Name: Schrijven en lage temperatuur karakterisering van nanostructuren (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2014-07-18T15:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 43 s
Description: Leer het protocol voor het maken en meten van geleidende nanostructuren aan LaAlO3/SrTiO3-grensvlakken met geleidende atoomkrachtmicroscopie. Deze methode biedt nauwkeurige controle over grensvlakgeleiding.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

De langdurige samenwerking met Chang-Beom Eom aan de University of Wisconsin-Madison, die de LAO/STO-monsters heeft geleverd, wordt met dank erkend. Hulp bij videobewerking van Christopher Solis wordt zeer op prijs gesteld. Dit werk wordt ondersteund door NSF (DMR-1104191, DMR-1124131), ARO (W911NF-08-1-0317) en AFOSR (FA9550-10-1-0524, FA9550-12-1-0268, FA9550-12-1-0057).

1. Verkrijgen LAO / STO Heterostructuren <ol><li> Zorg voor een oxide heterostructuur bestaande uit 3,4 eenheid cellen van LAO geteeld door gepulste laser depositie op TiO 2-terminated STO substraten. Details groei monster beschreven in ref. 22. </li></ol> 2. Fotolithografische verwerking van de monsters Maak elektrische contacten aan de LAO / STO-interface, met bonding pads voor bedrading doeken om een ​​chip carrier. De afzonderlijke processtappen worden hierna beschreven. <ol><li> Spin fotolak <ol><li> Spin fotolak op de monsters bij 600 rpm gedurende 5 seconden, vervolgens bij 4000 rpm gedurende 30 seconden. De fotoresistlaag wordt ongeveer 2 urn dik. Bak de monsters bij 95 ° C gedurende 1 minuut. </li></ol></li><li> Expose fotolak een masker aligner met 320 nm licht voor 100 sec met een dosis van 5 mW / cm 2. </li><li> Ontwikkel de fotolak in fotolak ontwikkelaar for 1 min. </li><li> Ionenverdunningstechnieken <ol><li> Gebruik een Ar + ion molen tot 15 nm van materiaal (LAO en STO) in de gebieden die niet onder fotolak verwijderen. Plaats de monsters bij een 22,5 ° hoek met de richting loodrecht op de inkomende Ar + ionenbundel. Als de Ar + ets tarief niet is gekalibreerd, een kalibratie run om ervoor te zorgen dat de juiste hoeveelheid materiaal wordt verwijderd. Bepaal de etsdiepte met AFM of gelijkwaardig profilmetry. </li></ol></li><li> DC sputteren van Ti en Au <ol><li> Borg 4 nm Ti, dan 25 nm Au op de monsters, zodat de Au maakt elektrisch contact met de blootgestelde STO laag. Het sputteren druk in het traject 2-6 x 10 -7 Torr, en sputteren plaatsvindt met het monster bij kamertemperatuur. Pre-sputter Ti gedurende 10 minuten met gesloten sluiter 100 W, dan open blind en sputteren gedurende 20 seconden bij 100 W. Na voltooiing onmiddellijk vóór verstuiving Au gedurende 1 minuut bij 50 W dan sputteren Au gedurende 30 seconden om de monsters 50 W. CaliBrate de tijd om de gewenste Ti en Au diktes produceren. </li></ol></li><li> Lancering <ol><li> Gebruik Aceton / IPA ultrasone wassen om fotolak van het oppervlak van de monsters te verwijderen. </li></ol></li><li> Tweede laag <ol><li> Een tweede lithografisch proces, met uitzondering van stap 4 (dwz., Exclusief ionenverdunning), wordt gebruikt om goud draad verbindingen naar individuele bonding pads. De twee patronen moet goed afgestemd om ervoor te zorgen dat ze niet produceren kortsluiting. </li></ol></li><li> Plasma reiniging. <ol><li> Een IPC Vat Etcher wordt gebruikt om de fotoresist residu in het patroon sleuf te verwijderen. Het instrument gebruikt de 100 W en 1 Torr argon gedurende 1 min </li></ol></li></ol> 3. Wire Bond een voorbeeld voor te bereiden voor het schrijven <ol><li> Monteer de LAO / STO monster in een chip carrier (Figuur 2A) met 28 beschikbare pinnen. </li><li> Wire binding structuur </li></ol> OPMERKING: Gebruik een draad bonder elektrische c makenAansluitingen tussen bonding pads op het monster en de chip carrier. Bevestig 1 mil (25 micrometer) goud draden tussen de elektrische contactpunten en de chip carrier. Schrijf nanostructuren 4. Schrijf nanostructuren <ol><li> Maak een informele schets van de geleidende nanostructuur (figuur 3A). </li><li> Open het Scalable Vector Graphics (SVG) redacteur (Figuur 3B). <ol><li> Gebruik een sjabloon of definiëren grootte van het venster aan te passen die van de AFM beeld. </li><li> Laad de AFM beeld van het monster in de SVG-editor. </li><li> Maak nanostructuur elementen overlay op het imago van de AFM. </li></ol></li><li> Laad het SVG-bestand in de nanolithografie programma. </li><li> Voer de lithografie software om een ​​geleidende nanostructuur maken. <ol><li> Gebruik V tip = +10 V naar nanostructuren te maken, en V tip = -10 V om nanostructuren te wissen. </li><li> Verplaats de c-AFM tip met een snelheid variërend van 200 nm / sec tot 2 um / sec. </li></ol></li></ol> 5. Cool apparaat en Take Metingen <ol><li> Schakel alle witte lichten en gebruik rood filters / lichtbronnen. </li><li> Pak de steekproef van de AFM systeem. </li><li> Plaats het monster in de verdunning koelkast (A). </li><li> Meet de weerstand tegen temperatuur (B) als het monster wordt gekoeld. </li><li> Meet transporteigenschappen bij lage temperaturen (C). </li></ol>

<ol><li>Sulpizio, J. A., Ilani, S., Irvin, P., Levy, J. i Annual Review of Materials Research, in press. , (2014).</li>
<li>Mannhart, J., Blank, D. H. A., Hwang, H. Y., Millis, A. J., Triscone, J. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Two-Dimensional+Electron+Gases+at+Oxide+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Mrs+Bulletin%22%5BJournal%5D)">Two-Dimensional Electron Gases at Oxide Interfaces.</a> Mrs Bulletin. 33, 1027-1034 (2008).</li>
<li>Langer, J. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Annual+Review+of+Condensed+Matter+Physics%5BTitle%5D)+AND+%22Interface+Physics+in+Complex+Oxide+Heterostructures%22%5BJournal%5D)">Annual Review of Condensed Matter Physics.</a> Interface Physics in Complex Oxide Heterostructures. , 141-165 (2011).</li>
<li>Bogorin, D. F., Irvin, P., Cen, C., Levy, J. i <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBogorin%2C+DF+%22Multifunctional+Oxide+Heterostructures%22">Multifunctional Oxide Heterostructures</a>. Tsymbal, E. Y., Dagotto, E. R. A., Chang-Beom, E., Ramesh, R. 13, University Press. Oxford. (2012).</li>
<li>Granozio, F. M., Koster, G., Rijnders, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Functional+Oxide+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22MRS+Bulletin%22%5BJournal%5D)">Functional Oxide Interfaces.</a> MRS Bulletin. 38, 1017-1023 (2013).</li>
<li>Ohtomo, A., Hwang, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+high-mobility+electron+gas+at+the+LaAlO3%2FSrTiO3+heterointerface%5BTitle%5D)+AND+%22Nature%22%5BJournal%5D)">A high-mobility electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 heterointerface.</a> Nature. 427, 423-426 (2004).</li>
<li>Reyren, N., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Superconducting+interfaces+between+insulating+oxides%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Superconducting interfaces between insulating oxides.</a> Science. 317, 1196-1199 (2007).</li>
<li>Bark, C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Switchable+Induced+Polarization+in+LaAlO3%2FSrTiO3+Heterostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Switchable Induced Polarization in LaAlO3/SrTiO3 Heterostructures.</a> Nano Letters. 12, 1765-1771 (2012).</li>
<li>Brinkman, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Magnetic+effects+at+the+interface+between+non-magnetic+oxides%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Magnetic effects at the interface between non-magnetic oxides.</a> Nature Materials. 6, 493-496 (2007).</li>
<li>Thiel, S., Hammerl, G., Schmehl, A., Schneider, C. W., Mannhart, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tunable+quasi-two-dimensional+electron+gases+in+oxide+heterostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Tunable quasi-two-dimensional electron gases in oxide heterostructures.</a> Science. 313, 1942-1945 (2006).</li>
<li>Cen, C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+control+of+an+interfacial+metal-insulator+transition+at+room+temperature%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Materials%22%5BJournal%5D)">Nanoscale control of an interfacial metal-insulator transition at room temperature.</a> Nature Materials. 7, 298-302 (2008).</li>
<li>Singh-Bhalla, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Built-in+and+induced+polarization+across+LaAlO3%2FSrTiO3+heterojunctions%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Physics%22%5BJournal%5D)">Built-in and induced polarization across LaAlO3/SrTiO3 heterojunctions.</a> Nature Physics. 7, 80-86 (2011).</li>
<li>Li, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Very+Large+Capacitance+Enhancement+in+a+Two-Dimensional+Electron+System%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Very Large Capacitance Enhancement in a Two-Dimensional Electron System.</a> Science. 332, 825-828 (2011).</li>
<li>Xie, Y., Hikita, Y., Bell, C., Hwang, H. Y. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Control+of+electronic+conduction+at+an+oxide+heterointerface+using+surface+polar+adsorbates%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Communications%22%5BJournal%5D)">Control of electronic conduction at an oxide heterointerface using surface polar adsorbates.</a> Nature Communications. 2, 494(2011).</li>
<li>Bark, C. W., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Tailoring+a+two-dimensional+electron+gas+at+the+LaAlO3%2FSrTiO3+%28001%29+interface+by+epitaxial+strain%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Tailoring a two-dimensional electron gas at the LaAlO3/SrTiO3 (001) interface by epitaxial strain.</a> PNAS. 108, 4720-4724 (2011).</li>
<li>Tra, V. T., et al. Adv Mater. 25, 3357-3364 (2013).</li>
<li>Cronenwett, S. M., Oosterkamp, T. H., Kouwenhoven, L. P. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+Tunable+Kondo+Effect+in+Quantum+Dots%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">A Tunable Kondo Effect in Quantum Dots.</a> Science. 281, 540-544 (1998).</li>
<li>Cen, C., Thiel, S., Mannhart, J., Levy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oxide+Nanoelectronics+on+Demand%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Oxide Nanoelectronics on Demand.</a> Science. 323, 1026-1030 (2009).</li>
<li>Kalinin, S. V., Gruverman, A. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aKalinin%2C+SV+%22Scanning+probe+microscopy%3A+electrical+and+electromechanical+phenomena+at+the+nanoscale%22">Scanning probe microscopy: electrical and electromechanical phenomena at the nanoscale</a>. 1, Springer. (2007).</li>
<li>Piner, R. D., Zhu, J., Xu, F., Hong, S. H., Mirkin, C. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%27Dip-pen%27+nanolithography%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">'Dip-pen' nanolithography.</a> Science. 283, 661-663 (1999).</li>
<li>Ahn, C. H., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonvolatile+Electronic+Writing+of+Epitaxial+Pb%28Zr0.52Ti0.48%29O3%2FSrRuO3+Heterostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Science%22%5BJournal%5D)">Nonvolatile Electronic Writing of Epitaxial Pb(Zr0.52Ti0.48)O3/SrRuO3 Heterostructures.</a> Science. 276, 1100-1103 (1997).</li>
<li>Bi, F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((%27Water-cycle%27+mechanism+for+writing+and+erasing+nanostructures+at+the+LaAlO3%2FSrTiO3+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">'Water-cycle' mechanism for writing and erasing nanostructures at the LaAlO3/SrTiO3 interface.</a> Applied Physics Letters. 97, 173110(2010).</li>
<li>Cheng, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anomalous+Transport+in+Sketched+Nanostructures+at+the+LaAlO3%2FSrTiO3+Interface%5BTitle%5D)+AND+%22Phys+Rev+X%22%5BJournal%5D)">Anomalous Transport in Sketched Nanostructures at the LaAlO3/SrTiO3 Interface.</a> Phys Rev X. 3, 011021(2013).</li>
<li>Veazey, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nonlocal+current-voltage+characteristics+of+gated+superconducting+sketched+oxide+nanostructures%5BTitle%5D)+AND+%22Europhys+Lett%22%5BJournal%5D)">Nonlocal current-voltage characteristics of gated superconducting sketched oxide nanostructures.</a> Europhys Lett. 103, 57001(2013).</li>
<li>Veazey, J. P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Oxide-based+platform+for+reconfigurable+superconducting+nanoelectronics%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Oxide-based platform for reconfigurable superconducting nanoelectronics.</a> Nanotechnology. 24, 375201(2013).</li>
<li>Irvin, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Anomalous+High+Mobility+in+LaAlO3%2FSrTiO3+Nanowires%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Anomalous High Mobility in LaAlO3/SrTiO3 Nanowires.</a> Nano Letters. 13, 364-368 (2013).</li>
<li>Salaita, K., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Massively+Parallel+Dip%E2%80%93Pen+Nanolithography+with+55+Two-Dimensional+Arrays%5BTitle%5D)+AND+%22Angewandte+Chemie%22%5BJournal%5D)">Massively Parallel Dip–Pen Nanolithography with 55 Two-Dimensional Arrays.</a> Angewandte Chemie. 118, 7378-7381 (2006).</li>
<li>Li, S., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Parallel+Conductive-AFM+Lithography+on+LaAlO3%2FSrTiO3+Interfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Ieee+T+Nanotechnol%22%5BJournal%5D)">Parallel Conductive-AFM Lithography on LaAlO3/SrTiO3 Interfaces.</a> Ieee T Nanotechnol. 12, 518-520 (2013).</li>
<li>Cen, C., Bogorin, D. F., Levy, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Thermal+activation+and+quantum+field+emission+in+a+sketch-based+oxide+nanotransistor%5BTitle%5D)+AND+%22Nanotechnology%22%5BJournal%5D)">Thermal activation and quantum field emission in a sketch-based oxide nanotransistor.</a> Nanotechnology. 21, 475201(2010).</li>
<li>Bogorin, D. F., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nanoscale+rectification+at+the+LaAlO3%2FSrTiO3+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Applied+Physics+Letters%22%5BJournal%5D)">Nanoscale rectification at the LaAlO3/SrTiO3 interface.</a> Applied Physics Letters. 97, 013102(2010).</li>
<li>Cheng, G., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Sketched+Oxide+Single-Electron+Transistor%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Nanotech%22%5BJournal%5D)">Sketched Oxide Single-Electron Transistor.</a> Nature Nanotech. 6, 343-347 (2011).</li>
<li>Joshua, A., Ruhman, J., Pecker, S., Altman, E., Ilani, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gate-tunable+polarized+phase+of+two-dimensional+electrons+at+the+LaAlO3%2FSrTiO3+interface%5BTitle%5D)+AND+%22PNAS%22%5BJournal%5D)">Gate-tunable polarized phase of two-dimensional electrons at the LaAlO3/SrTiO3 interface.</a> PNAS. 110, 9633(2013).</li>
<li>Irvin, P., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Rewritable+Nanoscale+Oxide+Photodetector%5BTitle%5D)+AND+%22Nature+Photon%22%5BJournal%5D)">Rewritable Nanoscale Oxide Photodetector.</a> Nature Photon. 4, 849-852 (2010).</li>
<li>Ma, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Broadband+Terahertz+Generation+and+Detection+at+10+nm+Scale%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Letters%22%5BJournal%5D)">Broadband Terahertz Generation and Detection at 10 nm Scale.</a> Nano Letters. 13, 2884-2888 (2013).</li>
</ol>

De auteurs hebben niets te onthullen.

Het succesvol creëren van nanostructuren hangt af van verschillende cruciale stappen. Het is belangrijk dat de LAO/STO-monsters worden gekweekt met een dikte die bekend is als de grens tussen de isolerende en geleidende fase. (Details van monstergroei vallen buiten het bestek van dit artikel, maar zijn cruciaal voor het algehele succes.) Ten tweede is het belangrijk om een relatieve luchtvochtigheid te hebben binnen het bereik van 25-45% voor succesvol c-AFM-schrijven. Waarden onder 25% zullen waarschijnlijk geen geleidende nanostructuren produceren, terwijl te hoge luchtvochtigheid over het algemeen oncontroleerbaar grote kenmerken zal produceren. Ook is temperatuurregeling van de AFM belangrijk als de c-AFM-tip precieze registratie over langere periodes nodig heeft. Zodra de nanostructuren zijn gemaakt, moeten ze in een vacuümomgeving worden geplaatst als er experimenten worden uitgevoerd die langer dan een paar uur duren. Voor de hier beschreven experimenten wordt de structuur gecreëerd en binnen enkele minuten overgebracht naar een vacuümomgeving.
Het wordt aanbevolen om voor het schrijven een “schrijftest” uit te voeren op alle relevante elektroden. In zo'n test worden eerst twee virtuele elektroden gemaakt en wordt er een enkele nanodraad geschreven terwijl de geleiding gelijktijdig wordt bewaakt. Een vergelijkbare test van het wissen kan worden uitgevoerd door de nanodraad kort daarna te “snijden”. Als de nanostructuur snel vervalt, is het probleem hoogstwaarschijnlijk te wijten aan de interfaciële contacten of het canvas zelf. Om onderscheid te maken tussen deze twee effecten, moet een vier-terminalsmeting van de geleiding worden uitgevoerd en moet de twee-terminals geleiding worden vergeleken met de vier-terminals geleiding als functie van de tijd. Als de twee-terminals geleiding sneller vervalt dan de vier-terminals geleiding, dan is het probleem gerelateerd aan de elektrische contacten met de interface. Als de vier-terminals geleiding met een vergelijkbare snelheid vervalt, dan is het canvas waarschijnlijk niet geschikt en moet worden vervangen.
Er zijn natuurlijke beperkingen van de huidige methode voor het maken van nanostructuren. Concreet gezien, is de schrijfsnelheid voor de kleinste apparaten beperkt tot een paar honderd nanometer per seconde. Snelheden die ver boven die waarde liggen, leiden tot onvoorspelbare resultaten. Het gebruik van parallelle schrijftechnieken is mogelijk27,28, maar zijn niet erg ontwikkeld en hebben hun eigen nadelen. De grootte van nanostructuren die kunnen worden gecreëerd, is natuurlijk beperkt door het scanbereik van de gebruikte AFM. Een hoogwaardige AFM met gesloten-lus feedback in de twee scanrichtingen wordt sterk aanbevolen. Het volgen van puntvormige objecten op het monsteroppervlak moet worden uitgevoerd om de temporele drift van het monster te bewaken.
Eenmaal het maken van geleidende nanostructuren op oxidatie-interfaces is beheerst, is er een breed scala aan experimentele richtingen dat kan worden verkend. Met behulp van deze techniek is al een grote verscheidenheid aan nanostructuren en apparaten aangetoond, inclusief nanodraden18, tunnelbarrieres29, rechtrichtende knooppunten30, veldeffecttransistors18, enkele-elektron transistors31, supergeleidende nanodraden32, nanoschaal optische detectoren33 en nanoschaal THz-emitter en detectoren34.

Oxide heterostructuren 1-5 vertonen een opvallend groot aantal optredende fysische verschijnselen die zowel wetenschappelijk interessant en nuttig kunnen zijn voor toepassingen 4 zijn. In het bijzonder kan de interface tussen LaAlO 3 (LAO) en SrTiO3 (STO) 6 vertonen isolerende, geleidende, supergeleidende 7, ferro-achtige 8 en 9 ferromagnetische gedrag. In 2006, Thiel et al. toonde aan dat 10 er een sterke isolator-metaal overgang zo de dikte van de LAO laag wordt verhoogd, met een kritische dikte van 4 eenheidscellen (4uc). Later werd aangetoond dat 3uc-LAO/STO structuren vertonen een hysteretisch overgang die plaatselijk kan worden bediend met een geleidende atomic force microscoop (c-AFM) sonde 11. De eigenschappen van oxide interfaces zoals LaAlO 3 / SrTiO3 afhankelijk van de afwezigheid of aanwezigheid van geleidendeelektronen bij het grensvlak. Deze elektronen kunnen worden gecontroleerd met behulp van top gate &#39;elektroden 12,13, rug poorten 10, oppervlak adsorbaten 14, ferro-elektrische lagen 15,16 en c-AFM lithografie 11. Een uniek kenmerk van c-AFM lithografie is dat zeer kleine nanoschaal functies kunnen worden gecreëerd. Elektrische top gating, gecombineerd met tweedimensionale opsluiting wordt vaak gebruikt om quantum dots in III-V halfgeleiders 17 creëren. Als alternatief kan quasi-eendimensionale halfgeleidende nanodraden elektrisch worden afgesloten door nabijheid. De werkwijzen voor het produceren van deze structuren zijn tijdrovend en in het algemeen onomkeerbaar. Daarentegen, de c-AFM lithografie techniek is omkeerbaar in de zin dat een nanostructuur kan worden gemaakt voor een experiment, en daarna &quot;gewist&quot; (vergelijkbaar met een whiteboard). In het algemeen wordt c-AFM schriftelijk uitgevoerd met positieve spanningen toegepast op de AFM tip, terwijl, het wissenwordt uitgevoerd met negatieve spanningen. De tijd nodig om een ​​bepaalde structuur te creëren afhankelijk van de complexiteit van het apparaat, maar is meestal minder dan 30 minuten; het grootste deel van die tijd wordt besteed aan het wissen van het doek. De typische ruimtelijke resolutie van ongeveer 10 nanometer, maar met de juiste afstemming functies zo klein als 2 nanometer kan worden aangemaakt 18. Een gedetailleerde beschrijving van de nanoschaal procedure volgt. De details die hier moet voldoende zijn om soortgelijke experimenten worden uitgevoerd door geïnteresseerde onderzoekers. De hier beschreven methode heeft veel voordelen ten opzichte van traditionele lithografische benaderingen gebruikt om elektronische nanostructuren te maken in halfgeleiders. De c-AFM lithografie hier beschreven methode is onderdeel van een veel bredere klasse van scanning-probe-based lithografie inspanningen, waaronder het scannen anodeoxydatie 19 dip-pen nanolithografie 20, piëzo-elektrische patronen21, enzovoort. De c-AFM-techniek hier beschreven, in combinatie met het gebruik van nieuwe oxide interfaces, kunnen enkele van de hoogste precisie elektronische structuren te produceren met een ongekende verscheidenheid van fysieke eigenschappen.

<table><tbody><tr><td>Apparatuur</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Contact Aligner</td><td>Karl-Suss</td><td>MA6</td><td></td></tr><tr><td>Spinner</td><td>Solitec</td><td>5110C</td><td></td></tr><tr><td>Ion Mill</td><td>Commonwealth Scientific</td><td>8C</td><td></td></tr><tr><td>Sputtering System</td><td>Leybold-Heraeus</td><td>Z-650</td><td></td></tr><tr><td>Barrel Etcher</td><td>Branson/IPC</td><td>3000C</td><td></td></tr><tr><td>Wire Bonder</td><td>Westbond</td><td>7700E</td><td></td></tr><tr><td>AFM</td><td>Asylum Research</td><td>MFP-3D</td><td></td></tr><tr><td>Dilution Refrigerator</td><td>Quantum Design</td><td>P850</td><td></td></tr><tr><td>Ultrasonic Wash Machine</td><td>Fisher Scientific</td><td>15-335-6</td><td></td></tr><tr><td>Stroomversterker</td><td>Femto</td><td>DLPCA-200</td><td></td></tr><tr><td>Materialen</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>LaAlO3/SrTiO3</td><td>Prof. Chang-Beom Eom</td><td></td><td>5 mm x 1 mm met ~3.4 eenheidscellen van LAO (Zie Verwijzing 18)</td></tr><tr><td>Fotoresist</td><td>AZ Electronic Materials</td><td>P4210</td><td></td></tr><tr><td>Ontwikkelaar</td><td>AZ Electronic Materials</td><td>400K</td><td></td></tr><tr><td>Aceton</td><td>Fisher Scientific</td><td>A929SK-4</td><td></td></tr><tr><td>Isopropyl Alcohol</td><td>Fisher Scientific</td><td>A459-1</td><td></td></tr><tr><td>Gedeïoniseerd Water</td><td>Fisher Scientific</td><td>23-290-065</td><td></td></tr><tr><td>Gouddraad</td><td>DuPont</td><td>5771</td><td>1 mm diameter</td></tr><tr><td>Chip Carrier</td><td>NTK Technologies</td><td>IRK28F1-5451D</td><td></td></tr></tbody></table>

schrijven en lage temperatuur karakterisering van nanostructuren

Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures

Oxidenano-elektronica is een snelgroeiend veld dat nieuwe materialen probeert te ontwikkelen met multifunctioneel gedrag op nanoschaal. Oxide-interfaces vertonen een breed scala aan eigenschappen die geregeld kunnen worden, waaronder geleiding, piëzo-elektrisch gedrag, ferrimagnetisme, supergeleiding en niet-lineaire optische eigenschappen. Recent zijn methoden ontdekt en ontwikkeld voor het regelen van deze eigenschappen op extreme nanoschaal. Hier worden expliciete stapsgewijze procedures beschreven voor het creëren van LaAlO3/SrTiO3 nanostructuren met behulp van een omkeerbare geleidende atoomkrachtmicroscooptechniek. De verwerkingsstappen voor het creëren van elektrische contacten met het LaAlO3/SrTiO3-interface worden eerst beschreven. Geleidende nanostructuren worden gecreëerd door spanningen toe te passen op een geleidende atoomkrachtmicroscooptip en lokaal het LaAlO3/SrTiO3-interface over te schakelen naar een geleidende toestand. Er is een veelzijdig nanolitografie-gereedschap ontwikkeld speciaal voor het regelen van de atoomkrachtmicroscoop (AFM) tip pad en spanning. Vervolgens worden deze nanostructuren in een cryostat geplaatst en transportmetingen worden uitgevoerd. De hier beschreven procedures zouden nuttig moeten zijn voor anderen die onderzoek willen doen in oxidenano-elektronica.

De resultaten die hier getoond worden vertegenwoordiger van de vervoersonderneming gedrag dat kan worden tentoongesteld door deze klasse van nanostructuren, en is elders in detail 23-26 beschreven. In dit voorbeeld is een nanodraad holte geconstrueerd (figuur 4) van een 3,3 eenheidscel LAO / STO heterostructuur. Geleidende paden (groene) zijn typisch 10 nm breed, zoals bepaald door nanodraad &quot;cutting&quot; experimenten 11. De tipsnelheid en spanning van elk segment onafhankelijk configureerbaar van de lithografie voorpaneel (figuur 4B), zoals de punt schrijfsnelheid. &quot;Virtuele elektroden&quot; die interface met de grensvlak contacten zorgen voor een zeer geleidend elektrische verbinding met de nanostructuren. Nadat de nanostructuur wordt geschreven, wordt deze overgedragen aan de verdunning koelkast. Blootstelling aan licht op of onder 550 nm zal ongewenste photoconduction produceren, dus het is important het apparaat te verzenden in het donker of met behulp van een rode &quot;donkere kamer&quot; light (figuur 5A). Elektrische aansluitingen moeten worden uitgevoerd bij kamertemperatuur, en zoals met de meeste halfgeleider nanostructuren, moet grote zorg worden genomen bij het verwisselen van elektrische aansluitingen bij cryogene temperaturen. Als de apparaten wordt blootgesteld aan elektrostatische ontlading, zal het hoogstwaarschijnlijk isolerende geworden. Opmerkelijk, kan de werking van het apparaat worden hersteld door &quot;fietsen&quot; de temperatuur tot 300 K en weer afkoelen. Tijdens cooldown is routine om de twee aansluitingen weerstand volgen en zelfs vier-terminal weerstand als functie van de temperatuur. Voor deze metingen een wisselspanning (meestal ~ 1 mV) wordt aangebracht bij een lage frequentie (&lt;10 Hz) om een ​​van de elektroden, terwijl de AC-stroom wordt gemeten met een transimpedantieversterker. Lock-in demodulatie en filtering wordt uitgevoerd met behulp van een-huis ontwikkelde lock-in versterker. De ac current wordt als functie van de temperatuur (Figuur 5B). Zodra het apparaat is afgekoeld tot de basistemperatuur van de verdunning koelkast (50 mK) worden vier de terminal metingen (figuur 5C). Voor deze metingen wordt stroombron via het hoofdkanaal van de inrichting, terwijl spanning over het apparaat wordt gelijktijdig gemeten. In plaats van het meten van een lock-in versterker, een volledige stroom-spanning (IV)-signaal gemeten. Deze methode bevat meer informatie en het differentieel geleiding kan worden berekend via numerieke differentiatie. Voor het specifieke apparaat, wordt de differentiële geleiding als functie van de zij-gatespanning SG. Deze poort kan de chemische potentiaal van de inrichting te wijzigen. Het transport via het apparaat vertoont een sterke niet-monotone afhankelijkheid, met vermelding van de regio&#39;s waarin Coulomb blokkade plaatsvindt voor kleinere waarden, en strong supergeleiding voor grotere waarden van V sg. Details over de fysische interpretatie voor deze klasse van apparaat zal elders worden beschreven. <img alt="Figuur 1" src="/files/ftp_upload/51886/51886fig1highres.jpg" /> .. Figuur 1 fotolithografische verwerking stappen Stap 1: rotatie fotolak. Stap 2: bloot fotolak behulp masker aligner. Stap 3: het ontwikkelen van fotolak. Stap 4: ionenverdunningstechnieken. Stap 5: DC sputteren aan Ti en Au deponeren. Stap 6: lift-off. Stap 7: breng de tweede laag. Stap 8: plasma reiniging. <img alt="Figuur 2" src="/files/ftp_upload/51886/51886fig2highres.jpg" /> Figuur 2. Afbeeldingen van lithografisch patroon LAO / STO heterostructuren. (A) Afbeelding van 5mm x 5mm monster draad verbonden met een chip carrier. (B)<html> Optische beeld dat bonding pads en een van de doeken. (C) Close-up van een enkele doek. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/51886/51886fig2highres.jpg" target="_blank">Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.</a> <img alt="Figuur 3" src="/files/ftp_upload/51886/51886fig3highres.jpg" /> Figuur 3. (A) Informele ontwerp van LAO / STO nanostructuur. (B) Precieze indeling van nanostructuur behulp van een open-source Scalable Vector Graphics (SVG) editor. <img alt="Figuur 4" src="/files/ftp_upload/51886/51886fig4highres.jpg" /> Figuur 4. (A) Lithography frontpaneel voor c-AFM patronen. (B) Screenshot van 3D simulator toont positie en spanning van c-AFM tip.w.jove.com/files/ftp_upload/52058/52058fig4large.jpg &quot;target =&quot; _blank &quot;&gt; Klik hier voor een grotere versie van deze afbeelding te bekijken. <img alt="Figuur 5" src="/files/ftp_upload/51886/51886fig5highres.jpg" /> Figuur 5. (A) LAO / STO nanostructuur worden ingevoegd in verdunning koelkast. (B) Controle monster resistentie zoals het wordt gekoeld van 300 K tot 50 mK. (C) Controle op vier eindstandige differentiële geleiding van als functie van zijpoort spanning VSG en spanning over het apparaat (V4t). Intensiteit grafiek weergegeven in eenheden van siemens (S), en spanningen worden weergegeven in eenheden van volt (V).

Oxidenanostructuren bieden nieuwe kansen voor wetenschap en technologie. De interfaciale geleidbaarheid tussen LaAlO3 en SrTiO3 kan met nagenoeg atomaire precisie worden geregeld met behulp van een geleider atomic force microscopy techniek. Het protocol voor het creëren en meten van geleidende nanostructuren op LaAlO3/SrTiO3 interfaces wordt gedemonstreerd.

Schrijven en lage temperatuur karakterisering van nanostructuren

Oxide nanoelectronics is a rapidly growing field which seeks to develop novel materials with multifunctional behavior at nanoscale dimensions.  Oxide ...

In deze video laten we de stappen zien die nodig zijn om geleidende nanostructuren te creëren en te meten bij Lengthen illuminate strontium TITANAAT, of L-A-O-S-T-O interfaces. De eerste stap is het verkrijgen van de monsters. Elk monster bestaat uit vijf millimeter bij één millimeter dik strontiumtitanaat met 3,4 eenheidscellen van Lome illuminate of LAO.De volgende stap is de fotolithografische verwerking van de monsters, beginnend met het draaien van fotoresist op de monsters bij 600 RPM gedurende vijf seconden, en bij 4.000 RPM gedurende 30 seconden, het aanbrengen van het masker om gewenste gebieden van de foto bloot te leggen. Belicht de monsters met 320 nanometer licht gedurende 100 seconden. Ontwikkel de fotoresist en AZ 400 K ontwikkelaar gedurende één minuut. Spuit het monster vervolgens met een argon-ionisator met 500 volt, 10 milliamps gedurende 25 minuten.Om een freesdiepte van 15 nanometer te produceren, begint u met het DC-sputteringproces. Deponeer vier nanometer titanium en 25 nanometer goud op de monsters zodat het goud elektrische contact maakt met de blootgestelde STO-laag. Raadpleeg het manuscript voor de specifieke spatteringsprocedures die hier zijn gebruikt.De volgende stap is liftoff. Gebruik een ultrasone wasbeurt om fotoresist van het oppervlak van de monsters te verwijderen. De eerste laag is nu voltooid na verwerking.Het monster zou er idealiter zo uit moeten zien om de tweede laag te creëren. Herhaal stappen één tot en met zes met uitzondering van stap vier ionenfrees. Voltooi de verwerking van de monsters door plasmareiniging.De volgende stap is het draadbonden van een canvas om te voorbereiden op nanoschrijven. Voor transportexperimenten. Het canvas moet draadgebonden worden aan een chipcarrier.Er worden elektrische verbindingen gemaakt tussen bondingpads op het monster en de chipcarrier. Een balbonder wordt gebruikt om een ​​één milli gouden draad te bevestigen tussen de elektrische contacten en de chipcarrier. Nadat het monster is gemonteerd op de chipcarrier en draadgebonden.Het zou er zo uit moeten zien. De volgende stap is het schrijven van nanostructuren om de monsters in een experiment te gebruiken. Een ontwerp voor de nanostructuur wordt informeel geschetst.Dus wat voor type apparaat zouden we vandaag moeten schrijven? Oké, laten we ons apparaat op de whiteboard plannen. Wat als we beginnen met enkele virtuele elektroden om een goed contact te maken met de interface?Oké, hier zijn zes virtuele elektroden. Ik heb net getekend, wat te denken van het hoofdkanaal? Oké. We kunnen een hoofdkanaal verticaal over het hele canvas tekenen, evenals een paar sensorleidingen.Ja, we kunnen ook een holte met de twee sneden plaatsen en misschien een zijpoort om capacitief te koppelen aan het hoofdkanaal. Ja, dat is een goed idee. Het precieze ontwerp is gemaakt met Inkscape, een open source schaalbare vectorafbeeldingseditor.De pad en spanningen voor de geleidende A FM-tip worden gecodeerd in de SVG bezier-curves en vaste vormen. De Inkscape-bestanden in het beeld van het monsteroppervlak worden vervolgens gespecificeerd in de labview. Een FM-litografiesoftware.Het programma wordt uitgevoerd en litografie-opdrachten worden naar de atomic forest microscoop gestuurd. De voortgang wordt gevolgd met behulp van een 3D-visualisatietool die de litografieprocedure nabootst. Groene lijnen vertegenwoordigen geleidende paden die zijn geschreven met positieve spanning.Rode lijnen vertegenwoordigen paden waarin de isolerende fase lokaal wordt hersteld. In dit geval wordt een holte van een micron gecreëerd langs een nanodraad. De volgende stap is om het apparaat af te koelen en metingen te doen.Nadat de nanostructuren zijn geschreven, wordt het monster uit het A FM-systeem gehaald. Tijdens deze stap moeten rode filters en/of verlichting worden gebruikt om foto-excitatie van dragers te voorkomen, het monster wordt op de verdunningseenheid gemonteerd. De verdunningseenheid wordt voorzichtig in de cryostat geplaatst om ervoor te zorgen dat de cryostat niet wordt beschadigd.Tijdens het afkoelen wordt de weerstand gemonitord om ervoor te zorgen dat het monster geleidend blijft. Zodra het monster de basistemperatuur van 50 millikelvin heeft bereikt, kunnen zijn weerstand en transport worden gemeten. In dit apparaat is er een overgang van Kula-blokkadegeheugen naar Cooper-paartunneling naar volledige supergeleiding.De differentiële geleidbaarheid hier is verkregen uit de volledige stroomspanningscurve na numerieke differentiatie. Na het bekijken van deze video zou u een uitgebreid begrip moeten hebben van de essentiële stappen die nodig zijn om geleidende nanostructuren bij L-A-O-S-T-O-interfaces te produceren.

writing-and-low-temperature-characterization-of-oxide-nanostructures

Research

JoVE Journal

Engineering

Techniek

Het algemene doel van deze methode is het bepalen van de lage-energie elektronische structuur van vaste stoffen bij ultralage temperaturen met behulp van hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie met synchrotron straling.

Hoekopgeloste foto-emissie spectroscopie bij ultralage temperaturen

We beschrijven het gebruik van gepulste laser depositie (PLD), fotolithografie en wire-bonding technieken micrometer meervoudige oxiden apparaten. Het PLD wordt gebruikt om epitaxiale dunne films te laten groeien. Fotolithografie en wire-bonding technieken worden ingevoerd om praktische hulpmiddelen voor de meting doeleinden te creëren.

Fabricage van plaatsgebonden complexe oxiden

Verschillende procedures worden geschetst om atomair gedefinieerde templates voor te bereiden op epitaxiale groei van complexe oxide deklagen. Chemische behandeling van enkele kristallijne SrTiO 3 (001) en DYSCO 3 (110) substraten werden uitgevoerd om atomair glad, enkel beëindigd oppervlakken te verkrijgen. Ca 2 Nb 3 O 10 - nanosheets werden gebruikt om atomair gedefinieerde templates op willekeurige substraten te creëren.

Atomair gedefinieerde templates voor epitaxiale groei van complexe oxide deklagen

Een “verwijderbare keramische coatingmethode” wordt in visuele vorm gepresenteerd voor de synthese van niet-gesinterde en metaal-getermineerde monometallische en bimetallische vroege overgangsmetaalcarbide en -nitride nanodeeltjes met instelbare grootten en kristalstructuren.

Reverse-micro-emulsie gemedieerde synthese van monometallische en bimetaal Vroege Transition Metal Carbide en nitride Nanodeeltjes

Een methode voor de groei van laagtemperatuur verticaal uitgelijnde koolstofnanobuizen, en de daaropvolgende fabricage van verticale interconnect elektrische teststructuren met behulp van halfgeleiderfabricage wordt gepresenteerd.

Fabricage van Low Temperature koolstof nanobuis Verticale Verbindingen Compatibel met halfgeleidertechnologie

We beschrijven de methodologie van mechanische exfoliatie en depositie van vlokken van nieuwe materialen met micrometergrootte op een substraat, fabricage van experimentele apparaatstructuren voor transportexperimenten, en de magnetotransportmeting in een droge helium gesloten-cyclus cryostat bij temperaturen tot 0,300 K en magnetische velden tot 12 T.

Geavanceerde experimentele methoden voor lage-temperatuur magnetotransport Meting van nieuwe materialen

In kolomvorm zinkoxide structuren in de vorm van staven worden gesynthetiseerd via aerosol-bijgewoonde chemische damp afzetting zonder het gebruik van vooraf gedeponeerde katalysator-zaad deeltjes. Deze methode is schaalbaar en compatibel met verschillende ondergronden op basis van silicium, kwarts of polymeren.

Aerosol-bijgewoonde Chemical Vapor Deposition van metaaloxide structuren: zinkoxide staven

Wij fabriceren metaal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructuren met behulp van een combinatie van gepulste laser afzetting en in situ magnetron sputteren. Door magnetotransport en in situ X-ray photoelectron spectroscopie experimenten onderzoeken we de wisselwerking tussen elektrostatische en chemische fenomenen van het quasi tweedimensionaal electron gas gevormd in dit systeem.

Groei en elektrostatische fysico-chemische eigenschappen van metaal/LaAlO3/SrTiO3 Heterostructuren

De synthese van hoge kwaliteit bulk en dunne film (Mg0.25(1-x)van CoxNi0.25(1-x)Cu0.25(1-x)Zn0.25(1-x)) O en (Mg0.25(1-x)Co0.25(1-x)Ni0.25(1-x)CuxZn0.25(1-x )) O entropie-gestabiliseerde stikstofoxiden wordt gepresenteerd.

Bulk en dunne Film synthese van compositioneel Variant Entropy-gestabiliseerde stikstofoxiden

Oxidematerialen vertonen veel exotische eigenschappen die kunnen worden gecontroleerd door het zuurstofgehalte af te stemmen. Hier demonstreren we de afstemming van het zuurstofgehalte in oxiden door de gepulseerde laserdepositieparameters te variëren en door postgloeiing uit te voeren. Als voorbeeld worden elektronische eigenschappen van op SrTiO3 gebaseerde heterostructuren afgestemd door groeimodificaties en gloeien.

Afstemmen van oxide-eigenschappen door zuurstofvacuümregeling tijdens groei en gloeien

Nikkelhydroxide nanosheets worden gesynthetiseerd door een microgolf-geassisteerde hydrothermale reactie. Dit protocol toont aan dat de reactietemperatuur en -tijd die worden gebruikt voor microgolfsynthese van invloed zijn op de reactieopbrengst, kristalstructuur en lokale coördinatieomgeving.

Effect van microgolfsyntheseomstandigheden op de structuur van nikkelhydroxide-nanosheets

Leer het protocol voor het maken en meten van geleidende nanostructuren aan LaAlO3/SrTiO3-grensvlakken met geleidende atoomkrachtmicroscopie. Deze methode biedt nauwkeurige controle over grensvlakgeleiding.

Schrijven en lage temperatuur karakterisering van nanostructuren

Meer video's verkennen