Перcпективными материалами для будущей нанoэлектрoники предcтавляютcя углерoдные нанoтрубки, графен, тoнкие графитoвые пленки. Фoрмирoвание диэлектричеcких нанocтруктур вoзмoжнo, в чаcтнocти, пocредcтвoм лoкальнoгo oкиcления углерoдных материалов.
Иcпользование зондовой литографии позволяет добитьcя выcокого проcтранcтвенного разрешения, так как облаcть воздейcтвия при этом процеccе на поверхноcть ограничивается радиусом закругления иглы, который составляет всего несколько единиц нанометров. Эксперименты проводились при помощи мультифун-кционального СЗМ ФемтоС-кан на образцах высокоориентированного пиролитическо-го графита (продукция ООО «Атомграф-Кристалл»), характеризующихся высокой степенью упорядочения углеродных слоев (графенов) вдоль оси, перпендикулярной к их плоскости [1].
Для окисления поверхности образца между ней и иглой прикладывалось напряжение, причем поверхность графита заряжалась положительно. Процесс проводился в режиме постоянной силы, действующей на поверхность со стороны иглы. Электролитом в системе служила адсорбированная вода. (Обычно в таких экспериментах вблизи иглы образуются ямки, так как графит окисляется до летучих оксидов.)
Предложена конструкция зонда [2], которая позволяет окислять поверхность контролируемым образом и проводить частичное окисление графита с образованием выпуклых областей, которые предположительно состоят из оксида графита (рис.1). Первые результаты работ представлены в статье [3]. Ширина линии, формируемой на поверхности графита, зависит от условий проведения процесса окисления и геометрических параметров острия иглы. Минимальная ее величина, достигнутая в работе, составила около 10 нм.
Рис.1. Линии на поверхности графита (а), профиль поверхности (б), маска, по которой выполнен рисунок (в)
Частицы оксида графита, полученные другими методами, уже применялись в качестве подзатворного диэлектрика для изготовления образцов полевых транзисторов из углеродных нанотрубок [4] и графена [5]. Однако следует учитывать, что оксид графита - соединение нестехиометрическое, и его диэлектрические свойства значительно варьируются при изменении степени окисления углеродных слоев и количества ин-теркалированной воды в межслоевом пространстве. В связи с этим особое значение приобретают исследования закономерностей процесса частичного окисления углеродных слоев.
Рис.2. Зависимость высоты окисленных областей от напряжения между зондом и образцом
Измерены зависимости высоты окисленных областей на поверхности графита от величины напряжения, приложенного между зондом и образцом. На типичной зависимости (рис.2) можно выделить два участка: при напряжениях от -4,5 до -5,5 Б рост высоты окисленной области практически не наблюдается; при напряжении менее -5,5 В такая высота растет линейно, при напряжениях более -4,5 В окисления поверхности графита не происходит. Можно предположить, что рост высоты окисленных областей связан с интеркаляциеи молекул воды между слоями графита.
Изучение зависимости относительного коэффициента трения, определяемого как отношение коэффициента трения между иглой и окисленной поверхностью к коэффициенту трения между иглой и немодифициро-ванной поверхностью графита от высоты окисленной поверхности, также показало наличие двух ступеней окисления (рис.3). На первой ступени резкий рост относительного коэффициента трения может быть объяснен высокой скоростью окисления верхнего углеродного слоя, сопровождающегося его декорированием кислородсодержащими группами. Б результате, верхний слой становится гидрофильным, что облегчает на второй ступени процесс интеркаляции молекул воды с поверхности в межслоевое пространство.
Рис.3. Зависимость относительного коэффициента трения между зондом и поверхностью от высоты окисленных областей
Таким образом, в работе показано, что с помощью зондо-вой литографии возможно создание в углеродных слоях диэлектрических элементов с высоким пространственным разрешением; причем частичное окисление углеродных слоев протекает в два этапа: сначала окисляется преимущественно верхний слой, затем начинается интеркаляция воды в межслоевое пространство. Регулируя напряжение между иглой и поверхностью образца, можно добиться получения обладающего необходимыми диэлектрическими свойствами материала с различной степенью окисления и интеркаляции углеродных слоев.
Авторы выражают благодарность за поддержку Министерству образования и науки РФ (госконтракты П255, П717, П973), НАТО - программа «Наука для мира» (грант CBN.NR.NRSFP 983204), Фонду содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (7713р/П277 и программа УМНИК).
Литература
1. http://www.nanoscopy.net/
2. Мешков Г.Б., Синицы-на О.В., Яминский И.В. Патент
на изобретение «Зонд для локального анодного окисления материалов» №2383078. Патент на полезную модель «Зонд для локального анодного окисления материалов. Варианты» № 86342.
3. Мешков Г., Синицына О., Яминский И. Новые разработки в области зондовой литографии углеродных материалов. - Нано-индустрия, 2009, W 2, с. 28-30.
4. FU WangYang, LIU Lei, WANG WenLong, WU MuHong, XU Zhi, BAI XueDong, WANG EnGe. Carbon nanotube transistors with graphene oxide films as gate dielectrics, Sci. China Phys. Mech. Astron, 2010, vol. 53, № 5, p. 828.
5. Standley B,; Mendez A,; Schmidgall E.; BockrattiM. Graphene field-effect transistors built with graphene-oxide gate dielectric. American Physical Society, APS March Meeting 2010, March 15-19, 2010.
Статья опубликована в журнале "Наноиндустрия" № 4 за 2010 год
Иcпользование зондовой литографии позволяет добитьcя выcокого проcтранcтвенного разрешения, так как облаcть воздейcтвия при этом процеccе на поверхноcть ограничивается радиусом закругления иглы, который составляет всего несколько единиц нанометров. Эксперименты проводились при помощи мультифун-кционального СЗМ ФемтоС-кан на образцах высокоориентированного пиролитическо-го графита (продукция ООО «Атомграф-Кристалл»), характеризующихся высокой степенью упорядочения углеродных слоев (графенов) вдоль оси, перпендикулярной к их плоскости [1].
Для окисления поверхности образца между ней и иглой прикладывалось напряжение, причем поверхность графита заряжалась положительно. Процесс проводился в режиме постоянной силы, действующей на поверхность со стороны иглы. Электролитом в системе служила адсорбированная вода. (Обычно в таких экспериментах вблизи иглы образуются ямки, так как графит окисляется до летучих оксидов.)
Предложена конструкция зонда [2], которая позволяет окислять поверхность контролируемым образом и проводить частичное окисление графита с образованием выпуклых областей, которые предположительно состоят из оксида графита (рис.1). Первые результаты работ представлены в статье [3]. Ширина линии, формируемой на поверхности графита, зависит от условий проведения процесса окисления и геометрических параметров острия иглы. Минимальная ее величина, достигнутая в работе, составила около 10 нм.
Рис.1. Линии на поверхности графита (а), профиль поверхности (б), маска, по которой выполнен рисунок (в)
Частицы оксида графита, полученные другими методами, уже применялись в качестве подзатворного диэлектрика для изготовления образцов полевых транзисторов из углеродных нанотрубок [4] и графена [5]. Однако следует учитывать, что оксид графита - соединение нестехиометрическое, и его диэлектрические свойства значительно варьируются при изменении степени окисления углеродных слоев и количества ин-теркалированной воды в межслоевом пространстве. В связи с этим особое значение приобретают исследования закономерностей процесса частичного окисления углеродных слоев.
Рис.2. Зависимость высоты окисленных областей от напряжения между зондом и образцом
Измерены зависимости высоты окисленных областей на поверхности графита от величины напряжения, приложенного между зондом и образцом. На типичной зависимости (рис.2) можно выделить два участка: при напряжениях от -4,5 до -5,5 Б рост высоты окисленной области практически не наблюдается; при напряжении менее -5,5 В такая высота растет линейно, при напряжениях более -4,5 В окисления поверхности графита не происходит. Можно предположить, что рост высоты окисленных областей связан с интеркаляциеи молекул воды между слоями графита.
Изучение зависимости относительного коэффициента трения, определяемого как отношение коэффициента трения между иглой и окисленной поверхностью к коэффициенту трения между иглой и немодифициро-ванной поверхностью графита от высоты окисленной поверхности, также показало наличие двух ступеней окисления (рис.3). На первой ступени резкий рост относительного коэффициента трения может быть объяснен высокой скоростью окисления верхнего углеродного слоя, сопровождающегося его декорированием кислородсодержащими группами. Б результате, верхний слой становится гидрофильным, что облегчает на второй ступени процесс интеркаляции молекул воды с поверхности в межслоевое пространство.
Рис.3. Зависимость относительного коэффициента трения между зондом и поверхностью от высоты окисленных областей
Таким образом, в работе показано, что с помощью зондо-вой литографии возможно создание в углеродных слоях диэлектрических элементов с высоким пространственным разрешением; причем частичное окисление углеродных слоев протекает в два этапа: сначала окисляется преимущественно верхний слой, затем начинается интеркаляция воды в межслоевое пространство. Регулируя напряжение между иглой и поверхностью образца, можно добиться получения обладающего необходимыми диэлектрическими свойствами материала с различной степенью окисления и интеркаляции углеродных слоев.
Авторы выражают благодарность за поддержку Министерству образования и науки РФ (госконтракты П255, П717, П973), НАТО - программа «Наука для мира» (грант CBN.NR.NRSFP 983204), Фонду содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере (7713р/П277 и программа УМНИК).
Литература
1. http://www.nanoscopy.net/
2. Мешков Г.Б., Синицы-на О.В., Яминский И.В. Патент
на изобретение «Зонд для локального анодного окисления материалов» №2383078. Патент на полезную модель «Зонд для локального анодного окисления материалов. Варианты» № 86342.
3. Мешков Г., Синицына О., Яминский И. Новые разработки в области зондовой литографии углеродных материалов. - Нано-индустрия, 2009, W 2, с. 28-30.
4. FU WangYang, LIU Lei, WANG WenLong, WU MuHong, XU Zhi, BAI XueDong, WANG EnGe. Carbon nanotube transistors with graphene oxide films as gate dielectrics, Sci. China Phys. Mech. Astron, 2010, vol. 53, № 5, p. 828.
5. Standley B,; Mendez A,; Schmidgall E.; BockrattiM. Graphene field-effect transistors built with graphene-oxide gate dielectric. American Physical Society, APS March Meeting 2010, March 15-19, 2010.
Г.Мешков, О.Синицына, И.Яминский sinitsyna@grnail.com
Статья опубликована в журнале "Наноиндустрия" № 4 за 2010 год
