Фролов В. Д., Конов В. І., Піменов С. М., Заведея Е. В.

Центр природно-наукових досліджень Інституту загальної фізики ім. А. М. Прохорова РАН вул. Вавілова, д. 38, Москва – 119991, Росія Тел.: +7 (095) 1326498; e-mail: frolov@ran.gpi.ru

Анотація – високоомні гідрогенізовані алмазоподібні вуглецеві (АПУ) а-С: Н плівки були випробувані на предмет наномасштабного модифікацій під дією імпульсів електричного поля, індукованого між зразком і проводять кантілввером скануючого зондового мікроскопа (СЗМ) – літографа. Встановлено, що геометричні та електричні параметри сформованих нано-об’єктів істотно залежать від форми імпульсу. Нано-канавки з високо проводять дном відтворено формуються в плівці під дією біполярних імпульсів напруги. В іншому випадку дії призводять до утворення слабо проводять нановиступов. Обговорюються можливі застосування отриманих вуглецевих наноструктрур в наноелектроніці.

I. Вступ

В останні роки в провідних світових дослідницьких центрах проявляється підвищена увага до наномасштабного модифікаціям вуглецю під дією локальних електричних полів, індукованих в матеріалі за допомогою скануючого зондового мікроскопа (СЗМ)-літографа. Такий інтерес дослідників пов’язаний з широкою перспективою використання вуглецевих наноструктур як в технології масочний покриттів, так і в інженерії наноелектроннних елементів. Однією з перспективних галузей застосування наноуглерода вважається низькопольової електронні емітери. Раніше нами були проведені експерименти по локальному синтезу вуглецевих наночастинок – центрів низькопольової електронної емісії на поверхні а-С: Н плівок

[1]. Іншим шляхом наноінженерії точкових джерел електронів є формування провідних каналів в ізолюючі матеріалі.

II. Основна частина

В даній роботі ми сфокусувалися на дослідженнях наномасштабного модифікацій в тілі високоомних а-С: Н плівок (шарове опір R ~ 106 Ом / П) методами СЗМ-техніки в умовах повітряного середовища.

Вихідні плівки а-С: Н товщиною ~ 1 мкм були вирощені на Si-підкладках методом плазмохімічного осадження в атмосфері С2Н2. Експерименти по нанолітогра-фії плівок виконані в СЗМ Solver Р47 (фірма НТ-МДТ, Росія) з використанням консолей, покритих провідним шаром (TiN, TiO, Pt) в якості зондів як для СЗМ-впливів, так і для тестування зразків до і після впливів. Зонд сканувався уздовж заданої лінії в контактному режимі і, в ході сканування, між зразком і зондом подавалася серія (N = 1-5000) прямокутних імпульсів позитивної (режим 1) або негативною (режим 2) полярності, або біполярних (режим 3) з амплітудою U в діапазоні від -10 В до +10 В, тривалістю т = 0.1-1000 мс в точках, розташованих на відстані Д = 6-60 нм одна від одної.

У головному, результати наших експериментів полягають в наступному.

монополярні впливу:

Коли амплітуда | U | перевищувала порогову величину ~ 5 В, як позитивні, так і негативні імпульси починали впливати на структуру поверхні, що в основному вело до утворення нано-виступів (5Н> 0) у формі протяжних пагорбів, як це показано на рис. 1.

Рис. 1. Нановиступ на поверхні а-С: Н плівки

(режим 1, U = 10 В, N = 500, т = 1 мс, Л = 20 нм): (а) топографія; (Ь) перетин по АА; (с) перетин по ВВ.

Fig. 1. The field-induced nanoprotrusion on the a-C:H film surface (regime 1, U= 10 V, N=500, t=1 ms, A=20 nm): (a) topography, (b) cross-section made along the line AA, (c) cross-section made along BB line

Поблизу порога ширина пагорба становила L ~ 50 нм, і досягала L = 150 -200 нм при \ U \> 7 В. При \ і \= У\ 0 V, швидкість утворення нановиступов Sp досягала свого максимуму і становила Sp= 0,65 нм / c для позитивних імпульсів, що було по крайней мере в 2 рази вище, ніж у випадку негативних. Слід особливо відзначити низьку механічну міцність модифікованих ділянок поверхні, що проявлялося у руйнуванні наново-ступ при їх скануванні (дряпанні) голкою кан-тілевера в контактному режимі.

Біполярні впливу:

На противагу попередньому випадку, біполярні впливу наводяться до ефективного утворення наноканавок. Як приклад на рис. 2 демонструється напис «GPI» (абревіатура General Physics Institute), сформована в тілі плівки з глибиною D ~ 30 нм і шириною L ~ 150 нм. Достатньою умовою для «малювання» канавок є перевищення амплітуди негативного зсуву певної величини, залежної від амплітуди позитивного зсуву. Знайдено, що швидкість утворення канавок, SC=D/Td, Показує тенденцію до зниження при екстремально тривалих

Fig. 2. The inscription ‘GPI’ patterned on the a-C:H film surface in the regime 3 (U+=U=10 V, N=1000, r=1 ms, A=20nm)

експозиціях. Тим не менш, при всіх використаних в експериментах експозиціях спостерігалося Sc > Sp.

Електричні властивості наноструктур:

Як вихідна поверхня плівки, так і модифіковані ділянки характеризувалися сверхлі-Нейн, симетричними залежностями струму від прикладеної напруги. Встановлено, що провідність нановиступов порівнянна з провідністю вихідного матеріалу, в той час як дно наноканавок проявляє чітко виражене підвищення провідності такої наноструктури.

Підсумовуючи вищевикладене, можна припустити, що ми маємо справу з двома різними механізмами наномасштабного модифікацій плівок а-С: Н. Перший механізм – це локальний нагрів приповерхневого шару плівки під зондом при монопо-лярні впливах, що веде до фазових переходів в вуглеці, що призводить до зменшення щільності (нановиступу) і зниження міцності речовини. Другий механізм грає домінуючу роль в умовах біполярних імпульсів. Вважаємо, що під час позитивних зсувів електрони инжектируются в модифікований приповерхневих шар, де захоплюються на пастки. Під час негативного зміщення заряджений таким чином механічно неміцний матеріал, через його електростатичного притягання до зонду, ефективно видаляється з плівки, оголюючи сконцентровану на дні канавки провідну фазу.

I. Висновок

Таким чином, вперше продемонстрована можливість створення проводять наноструктур в високоомних вуглецевих плівках типу а-С: Н за допомогою СЗМ-техніки. Дані наноструктури передбачається використовувати в першу чергу як струмопроводів до областей низькопольової електронної емісії і власне джерел електронів в приладах вакуумної мікроелектроніки.

II. Список літератури

[1] Frolov V. D., Konov V. I., Pimenov S. М., Kuzkin V. /.

The low-dimensional effect in single carbon-based nanoemitters of electrons, Appl. Phys. A 78, 2004, pp. 21-23.

ORMATION OF HIGH-CONDUCTING NANOSTRUCTURES IN LOW-CONDUCTING DIAMOND-LIKE CARBON FILMS USING SPM-LITHOGRAF

Рис. 2. Напис «GPI», намальована на плівці в режимі 3 (U + = U = 10 В, N = 1000, х = 1 мс, й = 20 нм).

Frolov V. D., Konov V. I., PimenovS. М., Zavedeev E. V. Natural Sciences Center of General Physics Institute GPI 38 Vavilov St., Moscow – 119991, Russia Tel.: (095) 1326498, e-mail: frolov@ran.gpi.ru

Abstract – Low-conducting hydrogenated diamond-like carbon (DLC) a-C:H films were examined for the purpose of nanometer-scaled modifications under the action of local electrical field.

I.  Introduction

During the last years, field-induced nano-scaled modifications in carbon materials by means of SPM technique attract permanently increasing attention of researchers over the world. This interest is stipulated by perspectives for application of such process to nanotechnology, e.g. for masking or patterning the nanoelectronic elements. Recently we have reported on our experiments with carbon nanoparticles, namely, the centers of low-field electron emission synthesized on a-C:H substrates in the presence of chlorine-organic vapors [1]. There is another perspective way to nanoengineering the point sources of electrons which consist in formation of conducting channels in an insulating material.

II.  Main part

In the present work, we focus on the field-induced modifications of low-conducting hydrogenated DLC a-C:H films (sheet resistance R~ 106 Ohm/D).

The a-C:H films were grown with 1 |xm thickness on Si- substrates by means of r.f. plasma chemical vapor deposition (CVD) in the C2H2 atmosphere. Experiments on patterning of the films were carried out in the air-operated SPM Solver P47 (NT-MDT Co., Russia), using cantilevers coated with conducting layers (TiN, TiO, Pt) as probes for SPM actions To create patterns, a series of rectangular voltage pulses, either positive or negative, or bipolar, was consequently applied between the sample and the probe. In general, it was established that both geometrical and electrical properties of the obtained nanoobjects strongly depended on the pulse shape.

When the magnitude |l/| exceeds the value of ~ 5 V, both the positive and negative pulse actions become influencing the exposed area that mostly leads to nanoprotrusions (<Sf-/>0) in the form of ridge as shown in Fig. 1. Evidence is given that the observed nanoprotrusion is characterized by a lower mechanical strength.

On the contrary to the previous case, nanocavities in the form of grooves can be effectively patterned using the bipolar pulse actions. As an example, Fig. 2 demonstrates the inscription ‘GPI’ (abbreviation of’General Physics Institute ‘) performed with the depth D ~ 30 nm and width L ~ 150 nm on the film surface. The groove appears only if the positive bias exceeds the value (Л ~ 5 V that is practically coincident with the threshold for patterning the nanoprotrusions under monopolar actions. The sufficiency condition is that the negative bias U has to exceed a definite value depending on the positive bias magnitude.

The nanoprotrusion conductivity is that of the untreated film area whereas the nanocavity bottom exhibits the well- pronounced increase in its conductivity. Possible mechanisms of the a-C:H film modifications are discussed.

III.  Conclusion

Thus, the capabilities of SPM technique for preparation of conducting nanostructures in the low-conducting a-C:H films have been demonstrated for the first time. Such nanostructures can be considered to use for transferring the electrons to emission centers as well as own point sources of electrons.

Анотація – Модифіковано запропонована раніше фізико-топологічна модель металевого одноелектронного транзистора (ОЕТ). З її допомогою досліджено вплив поперечних, дуже малих розмірів структури на вольт-амперні характеристики (ВАХ) приладу.

I. Вступ

Для теоретичного дослідження ВАХ ОЕТ використовуються різні підходи та моделі [1]. Найбільш поширені моделі напівкласичного підходу засновані на еквівалентній схемі приладу, тобто електричні моделі. В даному випадку аналоговими компонентами тунельних переходів є опору і ємності. Моделі дозволяють розрахувати характеристики ОЕТ з відносно невеликими обчислювальними витратами, однак зв’язок вихідних даних з реальними розмірами і параметрами матеріалів вельми умовна. Для адекватного опису ВАХ необхідно використання фізико-топологічних моделей. Вперше така модель була запропонована в роботах [2,3] і дозволяла розрахувати ВАХ металевого ОЕТ в залежності від геометричних розмірів і параметрів матеріалів. З її допомогою було досліджено вплив різних чинників на ВАХ [4,5]. На жаль, в моделі ймовірність тунелювання електронів через потенційний бар’єр знаходиться в одновимірному випадку з використанням ВКБ-наближення.

У доповіді описані модернізація двовимірної моделі [2-5] на випадок врахування квантування внаслідок впливу третього виміру і результати дослідження цього ефекту на стічну ВАХ ОЕТ.

II. Модифікована модель

Розглянемо тунельний перехід (рис. 1). Електрони туннелируют через потенційний бар’єр в напрямку х. У напрямку у розмір структури може бути дуже малий і складати десятки, а іноді й одиниці, нанометрів [1]. Це призводить до квантування енергії в контактах. У разі ОЕТ одним

Рис. 1. Потенційний бар’єр. Fig. 1. Potential barrier

контактом є електрод, а другим – острівець. Електрони можуть тунелювати тільки між дискретними рівнями (рис. 1). Відомо, що зі збільшенням поперечного розміру число рівнів з ростом енергії Еуп збільшується згідно

де т – ефективна маса електрона; /-ширина; доу– Лолеречний хвильової вектор. Передбачається, що ефективна маса ізотропна, і різна в діелектрику і контактах. Тоді одноелектронному стаціонарне рівняння Шредінгера для поздовжніх хвильових функцій в j області приймає відомий вигляд:

де Uo-висота потенційного бар’єра; Fj-напруженість електричного поля; Е-повна енергія електрона. Інші позначення в (1), (2) – тради-ційних. Рішення (2) шукається у вигляді плоских хвиль. При цьому використовується метод матриць переносу. Повна хвильова функція в двовимірному випадку записується у вигляді твору

де А, В-амплітуди падаючої і відбитої поздовжніх хвиль.

Коефіцієнт проходження через бар’єр з т рівня на п рівень розраховується як відношення густин потоків пройшли до падаючим часткам, а саме:

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»