Cieniowanie tarasowe pod niskim kątem - Atomic-terrace low-angle shadowing

Atomowy taras niski kąt Cieniowanie ( Atlas ) jest chemia powierzchni techniką, która umożliwia wzrost płaskich nanodrutu lub nanodot matryc za pomocą epitaksji z wiązek molekularnych w sąsiadującej powierzchni. ATLAS wykorzystuje naturalną strukturę schodkowo-tarasową powierzchni jako szablon dla takich nanostruktur . Technika ta polega na małym kącie padania topnika na sąsiadujące podłoża. Podłoża sąsiadujące składają się z atomowych tarasów oddzielonych atomowymi stopniami. Technika ATLAS pozwala na wytwarzanie dobrze zdefiniowanych macierzy planarnych nanostruktur plazmonicznych o wymiarach nieosiągalnych w litografii .

Kolimowane wiązka atomów lub cząsteczek, odparowuje się pod ukośnym kątem w stosunku do podłoża. Powoduje to, że stopnie „cieniują” wiązkę, a cząsteczki są adsorbowane tylko na odsłoniętych częściach stopni w bezpośrednim polu widzenia parownika .

Główną atrakcją tej techniki jest jej względna prostota, ponieważ nie wymaga wielu etapów litografii i może być stosowana zarówno do powierzchni metalowych , półprzewodnikowych, jak i tlenkowych .

Technika ta jest „ oddolne podejście” i pozwala na dużą kontrolę nad rozdzielania nanostruktur w matrycy, a także w postaci pojedynczych szerokościach. Separacja jest kontrolowana przez wielkość atomowych tarasów podłoża, która jest określona przez jego odchylenie od głównego wskaźnika ; a szerokość nanostruktur jest kontrolowana przez ukośny kąt osadzania.

Wykazano, że ATLAS jest bardzo wszechstronną techniką, a rozwój metalicznych , półprzewodnikowych i magnetycznych nanodrutów i nanorurek zademonstrowano przy użyciu różnych materiałów źródłowych i podłoży.

Podstawowe zasady

Schemat przedstawiający modele osadzania „w dół” i „w górę” stosowane w systemie ATLAS
Rysunek 1. Osadzanie pod niewielkim kątem na wicynalnej powierzchni (a) osadzanie nanostruktur na zewnętrznych krawędziach stopnia; wiązka pod kątem β wzdłuż kierunku „w dół”, (b) podłoże jest obracane o 180 °, a wiązka jest kierowana w kierunku „w górę”.

Figura 1 (a) przedstawia schemat osadzania w kierunku „w dół”, to znaczy od zewnętrznej krawędzi stopnia do niższego tarasu. Kąt osadzania β między belką a powierzchnią jest mały (1 ° -3 °), dzięki czemu niektóre obszary tarasów są odsłonięte na belkę, a inne są geometrycznie zacienione .

Kąt osadzania β określa szerokość nanostruktur według zależności:

gdzie w to szerokość nanostruktury, a to wysokość jednego stopnia, α to kąt błędnego cięcia, a β to kąt osadzania między padającą wiązką a powierzchnią ( zakłada się, że α i β są małe i są mierzone w radianach).

Rysunek 1 (b) przedstawia podobną sytuację, ale tym razem z podłożem obróconym o 180 °, tak że padająca wiązka jest teraz skierowana w kierunku „do góry” i prawie równolegle do powierzchni. W tym przypadku powierzchnie stopni zapewniają miejsca spojenia, a osadzony materiał rośnie wzdłuż stopni, podobnie do mechanizmu wzrostu stopniowego .

W celu wzrostu nanodrutów o szerokości piętnastu nanometrów lub mniejszą, osadzanie temperatury dla obu kierunkach powinien być wybrany tak, że średnia droga swobodna z adatom na powierzchni jest ograniczony do kilku nanometrów.

Rozwój eksperymentalny

System ATLAS został opracowany w ramach Grupy Fizyki Stosowanej w School of Physics , Trinity College w Dublinie . Procedura eksperymentalna jest stosunkowo prosta w porównaniu z litografią lub innymi podejściami, co oznacza, że ​​potrzebny jest tylko standardowy sprzęt.

Zestaw składa się z ultrawysokiej komory próżniowej (ciśnienie bazowe w niskim zakresie 10-10 Torr ), z próbką zamontowaną w dużej odległości roboczej (40-100 cm ) od źródła parowania. Ta duża odległość zapewnia wysoką kolimację wymaganą w technice ATLAS. Sama próbka jest zamontowana na stoliku obrotowym i może być przechylana o 200 ° z dokładnością do ± 0,5 °.

Podłoże można ogrzewać podczas osadzania, przepuszczając prąd stały przez próbkę dla półprzewodników lub kierując prąd przez oddzielną folię grzejną pod podłożem w celu izolacji tlenków .

Wszechstronność

Możliwości systemu zostały najpierw przetestowane przez hodowanie matryc metalicznych nanoprzewodów o szerokości 10-30 nm na dwóch typach sąsiadujących podłoży, połączonych schodkowo Si ( 111 ) i α-Al 2 O 3 ( 0001 ). Osadzanie Au i Ag na tych podłożach daje układy drutów o szerokości i wysokości 15 nm i 2 nm, oddzielonych około 30 nm.

Od czasu wprowadzenia na rynek w 2008 roku, ATLAS był prezentowany jako prosta technika wytwarzania nanodrutów z różnych materiałów o szerokości do 15 nm i grubości 2 nm, na kilku stopniowanych podłożach.

Ograniczenia

Chociaż ATLAS jest techniką wszechstronną, istnieją pewne ograniczenia. Początkowy wzrost nanodrutów jest zarodkowany w pewnych preferencyjnych miejscach adsorpcji . Może to tworzyć epitaksjalne nasiona, które rosną niezależnie od siebie, aż się spotkają, tworząc ogólnie drut polikrystaliczny . Ta polikrystaliczność może wpływać na stabilność drutu pod wpływem powietrza i może zwiększać opór ze względu na jego wadliwy charakter. Stałym tematem badań jest zwiększenie epitaksjalności nanodrutów poprzez dopasowanie sieci lub zwiększenie początkowej ruchliwości poprzez ogrzewanie podłoża.

Pomimo tych ograniczeń, wyniki ATLAS dla szerokości 15 nm oznaczają około pięciokrotne zmniejszenie rozmiaru w porównaniu z innymi technikami płytkich kątów.

Bibliografia