الكتابة وانخفاض درجة الحرارة توصيف أكسيد النانو

1Department of Physics, University of Pittsburgh
Published 7/18/2014
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering
 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

Levy, A., Bi, F., Huang, M., Lu, S., Tomczyk, M., Cheng, G., et al. Writing and Low-Temperature Characterization of Oxide Nanostructures. J. Vis. Exp. (89), e51886, doi:10.3791/51886 (2014).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

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 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.

Protocol

1. الحصول لاو / Heterostructures STO

  1. الحصول على heterostructure أكسيد تتألف من 3.4 وحدة من خلايا لاو نما بنسبة ترسب الليزر النبضي على ركائز تيو 2 STO إنهاء. موصوفة تفاصيل النمو في عينة الرقم 22.

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.

  1. تدور مقاومة للضوء
    1. تدور مقاوم الضوء على عينات في 600 دورة في الدقيقة لمدة 5 ثانية، ثم في 4،000 دورة في الدقيقة لمدة 30 ثانية. وسوف تكون طبقة مقاومة للضوء حوالي 2 ميكرون سميكة. خبز العينات في 95 درجة مئوية لمدة 1 دقيقة.
  2. فضح مقاومة للضوء باستخدام قناع اليجنر مع 320 نانومتر للضوء 100 ثانية مع جرعة من 5 ميغاواط / سم 2.
  3. تطوير مقاومة للضوء في مطور مقاومة للضوء FOص 1 دقيقة.
  4. ايون طحن
    1. استخدام مطحنة أيون وصول + لإزالة 15 نانومتر من المواد (لاو وSTO) في المناطق التي لا تغطيها مقاومة للضوء. وضع العينات في 22.5 درجة زاوية لاتجاه عمودي على وصول + شعاع ايون واردة. إذا لم يتم معايرة معدل الحفر وصول +، إجراء المعايرة المدى لضمان أن تتم إزالة الكمية الصحيحة من المواد. تحديد عمق الحفر باستخدام فؤاد profilmetry أو ما يعادلها.
  5. DC الاخرق من الاتحاد الافريقي ومنظمة الشفافية الدولية
    1. إيداع 4 نانومتر تي، ثم 25 نانومتر الاتحاد الافريقي على عينات بحيث الاتحاد الافريقي يجعل الاتصال الكهربائية مع طبقة STO عرضة للخطر. الضغط الاخرق هي في حدود 2-6 × 10 -7 عربة، والاخرق يحدث مع العينة في RT قبل بصق تي لمدة 10 دقيقة مع مصراع يغلق عند 100 W، ثم فتح مصراع وبصق لمدة 20 ثانية في 100 دبليو وعند الانتهاء، وعلى الفور قبل بصق الاتحاد الافريقي لمدة 1 دقيقة في 50 W ثم بصق الاتحاد الافريقي لمدة 30 ثانية إلى عينات في 50 جورج كاليbrate الوقت المطلوب لإنتاج تي والاتحاد الافريقي سمك.
  6. انطلاقه
    1. استخدام الأسيتون / IPA غسل بالموجات فوق الصوتية لإزالة مقاوم الضوء من سطح العينات.
  7. الطبقة الثانية
    1. عملية الطباعة الحجرية الثانية، باستثناء الخطوة 4 (أي.، باستثناء أيون الطحن)، ويستخدم لإنشاء اتصالات سلك الذهب إلى منصات الترابط الفردية. يجب أن تكون أنماط اثنين الانحياز جيدا للتأكد من أنها لا تنتج شورت الكهربائية.
  8. تنظيف البلازما.
    1. يتم استخدام IPC برميل مطبوع لإزالة بقايا مقاومة للضوء في خندق النمط. الأداة المستخدمة في 100 W و 1 عربة الأرجون لمدة 1 دقيقة

3. أسلاك بوند عينة لتحضير للكتابة

  1. جبل العينة لاو / STO في الناقل رقاقة (الشكل 2A) مع 28 دبابيس المتاحة.
  2. هيكل السندات الأسلاك

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

  1. إنشاء رسم رسمية من البنية النانوية موصلة (الشكل 3A).
  2. فتح ناقلات الرسومات للتحجيم (SVG) محرر (الشكل 3B).
    1. استخدام قالب أو تحديد حجم النافذة ليتطابق مع الصورة فؤاد.
    2. تحميل صورة فؤاد من العينة إلى محرر SVG.
    3. إنشاء عناصر البنية النانوية مضافين على الصورة فؤاد.
  3. تحميل ملف SVG في برنامج nanolithography إرادة.
  4. تشغيل برنامج الطباعة الحجرية لإنشاء البنية النانوية موصلة.
    1. استخدام V = +10 V تلميح لإنشاء النانو، والخامس تلميح = -10 V لمحو النانو.
    2. نقل معلومات سرية ج فؤاد بسرعة تتراوح بين 200 نانومتر / ثانية إلى 2 ميكرون / ثانية.

5. كول الأجهزة وأخذ قياسات

  1. إيقاف تشغيل كافة أضواء بيضاء واستخدام المرشحات أحمر / مصادر الضوء.
  2. استخراج عينة من نظام AFM.
  3. تحميل العينة في الثلاجة التخفيف (A).
  4. قياس المقاومة مقابل درجة الحرارة (B) كما يتم تبريد العينة.
  5. قياس خصائص النقل في درجات حرارة منخفضة (C).

Representative Results

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.

الشكل 1
. 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.

الرقم 2
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
الرقم 3 (أ) تصميم رسمية لاو / STO البنية النانوية. (B) تخطيط دقيق من البنية النانوية باستخدام المصدر المفتوح مكافحة ناقلات الرسومات للتحجيم (SVG) المحرر.

الرقم 4
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
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).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Equipment
Contact Aligner Karl-Suss MA6
Spinner Solitec 5110C
Ion Mill Commonwealth Scientific 8C
Sputtering System Leybold-Heraeus Z-650
Barrel Etcher Branson/IPC 3000C
Wire Bonder Westbond 7700E
AFM Asylum Research MFP-3D
Dilution Refrigerator Quantum Design P850
Ultrasonic Wash Machine Fisher Scientific 15-335-6
Current Amplifier Femto DLPCA-200
Materials
LaAlO3/SrTiO3 Prof. Chang-Beom Eom 5 mm x 1 mm with ~3.4 unit cells of LAO (See Reference 18)
Photoresist AZ Electronic Materials P4210
Developer AZ Electronic Materials 400K
Acetone Fisher Scientific A929SK-4
Isopropyl Alcohol Fisher Scientific A459-1
Deionized Water Fisher Scientific 23-290-065
Gold Wire DuPont 5771 1 mm diameter
Chip Carrier NTK Technologies IRK28F1-5451D

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats