Ионно-лучевая скульптура - Ion-beam sculpting

Ионно-лучевая скульптура это двухэтапный процесс создания твердотельного нанопоры. Сам термин был придуман Головченко и сотрудниками в Гарвард в статье «Скульптура ионным пучком в нанометровом масштабе». [1] При этом твердотельные нанопоры образуются за счет поперечного массопереноса вокруг поверхности подложки, а не просто за счет распыление, которое представляет собой удаление материала с поверхности.

Основа

Первый шаг в ионном скульптинге - сделать либо сквозное отверстие или глухая дыра, чаще всего с помощью сфокусированный ионный пучок (FIB). Размер отверстий обычно составляет ~ 100 нм, но их можно сделать намного меньше. Этот шаг может или не может быть выполнен на комнатная температура, с низкой температурой -120 C. Далее, есть три распространенных метода «лепки» отверстия: ионное облучение в широкой зоне, Экспозиция ТЕМ, и Экспозиция FIB. Отверстия можно закрыть полностью или оставить открытыми на Нижний предел из 1 - 10 нм.

Воздействие ионов на широкую зону

Этот метод использует широкую область аргон ионный источник луч. Если отверстие слепое (a глухая дыра это дыра, которая еще не пробила на тыльной стороне) вафля (довольно часто SiN или кремний /оксид кремния ) затем переворачивают вверх дном и выставляют аргон луч. Детектор считает количество ионов, проходящих через мембрану (которое должно быть равно нулю). Процесс останавливается, когда начинают обнаруживаться ионы. Это позволяет открыть отверстие гораздо меньшего размера, чем при использовании только FIB. Этот метод изготовления нанопор основан на использовании ионного пучка для удаления (распыления) части материала с тыльной стороны образца, открывая часть отверстия под ним.

В качестве альтернативы, если отверстие уже фрезеровано в подложке, луч аргона направляется на пластину, и атомы с боковым переносом массы из другого места на пластине перемещаются к краю отверстия. Именно этот процесс изготовления твердотельных нанопор первоначально назывался «формирование ионным пучком». Первостепенное значение в этом методе имеет возможность использовать систему управления с обратной связью для мониторинга изготовления нанопор в реальном времени. Детектор регистрирует количество ионов, прошедших через отверстие, как функцию времени. Когда отверстие закрывается от ~ 100 нм до его конечного размера (> 20 нм), количество ионов, способных пройти через отверстие, уменьшается. Процесс останавливается при достижении конечного размера пор. Если ток упадет до нуля, то отверстие закрывается. Этот процесс изготовления нанопор используется в лабораториях докторов Дж. Ли и Дж. Головченко. Недавно было продемонстрировано, что этот метод работает со всеми благородные газы, а не только аргон.[2]

Экспозиция ТЕМ

Сквозное отверстие в пластине можно закрыть просвечивающий электронный микроскоп. Из-за накопления углеводородов электроны стимулируют закрытие отверстия. Этот метод очень медленный (требуется более часа, чтобы закрыть 100 нм дыра). Медленный метод позволяет лучше контролировать размер отверстия (так как вы можете наблюдать за его уменьшением), но его недостаток в том, что он занимает много времени. Образец цитирования: Т. Шенкель, В. Радмилович, Э. А. Стах, С.-Дж. Парк, А. Персо, J.Va.Sci.Tech.B 21, 2720 (2003).

Экспозиция FIB

Это самый простой из способов, но наименее полезный. После фрезерования отверстия FIB можно просто изобразить отверстие (аналогично методике ПЭМ). Ионы стимулируют движение пластины, а также имплантируются, чтобы закрыть отверстие. В отличие от двух других методов, отверстия, закрытые в этой технике, не очень круглые и гладкие. На фотографиях, полученных с просвечивающего электронного микроскопа, отверстия выглядят неровными. Кроме того, намного сложнее контролировать размер отверстия в режиме одного нанометра. Еще один недостаток этого метода заключается в том, что при визуализации отверстия ионный пучок постоянно распыление мембранный материал прочь. Если область сканирования луча достаточно велика, скорость движения атомов, закрывающих отверстие, будет больше, чем скорость распыления, поэтому отверстие закроется. Если мембрана слишком тонкая или область сканирования слишком мала, скорость распыления будет выше, и отверстие откроется.

Альтернативный метод моделирования ионного пучка был разработан с использованием коммерчески доступной системы ФИП.[3] Этот метод лепки [4] может изготавливать симметрично круглые нанопоры с гладкими краями и, кроме того, одновременно формировать несколько нанопор одинаковой формы и размера. В зависимости от разрешения и рабочего состояния прибора этот метод позволяет получать нанопоры симметричной формы диаметром менее 10 нм.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ J. Li, D. Stein, C. McMullan, D. Branton, M.J. Aziz, J.A. Головченко, Природа, 412, 166 (2001) [1]
  2. ^ К. Цай, Б. Ледден, Э. Крюгер, Дж. Головченко и Дж. Ли, Журнал прикладной физики, 100 (2006)[2]
  3. ^ «Коммерчески доступный FIB». Архивировано из оригинал на 2007-07-30. Получено 2007-08-03.
  4. ^ "Ло и др. 2006 Нанотехнологии 17 3264-3267".