Summary
نحن تصف استخدام ترسب نابض ليزر (الملعوبة)، ضوئيه وتقنيات أسلاك الربط، لخلق مقياس ميكرومتر أكاسيد مجمع الأجهزة. ويستخدم PLD أن ينمو الأغشية الرقيقة الفوقي. يتم إدخال تقنيات الطباعة التصويرية وأسلاك الربط، لخلق عملية الأجهزة لأغراض القياس.
Abstract
المواد المعقدة مثل الموصلات الفائقة العالية والتعاون التقني، multiferroics، وmagnetoresistors هائلة لها خصائص الإلكترونية والمغناطيسية التي تنشأ عن المتأصلة الارتباطات الإلكترون قوية الموجودة داخلها. هذه المواد يمكن أن تمتلك أيضا مرحلة الانفصال الإلكترونية في المناطق التي من سلوك مقاوم والمغناطيسية مختلفة إلى حد كبير يمكن أن تتعايش داخل واحد مادة الكريستال سبائك. عن طريق الحد من حجم هذه المواد إلى جداول طول في وأدناه حجم المتأصلة في المجالات الإلكترونية، ويمكن أن يتعرض السلوكيات الرواية. وبسبب هذا، وحقيقة أن المعلمات النظام المداري تدور المسؤول شعرية تنطوي على كل أطوال الارتباط، والحد من مكانيا هذه المواد للمقاييس النقل هو خطوة حاسمة في فهم الفيزياء الأساسية التي تحرك السلوك المعقد. هذه المواد أيضا إمكانيات كبيرة ليصبح الجيل القادم من الأجهزة الإلكترونية 1-3. وهكذا، فإن تصنيع منخفضة الأبعاد النانو أوهياكل الصغيرة في غاية الأهمية لتحقيق وظائف جديدة. وهذا ينطوي على عمليات التحكم متعددة من جودة النمو المرتفع رقيقة إلى توصيف دقيق للملكية الإلكترونية. هنا، فإننا نقدم بروتوكولات تلفيق المجهرية ذات جودة عالية لمجمع الأجهزة المنجنيز أكسيد. وترد أوصاف مفصلة والمعدات اللازمة للنمو رقيقة، صور الطباعة الحجرية، وأسلاك الربط.
Introduction
أول واحدة من أهم الخطوات نحو الأجهزة ذات جودة عالية هو نمو الأغشية الرقيقة أكسيد الفوقي. يستخدم ركيزة الكريستال واحد بأنه "قالب" لإيداع المواد المستهدفة. بين أساليب مختلفة ترسب وترسب الليزر النبضي (الملعوبة) هي واحدة من أفضل الطرق للحصول على نوعية جيدة الأغشية الرقيقة 4،5. تنطوي على عمليات النمو تسخين الركيزة إلى نحو 800 درجة مئوية في بيئة الأوكسجين وباستخدام نبضات الليزر لضرب المواد المستهدفة وتوليد تدفق لتودع على الركيزة. يظهر نظام نموذجي في الشكل 1.
في حين تم عرض أفلام unpatterned لتكشف عن فيزياء جديدة غريبة 6، والحد من البعد فيلم يوفر المزيد من الفرص لاستكشاف الظواهر الجديدة وتصنيع الجهاز. ضوئيه يمكن استخدامها لتقليص عينة البعد في الطائرة وصولا الى ترتيب من 1 ميكرون. وسيدخل بروتوكول مفصل لعملية ضوئيهستناقش أدناه. هذا الأسلوب هو متوافق مع ركائز الأكثر استخداما على نطاق واسع والذي يسمح للتحقيقات من آثار الحبس على الأفلام الفوقي الذي عقد في الولايات سلالة مختلفة.
منذ العديد من أكاسيد معقدة لها خصائص مثيرة للاهتمام في درجات الحرارة المنخفضة و / أو المجالات المغناطيسية العالية، والربط الالكتروني بين الجهاز وأجهزة قياس مهم جدا. اتصالات عالية الجودة يمكن تشكيلها عن طريق تبخير منصات الاتصال الاتحاد الافريقي في الهندسة 4 مسبار ومع استخدام سلك بوندر لإجراء اتصالات بين منصات وجهاز قياس. عندما يوظف بشكل صحيح، يمكن لهذه الاتصالات بسهولة تحمل البيئات قياس درجة الحرارة القصوى ضمن نطاقات واسعة من 4 إلى 400 K K ويتراوح المجال المغناطيسي تصل إلى ± 9 T.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. عينة تلفيق النمو
- تنظيف 5 مم × 5 مم × 0.5 مم واحد الركيزة الكريستال وجود زاوية miscut <0.1 درجة مثل SrTiO 3 أو 3 LaAlO مع الأسيتون ثم الماء في نظافة بالموجات فوق الصوتية لمدة 10 دقيقة لكل منهما. للحصول على تيو 2 الإنهاء على SrTiO 3، حفر الركيزة في 10٪ فلوريد الهيدروجين لمدة 30 ثانية وشطف في الماء لمدة 1 دقيقة، تليها يصلب عند 1،100 درجة مئوية لمدة 10 ساعة. بعد التنظيف، وتركيب الركيزة على سخان مناسبة لظروف خواء تام.
- تركيب سخان في غرفة فراغ PLD وفتح مصدر الأكسجين غرفة لملء الغرفة مع 2 × الأكسجين 10E-5 عربة. رفع درجة حرارة سخان إلى 800 درجة مئوية واتركه ليصلب لمدة 20 دقيقة. درجة الحرارة يمكن رصدها باستخدام البيرومتر الكمبيوتر التي تسيطر عليها أو الحرارية.
- لبدء ترسب الفيلم، بدء الهيجان نابض ليزر باستخدام فلوينس الليزر من 1-2 J / سم 2 وتردد الليزر من 1أو 2 هرتز. سوف نبضات الليزر ضرب المواد المستهدفة وتوليد تدفق ريشة. فإن تدفق تخترق من خلال بيئة الأوكسجين ودائع على الركيزة.
- انعكاس عالية الطاقة حيود الإلكترونات (RHEED) يمكن استخدامها لمراقبة نمو الخلايا وحدة وتأكيد جودة السطح 7. هذا الأسلوب يسمح للرصد سماكة واضحة جدا.
- عندما الفيلم هو من سمك المطلوب، إيقاف تشغيل الليزر وتقلل من درجة حرارة سخان في 5 ° C / دقيقة. مرة واحدة يتم تبريد سخان لدرجة حرارة الغرفة، وإيقاف مصدر الأوكسجين وإزالة عينة.
- خارج الموضع الصلب يمكن استخدامها على مواد أكسيد لإزالة أوجه القصور الأكسجين التي قد تكون موجودة بعد النمو أو بعد فترات طويلة في فراغ. وضع العينة في فرن أنبوب تحت 1 الصراف الآلي من تدفق الأكسجين. رفع درجة الحرارة من 20 درجة مئوية إلى 700 درجة مئوية في 5 ° C / دقيقة، ويصلب لمدة 2 ساعة، ثم تنخفض درجة الحرارة من 700 درجة مئوية إلى 20 درجة مئوية في 2 ° C / دقيقة. على أي مهمةالشركة المصرية للاتصالات هو أبدا ما بعد يصلب في درجات حرارة أعلى من تلك المستخدمة خلال النمو الفيلم عند ملء الشواغر الأكسجين وهذا يمكن أن يؤثر سلبا على نوعية المياه السطحية وربما تؤثر سلبا على جودة وضوح الشمس.
2. تلفيق ضوئيه
- بالموجات فوق الصوتية تنظيف العينة في الأسيتون وثم الماء لمدة 10 دقيقة لكل منهما. المجهر الضوئي يمكن استخدامها للتأكد من أن سطح العينة نظيفة من الجسيمات الكبيرة. (الشكل 2A)
- تدور معطف طبقة من 1 ميكرون سميكة مقاومة للضوء. نموذجية سرعة الدوران ومدة حوالي 6،000 دورة في الدقيقة و 80 ثانية على الرغم من هذه الأرقام تعتمد على مقاومة للضوء المحددة المستخدمة. ضع العينة على لوحة الحرارة عند 115 درجة مئوية لمدة 2 دقيقة لعلاج مقاومة للضوء. تحقق من جودة مقاومة للضوء تحت المجهر الضوئي. يجب أن تظهر طلاء موحد مع عدم وجود فقاعات.
- استخدام اليجنر قناع لفضح العينة تحت قناع الطباعة الحجرية محددة مسبقا مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية لمدة 9 ثوانى مع جرعة التعرضحوالي 90 ميغا جول / سم 2. مرة أخرى هذه الأرقام سوف تكون محددة لمقاومة للضوء المستخدم. عندما يتم استخدام مقاومة للضوء إيجابي، فإن جزءا من مقاومة للضوء التي تغطيها القناع لا تغيير الخاصية الكيميائية في حين أن جزءا من العلاقات العامة الذي كشفت عنه القناع ستتغير بممتلكاتها ويمكن حله في المطور الكيميائية. تسخين مقاومة للضوء وعينة على 110 درجة مئوية لمدة 80 ثانية لمواصلة علاج مقاومة للضوء المكشوفة.
- شطف العينة في حل المطور ل25-35 ثانية. اخراج عينة فورا وشطف في الماء لمدة 30 ثانية. إذا تم استخدام مقاومة للضوء إيجابي، وسوف يتم غسلها جزء من مقاومة للضوء والذي كشفت عنه القناع بعيدا في حين أن الجزء الذي يتم تغطية ستبقى. لاحظ أن مدة الخطوة النامية أمر حاسم للسيطرة بدقة الأبعاد مقاومة للضوء وجودة (الشكل 2B).
- يعد حل من يوديد البوتاسيوم، وحمض الهيدروكلوريك والماء من نسبة 01:01:01. استخدام ملاقط بلاستيكية لشطف رانه نموذج في حامض لحوالي 10 ثانية. ستحفر الجزء غير محمية من فيلم رقيقة بعيدا. شطف على الفور العينة في الماء النقي لمدة 60 ثانية. تحقق مع المجهر الضوئي لمعرفة ما إذا كانت رقيقة وقد حفرت تماما. إن لم يكن، إضافة 2-3 المزيد من الثواني من حمض حفر وشطف فورا بالماء النقي، ثم تحقق مرة أخرى مع المجهر الضوئي. كرر هذا الإجراء حتى يتم محفورا كل فيلم غير المحمية بعيدا. ويحكم هذه العملية من خلال قوة ضوئي وسماكة الفيلم. معدلات حفر نموذجية لكثير من manganites هي حوالي 1-4 نانومتر / ثانية لنسبة حل 01:01:01 الموصوفة أعلاه.
- شطف العينة في الأسيتون لمدة 20 ثانية لإزالة مقاوم الضوء المتبقية. التحقق من جودة عينة مع المجهر (الشكل 2C و 2D).
3. اتصال أسلاك الربط،
- باستخدام قناع الصورة، كرر الخطوات 2،1-2،3 أعلاه باستخدام قناع الطباعة الحجرية التي سوف أترك المناطق المفتوحة على الأسلاك مناسبة للاتصالمنصات. تتبخر 5 نانومتر و 100 نانومتر تي الاتحاد الافريقي على العينة وشطف في الأسيتون. سيؤدي ذلك إلى إزالة مقاومة للضوء وترك فقط الاتصال سادة الهندسة المطلوب (الشكل 3A).
- استخدام GE الورنيش لتركيب العينة على عينة عفريت. سماح 15 دقيقة لعلاج.
- تحديد موقف العينة على مرحلة سلك بوندر واستخدام بوندر أسلاك لربط الأسلاك آل من عفريت عينة لتي / الاتحاد الافريقي اتصالات (الشكل 3B). قم بإجراء القياسات الكهربائية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تركز هذه الورقة في الغالب على الجوانب ضوئيه وأسلاك الربط، من إعداد العينات. مزيد من التفاصيل بشأن إجراءات النمو فيلم يمكن العثور عليها في لدينا غيرها من المنشورات الأخيرة 8.
ضوئيه هو وسيلة هامة للسيطرة بعدية في أكاسيد معقدة لغرض التحقيق أطوال ارتباط الإلكترون ومرحلة الانفصال الإلكترونية 9-13. ويبين الشكل 2 الصور الضوئية من الخطوات الجزئية أثناء العملية. ومن الضروري أن نشير إلى أن من بين جميع هذه الخطوات، مراقبة دقيقة لتطوير والنقش الوقت هو الأكثر أهمية لافتعال الجهاز بنجاح. على سبيل المثال، يمكن للمرء أن أكثر الثانية من تطوير الوقت يسبب مقاومة للضوء غير معلن إلى أن تغسل بعيدا. من ناحية أخرى، يمكن أن العديد من المزيد من الثواني من النقش حمض تسبب الفيلم أكاسيد إلى أن أكثر من المحفور وإزالتها تماما، وبالتالي الإضرار هيكل المطلوب، كما هو مبين في الشكل (4). ويبين الشكل 3 عينة جاهزة للقياس. ويمكن تطبيق الجهد الكهربائي والحالي إلى النموذج أجهزة لمجموعة واسعة من القياسات الإلكترونية عبر مجموعة واسعة من درجات الحرارة والمجالات المغناطيسية.
الشكل 1. التخطيطي للترسب (الملعوبة) نظام الليزر النبضي. يتم استخدام KRF الهيجان الليزر لتوليد السحابة المستهدفة. يتم استخدام سخان للسيطرة على درجة حرارة العينة. يتم استخدام 3 O مصدر لتوريد ضغط الأكسجين الخلفية. وتستخدم بندقية RHEED، وكاميرا وجهاز الكمبيوتر لرصد ديناميات النمو وهيكل السطح.
الشكل 2. الفت وحدة التدفق الضوئيالصور olithography. أ) صورة ضوئية من عينة كما نمت، والمناطق هي مناطق الضوء التي تركت دون الفيلم خلال النمو كما أنها تضع تحت المشابك سخان، ويحدث التجانس طفيف من اللون عن طريق تغيير اللون على الجزء الخلفي من الركيزة وليس نتيجة لفيلم غير التوحيد؛ ب) صورة نموذجية من مقاومة للضوء وضعت على رأس من العينة؛ ج) صورة نموذجية من عينة بعد حامض النقش؛ د) مجموعة كاملة من الأجهزة محفورا من فيلم واحد يسمح لقياس آثار الحبس في 6 بعرض السلك.
الشكل 3 أ) اتصالات نموذجي لنقل 4 مسبار؛ ب) سلك جهاز واحد اتصالات بوnded من منصات سلك لالمقاومية عفريت. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
. الشكل 4 آثار overetching 50 فيلما نانومتر محفورا ل) 15 ثانية؛ ب) 21 ثانية و ج) 25 ثانية. انقر هنا لعرض أكبر شخصية .
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
بعكس المواد شبه الموصلة عنصر واحد مثل سي، يمكن للتصنيع المواد المعقدة يكون أكثر صعوبة يرجع ذلك إلى حقيقة أن بنية معقدة ومتعددة العناصر يجب أن تؤخذ جميعها بعين الاعتبار. استخدام ضوئيه لصنع أجهزة أكسيد معقدة من حيث التكلفة المنخفضة نسبيا وسريعة لالنموذج الأولي بدلا من تقنيات الحبس أخرى. غير أن هناك بعض القيود المهم أن نفهم. ضوئيه وجود قيود المكانية لإنشاء هياكل من حوالي 1 ميكرون هو لذلك لا تصلح لتصنيع جهاز النانو حقا. المهم أيضا هو حقيقة أن حافة خشونة الناشئة عن عملية الحفر الكيميائي يمكن أن يكون بناء على أمر من 50 نانومتر.
تقنيات أخرى مثل شعاع الالكترون الطباعة الحجرية (EBL) ومركزة شعاع أيون (FIB) الطحن يمكن استخدامها لإنشاء هياكل أصغر بكثير من تلك التي ممكن مع ضوئيه. تقتصر هذه عموما ل> 50 نانومتر، و> 20 نانومتر هياكل التركيبectively 14،15. لديك هذه التقنيات أيضا القيود. EBL يمكن أن يستغرق ساعات لأيام لوضع هيكل ذلك هو أبطأ بكثير من ضوئيه وربما لا يزال ينتج في حافة خشونة الناشئة عن عملية الحفر. FIB الطحن هو أيضا أبطأ بكثير من ضوئيه وينطوي على المخاطرة التغييرات رياضيات الكيمياء هيكل من الأيونات مزروع. وعلاوة على ذلك، يمكن إعادة ترسب المواد محفورا عند استخدام FIB طحن تؤثر سلبا على الجهاز. وثمة اتجاه ممكن للتغلب على المشاكل الكيميائية والبلازما النقش أو قصف أيون هو إزالة تماما أن خطوة في المعالجة. النمو الذاتي تجميعها من هياكل النانو يوفر وسيلة واعدة لتجنب مشاكل مثل خشونة وزرع الأيونات. الهدف هو استخدام تقنيات النمو المختلفة لافتعال controllably القياس المتكافئ، هياكل صغيرة مثل قضبان النانو والنانو ركائز 16،17، وقياس خصائصها. ولكن هذا لا يزال تقنية الشباب إلى حد ما في أكاسيد معقدة ويحتاج الفراءتطوير ذر قبل أن يصبح صالحا للاستخدام العادية في جميع المواد.
ويمكن أيضا أن يتحقق الربط الكهربائي بين العينة وأداة بطرق مختلفة. بخلاف الرابطة الأسلاك، الإنديوم والطلاء الفضة غالبا ما يتم استخدامها لإنشاء التوصيلات الكهربائية. ومع ذلك، على حد سواء الإنديوم وأساليب الطلاء الفضة لديهم قضايا مثل مناطق التماس كبيرة (حوالي 1 ملم 2) ويمكن أن تتطلب علاج ارتفاع درجة الحرارة (~ 100 درجة مئوية) أو لحام (> 200 ° C) التي ربما تتسبب في نقص الأكسجين في الأفلام أكسيد. وهكذا، والترابط الأسلاك لديه ميزة من منطقة اتصال صغير (حوالي 100 ميكرون 2) التي هي مستقرة في ظل درجة الحرارة يتراوح الكبيرة والاستخدام المتكرر.
قدم سلسلة من أساليب هنا تمكين تلفيق الصغيرة أكاسيد معقدة من الهياكل الأغشية الرقيقة. هذه الأساليب تسمح للتحقيق في أنظمة مرتبطة ارتباطا قويا على حد سواء لأبحاث الفيزياء الأساسية والسعي للحصول على الوظائف الجديدةالتطبيق الثاني.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
الإعلان عن أي تضارب في المصالح.
Acknowledgments
وأيد هذا الجهد بالكامل من قبل وزارة الطاقة الأمريكية، مكتب العلوم الأساسية للطاقة، مواد العلوم والهندسة شعبة.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Reagent/Material | |||
| SrTiO3(001) & LaAlO3(100) substrates | CrysTec GmbH | ||
| Microposit S1813 Photoresist | Shipley | ||
| CD-26 Developer | Shipley | 38490 | |
| GE varnish | Lakeshore | VGE-7031 | |
| Equipment | |||
| Reflected High Energy Electron Diffraction (RHEED) | Staib Instruments | 35kV TorrRHEED | |
| Mask Aligner | ABM | Model 85-3 (350W) Lightsource | |
| Resistivity Puck | Quantum Design | P102 | |
| Wire Bonder | Kulicke Soffa | 04524-0XDA-000-00 | |
References
- Ahn, C. H., Triscone, J. -M., Mannhart, J. Electric field effect in correlated oxide systems. Nature. 424, 1015-1018 (2003).
- Basov, D. N., Averitt, R. D., Van der Marel, D., Dressel, M., Haule, K. Electrodynamics of correlated electron materials. Reviews of Modern Physics. 83, 471-541 (2011).
- Waser, R., Aono, M. Nanoionics-based resistive switching memories. Nat. Mater. 6, 833-840 (2007).
- Willmott, P. R., Huber, J. R. Pulsed laser vaporization and deposition. Rev. Mod. Phys. 72, 315-328 (2000).
- Eres, H. M. C., G, Recent advances in pulsed-laser deposition of complex oxides. Journal of Physics: Condensed Matter. 20, 264005 (2008).
- Ding, J. F., Jin, K. X., Zhang, Z., Wu, T. Dependence of negative differential resistance on electronic phase separation in unpatterned manganite films. Applied Physics Letters. 100, 62402-62404 (2012).
- Ichimiya, A., I, P. C. Reflection High Energy Electron Diffraction. , Cambridge University Press. Cambridge, UK. (2004).
- Guo, H., Sun, D., et al. Growth diagram of La0.7Sr0.3MnO3 thin films using pulsed laser deposition. arXiv. , 1210.5989 (2012).
- Ward, T. Z., Gai, Z., Guo, H. W., Yin, L. F., Shen, J. Dynamics of a first-order electronic phase transition in manganites. Physical Review B. 83, 125125 (2011).
- Ward, T. Z., Liang, S., et al. Reemergent Metal-Insulator Transitions in Manganites Exposed with Spatial Confinement. Physical Review Letters. 100, 247204 (2008).
- Ward, T. Z., Zhang, X. G., et al. Time-Resolved Electronic Phase Transitions in Manganites. Physical Review Letters. 102, 87201 (2009).
- Zhai, H. -Y., Ma, J. X., et al. Giant Discrete Steps in Metal-Insulator Transition in Perovskite Manganite Wires. Physical Review Letters. 97, 167201 (2006).
- Wu, T., Mitchell, J. F. Creation and annihilation of conducting filaments in mesoscopic manganite structures. Physical Review B. 74, 214423 (2006).
- Altissimo, M. E-beam lithography for micro-/nanofabrication. Biomicrofluidics. 4, 26503-26506 (2010).
- Watt, F., Bettiol, A. A., Van Kan, J. A., Teo, E. J., Breese, M. B. H. Ion Beam Lithography and Nanofabrication: A Review. International Journal of Nanoscience. 4, 269-286 (2005).
- Urban, J. J., Yun, W. S., Gu, Q., Park, H. Synthesis of single-crystalline perovskite nanorods composed of barium titanate and strontium titanate. J. Am. Chem. Soc. 124, 1186-1187 (2002).
- Wang, Y., Fan, H. J. The origin of different magnetic properties in nanosized Ca0.82La0.18MnO3: Wires versus particles. Applied Physics Letters. 98, 142502 (2011).
