. מומלץ מאוד להשתמש ב-AFM איכותי עם משוב בלולאה סגורה בשני כיווני הסריקה. יש לבצע מעקב אחר עצמים דמויי נקודה על משטח הדגימה כדי לנטר את הסחיפה הזמנית של הדגימה.
לאחר ששולטים ביצירת ננו-מבנים מוליכים בממשקי תחמוצת, יש מגוון רחב של כיווני ניסוי שניתן לחקור. באמצעות טכניקה זו, כבר הודגם מגוון רחב של ננו-מבנים והתקנים, כולל ננו-חוטים18, מחסומי מנהרה29, צמתים מיישרים30, טרנזיסטורי אפקט שדה18, טרנזיסטורי אלקטרונים בודדים31, ננו-חוטים מוליכים-על32, גלאים אופטיים בקנה מידה ננומטרי33 ופולטי THz וגלאים ננומטריים34.
למחברים אין מה לחשוף.
שיתוף הפעולה ארוך השנים עם צ'אנג-בום איום באוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון, שסיפק את דגימות ה-LAO/STO, זוכה להכרת תודה. סיוע בעריכת וידאו מכריסטופר סוליס מוערך מאוד. עבודה זו נתמכת על ידי NSF (DMR-1104191, DMR-1124131), ARO (W911NF-08-1-0317) ו-AFOSR (FA9550-10-1-0524, FA9550-12-1-0268, FA9550-12-1-0057).
| שם | חברה | מספר קטלוג | הערות |
|---|---|---|---|
| יישור מגע | ציוד | ||
| ספינר | Solitec | 5110C | |
| טחנת יון | Commonwealth Scientific | 8C | |
| מערכת מקרטעת | Leybold-Heraeus | Z-650 | |
| חבית תחריט | ברנסון / IPC | 3000C | |
| Bonder | Westbond | 7700E | |
| AFM | Asylum Research | MFP-3D | |
| דילול מקרר | קוונטי עיצוב קוונטי | P850 | |
| מכונת כביסה אולטרסאונד | פישר סיינטיפיק | 15-335-6 | |
| מגבר זרם | Femto | DLPCA-200 | |
| חומרים | |||
| LaAlO3/SrTiO3Prof | . Chang-Beom Eom | 5 מ"מ x 1 מ"מ עם ~3.4 תאי יחידה של LAO (ראה התייחסות 18) | |
| Photoresist | AZ Electronic Materials | P4210 | |
| מפתח | AZ חומרים אלקטרוניים | 400K | |
| אצטון | פישר מדעי | A929SK-4 | |
| איזופרופיל אלכוהול | פישר סיינטיפיק | A459-1 | |
| דייג מים דה-יונים | מדעי | 23-290-065 | |
| חוט זהב | DuPont | 5771 | בקוטר 1 מ"מ |
| NTK Technologies | IRK28F1-5451D |