Презентация на тему "Материалы по курсу«Физические основы нанотехнологий»"

Содержание

• 
  Слайд 1

  Материалы по курсу«Физические основы нанотехнологий»

  Весна 2012 г.

• 
  Слайд 2
  

  1. Что такое нанотехнологии.

• 
  Слайд 3
  
• 
  Слайд 4
  

  2. Уникальные свойства нанокластеров и наноструктур.

• 
  Слайд 5
  
• 
  Слайд 6
  

  6

• 
  Слайд 7
  

  7

• 
  Слайд 8
  

  8

• 
  Слайд 9
  

  9

• 
  Слайд 10
  

  (Yada, K., 1971, Acta Cryst., A27 659-664) Просвечивающая электронная микроскопия хризотила. Свертка между малым кремний-обогащенным тетраэдрическим листом и обогащенным магнием октаэдрическим листом. 10

• 
  Слайд 11

  Адсорбция никотина и смол углеродными нанотрубками (УНТ)

  Параметры адсорбентов Изображения получены с помощью ПЭМ. (а) Непосредственно перед процессом адсорбции (b) После адсорбции [Z.Chen et al / Applied Physics Science 252 (2006) 2933-2937] 11

• 
  Слайд 12
  

  Melting Point of Gold Particles The melting point decreases dramatically as the particle size gets below 5 nm Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001 12

• 
  Слайд 13
  

  Percentage of Surface Atoms Source: Nanoscale Materials in Chemistry, Wiley, 2001 13

• 
  Слайд 14
  

  Surface to Bulk Atom Ratio • Spherical iron nanocrystals • J. Phys. Chem. 1996, Vol. 100, p. 12142 14

• 
  Слайд 15
  

  Nanomaterials in Catalysis • Surface chemistry is important in catalysis. Nanostructured materials have some advantages: - Huge surface area, high proportion of atoms on the surface - Enhanced intrinsic chemical activity as size gets smaller which is likely due to changes in crystal shape - Ex: When the shape changes from cubic to polyhedral, the number of edges and corner sites goes up significantly - As crystal size gets smaller, anion/cation vacancies can increase, thus affecting surface energy; also surface atoms can be distorted in their bonding patterns - Enhanced solubility, sintering at lower T, more adsorptive capacity 15

• 
  Слайд 16
  

  Зерно кварца. Диаметр менее 25 нм [Takumi Hawa, Brian Henz, and Michael Zachariah // Mater. Res. Soc. Symp. Proc. Vol. 1056 (2008)] 16

• 
  Слайд 17
  

  Травление кремния фокусированным ионным пучком (проявление пластических свойств) КДБ-10 (100) 17 [Герасименко Н.Н., Чамов А.А., Медетов Н.А., Ханин В.А. // Письма в ЖТФ. – 2010. – Т. 36. – Вып. 21. – С. 38–45.]

• 
  Слайд 18
  

  18 Механические свойства наноматериалов. Обратный закон Холла-Петча СЭМ-изображение вытравленномпри помощи ФИП гребня в монокристаллической подложке Si.

• 
  Слайд 19
  

  19 Механические свойства наноматериалов. Обратный закон Холла-Петча СЭМ-изображение вытравленном при помощи ФИП гребня в монокристаллической подложке Si.

• 
  Слайд 20
  

  20 Моделирование процессов образования рельефа на поверхности под облучением. Проявление вязкого течения [M. Castro, R. Cuerno. Ion induced solid flow. // Eprint arXiv:1007.2144]

• 
  Слайд 21

  3. Радиционная стойкостьнаноструктур.

• 
  Слайд 22
  

  (a) АСМ-скан образца с одностенныминанотрубками, (b) СЭМ-скан с многостенныминанотрубками, (c) СЭМ-скан образца с углеродными волокнами, полученных осаждением, и (d) АСМ-скан образца с углеродными нановолокнами. (a), (b) и (d) получили 10 000 грэй; (c) 1000 грей. [H.C. Shaw, D. Liu, B.W. Jacobs et al. 12th NASA Symposium on VLSI Design, Coeur d’Alene, Idaho, USA, Oct. 4-5, 2005] 22

• 
  Слайд 23
  

  Нанокристаллическое золото Относительное изменение удельного электрического сопротивления нанокристаллического золота по сравнению с поликристаллическим в зависимости от дозы облучения 12С с энергией 60МэВ. [Y. Chimi, A. Iwase, N. Ishikawa, et al. // J. Nucl. Mater., 297 (2001)] 23

• 
  Слайд 24
  

  24 [В.В. Ушаков, В.А. Дравин, Н.Н. Мельник и др. //ФТП, 1997. – Т. 31. - № 9. - С. 1126] Спектры рамановского рассеяния для c-Si (a) и por-Si (b). 1 — исходные образцы; 2–4 — после облучения Ar+ 300 кэВ дозами 5·1014, 2 · 1015, 1 · 1016 см-2 соответственно. Пористый кремний Нанопористые слои Si демонстрируют повышенную радиационную стойкость по сравнению с c-Si Спектры рамановского рассеяния слоев por-Si - наложение линий рассеяния от объемных фононов, колебаний в нанокристаллах и аморфной фазы.

• 
  Слайд 25

  Пористыйфосфид галлия

  25 Спектры фотолюминесценции c-GaP (a) и por-GaP(b), облученных различными дозами ионов Ar и отожженных при 720°C. Дозы облучения, см-2: 2 — 5 · 1014, 3 — 1 · 1015, 4 — 5 · 1015. 1 — спектры исходных образцов. В отличие от нанопористого кремния por-GaPне обнаруживает повышенной радиационной стойкости: por-GaPимеет не нано-, а мезопористую структуру. [В.В. Ушаков, В.А. Дравин, Н.Н. Мельник и др. // ФТП, 1998. – Т. 32. – № 8]

• 
  Слайд 26

  Аморфизация нанокристаллического Ge вматрице SiO2

  26 Сравнение доз аморфизации для nc-Ge и c-Ge (данные EXAFS). По мнению авторов, меньшая доза аморфизации nc-Ge по сравнению с c-Ge связана с влиянием внешнего аморфизированного слоя Ge на границе с a-SiO2 на весь объем нанокристаллита вплоть до размеров кристаллита ~10 нм. [F. Djurabekova, M. Backman, K. Nordlund // Nucl. Inst.and Meth. in Phys. Res., B 266 (2008) 2683]

• 
  Слайд 27

  Многослойные пленочные структуры Cu-Nb

  Многослойные пленочные структуры Cu-Nb, полученные напылением, толщина отдельного слоя 2.5, 5, 40, 100 нм. Облучение данных структур при комнатной температуре ионами гелия с энергией 33, 150 кэВ, доза 6*1016 – 1.5*1017 см-2. При толщинах слоев менее 20 нм ПЭМ не выявил наличия эффекта блистеринга после облучения. 27 [A.Misra, M.J.Demcowicz, et al. The Radiation Damage Tolerance Of Ultra-High Strength Nanolayered Composites // JOM, 2007. – No 9.- P. 62-65]

• 
  Слайд 28

  Многослойные пленочные структуры Cu-Nb. Моделирование

  28 Энергия формирования точечных дефектов (вакансий) на границе раздела нанокомпозита Cu-Nb намного меньше, чем в монокристаллическом материале. Интерфейс является эффективной областью стока подвижных радиационных дефектов. [A.Misra, M.J.Demcowicz, et al. The Radiation Damage Tolerance Of Ultra-High Strength Nanolayered Composites // JOM, 2007. – No 9.- P. 62-65]

• 
  Слайд 29

  Рентгеноструктурный анализ облученных образцов пористого кремния

  Доза P+ 3·1013см-2 Энергия 80 кэВ Дифракционный пик Si(004) Размер кристаллитов ~10 нм 29 c-Si(004) por-Si(004) красн. – до облучения син. – после

• 
  Слайд 30
  

  Доза P+ 3·1013см-2 Энергия 80 кэВ Дифракционный пик Si(004) Размер кристаллитов ~40 нм 30 c-Si(004) por-Si(004) красн. – до облучения син. – после

• 
  Слайд 31
  

  Доза P+ 3·1013см-2 Энергия 80 кэВ Дифракционный пик Si(004) - окисленный пористый кремний. Наличие механических напряжений σ~ 0,5 ГПа Размер кристаллитов ~50 нм 31 por-Si(004) c-Si(004) красн. – до облучения син. – после

• 
  Слайд 32

  ИК-спектроскопия облученных образцов

  32 ИК-спектры поглощения образцов: Размер кристаллитов ~10 нм (верхн.) Размер кристаллитов ~40 нм (нижн.) красн. – до облучения син. – после

• 
  Слайд 33

  ИК-спектроскопия облученных образцов пористого кремния

  33 ИК-спектр поглощения образца окисленного пористого кремния (размер кристаллитов ~50 нм). красн. – до облучения син. – после

• 
  Слайд 34

  К модели радиационной стойкостинанокристаллических материалов

  34 [Герасименко Н.Н., Смирнов Д.И. // Нано- и микросистемная техника, 2008. - № 9. - С. 2-11]

• 
  Слайд 35
  

  Квантовые точки в сверхрешетке [M.B.Huang, J.Zhu, S.Oktybrsky //Nucl. Instr and Meth. In Phys. Res. B, 211 (2003)] Нормализованная фотоинтенсивность ФЛ от InAs КТ для различных протонных доз: 1 – квантовые точки в сверхрешетке; 2 – в GaAs. Интенсивность ФЛ нормирована по отношению к образцам без облучения.

• 
  Слайд 36

  Чем объясняется повышенная радиационная стойкость квантовых точек?

  Геометрическое соотношение: общий процентный объем активной области КТ является очень малым, что в самоформирующихся InGaAs/GaAs КТ по отношению к площади поверхности составляет от 5 % до 25 % в зависимости от условий процесса роста, поэтому шанс появления индуцированных радиацией дефектов в активной области значительно уменьшается. Более общее положение: трехмерная квантово-размерная локализация экситонов (three-dimensional quantum confinement) в квантовых точках (диаметр InGaAs КТ составляет в среднем 5-25 нм) уменьшает вероятность захвата фотовозбужденных носителей радиационными дефектными центрами, которые играют роль центров безызлучательной рекомбинации. Под квантово-размерной локализацией в данном случае нужно прямо понимать захват носителей в активную область квантовой точки: при переходе к наноразмерам вероятность такого процесса чрезвычайно велика. 36

• 
  Слайд 37

  4. Получениенаноматериалов и наноструктур.

• 
  Слайд 38
  

  38 Схема установки для получения нанопорошка 1 - промышленный ускоритель электронов ЭЛВ-6; 2 - магниторазрядные насосы; 3 – граничные линии пучка; 4 - дифференцированная откачка; 5 - система выпуска сфокусированного пучка в атмосферу; 6 - фокусирующие линзы; 7 - подача воздуха для блокирования попадания инертного газа в систему выпуска; 8 - водяное охлаждение камеры испарителя; 9 – камера испарителя с помещённым в неё исходным материалом; 10 – промежуточная камера охлаждения нанопорошка; 11 – камера сбора порошка с рукавным фильтром 12; 13 – вентилятор, обеспечивающий циркуляцию инертного газа. Получение нанопорошков электронным пучком [М.Г. Голковский, П.С. Прозоренко, И.К. Чакин и др. // Известия высших учебных заведений. Физика. – 2010. – № 9.]

• 
  Слайд 39
  

  39 Характеристики процесса получения некоторых нанопорошков

• 
  Слайд 40
  

  Ge+ Ge+ Ge+ Ge+ Ge+ Ge+ Ge+ Ge+ SiGe Plot of experiment II Annealing ~ 1000º ≥ 15 minutes. Ge+ 50 keV Rp = 355 Å ΔRp = 130 Å D ~ 1016cm-2 Ge+ 150 keV Rp = 890 Å ΔRp = 306 Å D ~ 1016cm-2 Etchedlayer ~ 300 Å 1)Without etching AFM - topology AFM - capacitance Luminescence 2) After etching Raman - scattering Auger - spectroscopy AFM SEM Si SiGe ΔRp = 130 Å Rp = 335 Å 40

• 
  Слайд 41
  

  D = 1014cm-2, E = 50 keV, J = 5 µА/cm2 Etchant solution HF : HNO3 : CH3COOH = 1 : 40 : 15 /t = 20 sec./ AFM Image of Etched Surfacemeasurements performed usingAFM Solver Pro by NT-MDT 41

• 
  Слайд 42
  

  2- and 3-dimensional AFM and SEM images of the sample implanted with D=1017cm-2measurements performed using AFM Solver Pro by NT-MDT

  42 2d AFM-image 2d SEM-image 3d AFM-image Height distribution for AFM-image µm arb. un. The number of regions, situated on the equal distance

• 
  Слайд 43
  

  Dimensional and space distribution of the islands for the sample implanted with D=1017cm-2measurements performed using AFM Solver Pro by NT-MDT

  43 2d magnified AFM-image 3d-AFM-image of the structure element 2d magnified AFM-image with 3 islands and their profiles The characteristic element – X≈90 nm; – Y≈50 nm; – Z≈8 nm. Specific dimensions of the scan – Z height fall Rz=9.2 nm; – Roughness from full area Ra=0.543 nm.

• 
  Слайд 44
  

  The comparison of implanted Si surface relief and capacitance fluctuations on itmeasurements performed using AFM Solver Pro by NT-MDT

  44 p-Si(111), Ge+ (D=6·1013 cm-2) 1 – Scanning capacitance mode; 2 – Atomic force mode.

• 
  Слайд 45

  SEM-image and Auger-spectrum for the sample implanted with D=1017cm-2

  45 Auger spectrum SEM-image 1 2 Si 79.3% (at.) Ge 20.7% (at.) (Si0.8Ge0.2) Si 69.4% (at.) Ge 30.6% (at.) (Si0.7Ge0.3) 17

• 
  Слайд 46
  

  46 Typical Raman scattering and Photoluminescence Data for MBE SiGe Structures (Ar ion laser excitation) RAMAN spectra of a 6-fold stack of 8 ML Ge quantum dots separated by 25 nm Si. The Ge films were grown at 250°C. PL spectra of a 6-fold stack of 8 (a) and 10ML (b) Ge quantum dots separated by 25 nm Si. The Ge films were grown at 250°C. [V.A. Markov et al. / Thin Solid Films 369 (2000) 79-83]

• 
  Слайд 47
  

  Implanted nanocrystals in dielectric matricesSilicon nanocrystalsinAl2O3

  Principles of the experiment 500-1100°С Annealing Si+implantation Monocrystallinesilicon 100 nm Al2O3 Si+ implantation Crystallinesapphire 100 nm Material: Al2O3 films, deposited on Si by means of electron-beam evaporation in vacuum and crystallinesapphire (1102) Ion implantation: Si+E = 100 keVand by0.51017-3 1017 cm-2 Ar+ E = 100 keVand by0.81017 cm-2 Annealing: 500-1100C, dry N2 flow, 2 hours Photoluminescence mesuring: room temperature with excitation at wave length 488 nm (Ar+-laser) and 337nm (N2-laser) 47

• 
  Слайд 48
  

  [ Mark Breeseet al. “Fabrication of patterned porous siliconmicrostructures using proton beam writing” (Centre for Ion Beam Applications, Department of Physics, National University of Singapore)] 48

• 
  Слайд 49
  

  [ Mark Breeseet al. “Fabrication of patterned porous siliconmicrostructures using proton beam writing” (Centre for Ion Beam Applications, Department of Physics, National University of Singapore)] 49

• 
  Слайд 50
  

  Rod-like Defects   Radiation Effects, 1980, Vol. 48. pp. 13–18. The Formation of Defects in Si Under the Radiation Enhanced Diffusion Conditions V.V. Kalinin, A.L. Aseyev, N.N. Gerasimenko, V.I. Obodnikov and S.I. Stenin. Defects in Si after the irradiation to D=2·1016 ion/cm2, E=500 keV, Tir=450º. Plates 40 Å wide are marked with arrows Defects in Si at a depth  3.5µm after the irradiation to D=1017 ion/cm2, E=500 keV, Tir=600º. Nucl. Instr. and Meth. in Phys. Res. B 106 (1995), pp. 191–197. Implant Damage and Transient Enhanced Diffusion in Si D.J. Eaglesham, P.A. Stolk, H.-J. Grossmann, T.E. Haynes and J.M. Poate. Dislocation formation from {311} defects: a single rod-like {311} defect gives a long row of Frank loops. Si irradiated D=2·1014 ion/cm2, E=500 keV, and annealed at 950º, 10 min. 50

• 
  Слайд 51
  

  51

• 
  Слайд 52
  

  52 AFM images of InSb surfaces (3 µm*3 µm) bombarded with Ar+ ions at room temperature (Eion = 500 eV, αion = 80, jion= 400 µAcm2, sputter time of 10 min): (a) no sample rotation and; (b) sample rotation. Please note the different z-scale. (F.Frost,B. Rauschenbach / Nucl. and Meth. In Phys. Res. B 216 (2004) 9-19)

• 
  Слайд 53
  

  53 3.CoSi2 nanowires formationCo+ ion distribution profile Distribution profiles ofCo+ SIMS-ionsimplanted into Si(100) withD = 2·1017 cm−2, E = 180 keVand different ion current densities. 8

• 
  Слайд 54
  

  54 Rutherford backscattering spectra Rutherford backscattering spectraof He+ions (400 keV) forSi(111) irradiated by ions with energy E = 100 keV, current densityjav = 100 μA/cm2and different doses D(cm−2): 1 – 1015; 2 – 1,5·1015; 3 – 1,8·1015; 4 – 2·1015; 5 – 2,5·1015÷3,5·1015; 6 – 4·1015÷8·1015; 7 – “random”; 8 – “virgin”. 9

• 
  Слайд 55
  

  55 a б в г Two-dimensional image of surface area with defects Two-dimensional image of surface area with defects, their Fourier transform is shown above: а) specimen № 1 (j = 15  μA/cm2) with “butterfly-shaped” defects; б) specimen № 1 (j = 100  μA/cm2) with hills, oriented along single direction; в)  specimen № 4 (j = 100  μA/cm2, annealing and etching) with “daw-shaped” defects; г) specimen № 6 (j = 100  μA/cm2, annealing and etching ) с “cord-shaped” defects. nm nm μm μm μm μm μm μm nm nm μm μm μm μm μm μm nm nm μm μm μm μm μm μm nm nm μm μm μm μm μm μm 10

• 
  Слайд 56

  5. Типы и применение твердотельный наноструктур в электронике.

• 
  Слайд 57
  
• 
  Слайд 58
  

  58

• 
  Слайд 59
  

  59

• 
  Слайд 60
  

  Schematic pictures representing mechanism hetero epitaxial grows of films (Eaglesham et al. 1990). a) Frank – van der Marwe b) Volmer-Weber c) Stanski-Krastanow Darkfield image of TEM of Ge island on Si (Eaglesham et al. 1990). Cross-section, Stanski-Krastanow regime, diameter 0.14 µm, height > 50 nm. Autoassembling of quantum dots and wires of Ge of Si (111) substrate (G.Jin et. Al., 1999). 7 monolayers of Ge 10 monolayers of Ge 3D ATM presentation of starting stages of selforganization for quantum wires. Critical Dimensions of Quantum Dot (N.N. Ledentsov, Zh.I.Alferov et al. 1998) For GaAs-Al0.4Ga0.6As Dmin≈ 40 Ǻ, Dmax≈ 200 Ǻ; Ec Ev ΔE Ion-synthesizedSi-Ge quantum dots

• 
  Слайд 61
  
• 
  Слайд 62
  

  Schematic explanation of the energy transfer between QDs via an optical near-field interaction. Enx , Eny , Enz (nx ,ny ,nz) = (1,1,1) or (2,1,1) is the quantum number representing the excitonic energy level in a QD. Schematic explanation of the optical nanofountain and unidirectional energy transfer. Schematic drawing of a fountain in a basin. [Kawazoe, Kobayashi, and Ohtsu Appl. Phys. Lett. 86, 103102 ~2005] Transfer of energy between QDs 62

• 
  Слайд 63
  
• 
  Слайд 64
  
• 
  Слайд 65
  
• 
  Слайд 66
  

  Пики фотолюминесценции кремниевых точек в SiO2 и Si3N4 (300K).

• 
  Слайд 67

  6. Принципы самоорганизации.

• 
  Слайд 68
  

  Термодинамическая сила может вызывать ток Jik, где i ≠ k.Например, градиент температуры может вызвать поток вещества в многокомпонентных системах. Такие процессы называются перекрестными и характеризуются коэффициентом Lik при i ≠ k. В этом случае производство энтропии имеет вид: (2) В соответствии с теоремой Пригожина в стационарном состоянии при заданных внешних условиях, препятствующих достижению равновесия, величина σ минимальна. При термодинамическом равновесии σ = 0. Для объяснения многочисленных неравновесных явлений используются соотношения термодинамики неравновесных процессов.

• 
  Слайд 69
  

  Например, в области линейности необратимых процессов матрица феноменологических коэффициентов симметрична: Lik = Lki. (3) Это соотношение взаимности (симметрии) Онсагера. Другими словами, возрастание потока Jk, вызванное увеличением на единицу силы Xi, равно возрастанию потока Ji, обусловленному увеличением на единицу силы X k

• 
  Слайд 70
  
• 
  Слайд 71
  
• 
  Слайд 72

  7. Ренгеновская литография.

• 
  Слайд 73

  РЕНТГЕНОВСКАЯ ЛИТОГРАФИЯ

  Многочисленные дискуссии и эксперименты, выполненные в последние годы показали, что переход к разрешению (20÷30) нм возможен только при использовании двух методов: электронной литографии. рентгеновской литографии (РЛ). Второй метод значительно дешевле и дает возможность выхода на дешевую массовую продукцию.

• 
  Слайд 74

  Современное состояние проблемы

  Работы по РЛ ведутся по двум основным направлениям: на синхротронных источниках (СИ) и на точечных источниках.  Еще 20 лет назад в качестве точечных источников использовались рентгеновские трубки, в которых энергия электронного пучка трансформировалась в рентгеновское излучение. Однако, коэффициент трансформации энергии электронного пучка в мягкое рентгеновское излучение (около 1 кэВ), что необходимо для РЛ, крайне низок, около 10-4.  В современных лазерных источниках мягкого рентгеновского излучения достигнут результат около 10%, т.е. примерно в тысячу раз больше, чем в рентгеновских трубках. Обе проблемы были успешно решены за последние годы. Например, лазерный источник Brite Lightамериканской компании JMAR работает стабильно с частотой 1 кГц и выдает энергию в мягком рентгеновском диапазоне до 250 Вт. Этот источник эффективно используется сейчас для массового выпуска чипов с разрешением ~40 нм. Подобные системы используются во многих промышленных и исследовательских компаниях.

• 
  Слайд 75

  Эксперимент JMAR

  В конце 90-х годов американская компания JMAR провела успешные эксперименты с точечным источником + коллиматор. В качестве источника использовался лазерный источник с выходной мощностью около 30 Вт. В качестве коллиматора использовалась капиллярная линза Кумахова с выходным диаметром 25х25 мм. В эксперименте не ставилась цель тогда получить рекордное разрешение. Тем не менее при расстоянии между маской и резистом, равном 40 мкм было получено разрешение ~ 80 нм. В дальнейшем эти результаты были существенно улучшены и к настоящему времени компания JMAR сделала коммерческую литографическую систему. Основными компонентами этой системы являются: степпер (система совмещения – разработка Canon); лазерный источник (разработка JMAR); капиллярная линза.

• 
  Слайд 76

  Поликапиллярная оптика Кумахова

  Поликапиллярная линза 80-е гг. Современная поликапиллярная линза Фокусировка рентгеновского излучения Распространение рентгеновского луча в стеклянном капилляре

• 
  Слайд 77

  Задачи проекта

  Экспериментальное подтверждение возможности получения разрешения (20÷30) нм на системе точечный источник + рентгеновский коллиматор. Экспериментальное подтверждение высокой интенсивности системы точечный источник + коллиматор, не уступающей источникам СИ. Разработка оптимальной системы маска-резист с разрешением (20÷30) нм и достаточной чувствительностью. Оптимизация параметров рентгеновского коллиматора – рентгеновской капиллярной линзы для РЛ. Создание экспериментального комплекса в составе: точечный источник МРИ, коллиматор, маска, резист + системы позиционирования маски и резиста с секундной угловой точностью.