Сканирующая туннельная микроскопия с несколькими наконечниками - Multi-tip scanning tunneling microscopy

Схематическое изображение измерения СТМ с несколькими наконечниками, когда красный и зеленый наконечники вводят и отводят боковой ток в исследуемый образец. Желтый и левый зеленый наконечники измеряют напряжения в соответствующих положениях, которые нарастают из-за введенного тока.

Сканирующая туннельная микроскопия с несколькими наконечниками (СТМ с несколькими наконечниками) расширяется сканирующая туннельная микроскопия (СТМ) от визуализации до специальных электрических измерений в наномасштабе, например «мультиметр в наномасштабе». В материаловедении, нанонауке и нанотехнологиях желательно измерять электрические свойства в определенном месте образца. Для этого были разработаны СТМ с несколькими наконечниками, в которых несколько наконечников работают независимо. Помимо визуализации образца, наконечники СТМ с несколькими наконечниками используются для формирования контактов с образцом в желаемых местах и ​​для выполнения локальных электрических измерений.

Введение

Так как микроэлектроника превращается в наноэлектроника, важно проводить измерения электронного транспорта на наномасштабе. Стандартный подход - использовать литографические методы для контакта с наноструктурами, так как он также используется в конечном устройстве наноэлектроники. Однако на стадиях исследований и разработок могут быть более подходящими другие методы для контакта с наноэлектронными устройствами или в целом с наноструктурами. В альтернативном подходе к контакту наноструктур используются наконечники сканирующего туннельного микроскопа с несколькими наконечниками - по аналогии с измерительными выводами мультиметра, используемого на макроуровне. Преимущества этого подхода: (а) на месте контактирование «как выращенных» наноструктур, еще находящихся в вакууме, помогает защитить тонкие наноструктуры от загрязнения, вызванного этапами литографии, выполняемыми для контакта. (b) Легко реализовать гибкое позиционирование контактных наконечников и различные конфигурации контактов, в то время как литографические контакты являются фиксированными. (c) Зонд с острыми наконечниками может быть неинвазивным (высокоомным), тогда как литографические контакты обычно инвазивны (низкоомные).[1]. Чтобы использовать сканирующий туннельный микроскоп (СТМ) для измерений электрического переноса в наноструктурах или на поверхностях, требуется более одного наконечника. Это мотивирует использование сканирующих туннельных микроскопов с несколькими остриями, которые дают доступ к указанным выше преимуществам в нанозондовании. Несколько обзорных статей о STM с несколькими наконечниками можно найти в дальнейшее чтение раздел ниже.

STM с четырьмя наконечниками с четырьмя наконечниками, направленными вверх в центре. Диаметр инструмента 50 мм.

Принцип действия

Сканирующие туннельные микроскопы с несколькими наконечниками обычно состоят из четырех модулей СТМ, устанавливающих каждый наконечник индивидуально в желаемое положение на образце. Чтобы уменьшить тепловой дрейф наконечников, четыре блока STM должны быть как можно меньше и компактнее. Важно, чтобы движение наконечников можно было наблюдать либо оптический микроскоп, или растровый электронный микроскоп (SEM). Это позволяет приблизить наконечники друг к другу и разместить их в желаемых местах измерения. Наконечники в STM с несколькими наконечниками обычно устанавливаются под углом 45 ° относительно вертикального направления, чтобы упростить размещение всех наконечников в одной области на образце.

После того, как был представлен первый СТМ с несколькими наконечниками,[2] Было разработано несколько самодельных инструментов, и сегодня также доступно несколько коммерческих инструментов.

Расширением метода СТМ с несколькими наконечниками является обновление до атомно-силовая микроскопия (AFM) операция. Для приложений в наноэлектронике большинство образцов состоит из проводящих «целевых» областей на поверхности, разделенных непроводящими областями. Чтобы направить наконечник к проводящим областям, может быть очень полезным формирование изображений AFM вместо или в дополнение к оптическому микроскопу или позиционированию наконечников под контролем SEM.[3]

При двухточечном измерении измеряется сумма сопротивления образца и сопротивления контактов. При четырехточечном измерении сопротивление образца измеряется без влияния контактного сопротивления.

При проведении электрических измерений в наномасштабе следует подчеркнуть, что контактное сопротивление часто очень велико в месте контакта иглы СТМ с образцом, поскольку площадь контакта очень мала, так что четырехточечные измерения незаменимы при измерении сопротивления с помощью STM с несколькими наконечниками. Это даже более важно при измерении наноразмерных объектов, потому что контакты с этими объектами неизбежно имеют наномасштаб. При двухточечном измерении сопротивления два наконечника для ввода тока также используются для измерения напряжения. Следовательно, измеренное сопротивление R = V / I также включает вклад двух контактных сопротивлений RC. При четырехточечном измерении цепь подачи тока отделена от цепи измерения напряжения. Если измерение напряжения выполняется при большом внутреннем сопротивлении RV, влиянием контактных сопротивлений можно пренебречь. В этом главное преимущество четырехточечного измерения.

Схема электрических измерений, выполненных с помощью СТМ с несколькими наконечниками. Каждый наконечник может быть сконфигурирован как датчик тока или как датчик напряжения. Самый простой пример электрического измерения - это классическое четырехточечное измерение сопротивления.

Для выполнения электрических измерений с помощью STM с несколькими наконечниками требуется более четырех наконечников и возможность их позиционирования по мере необходимости. Необходимо проводить согласованные измерения токов и напряжений всеми четырьмя наконечниками. Электроника позволяет использовать каждый наконечник либо как (смещенный) датчик тока, либо как датчик напряжения. Между разными наконечниками (и / или образцом) применяются разные кривые I-V. В простейшем случае между двумя внешними наконечниками подается ток, и между внутренними наконечниками измеряется разность потенциалов (классическое четырехточечное измерение). Однако также могут быть выполнены различные виды других измерений, например игла или образец можно использовать в качестве электрода затвора.

Применение многоствольного СТМ

Графеновые наноленты и графеновые наноструктуры

Локальные транспортные свойства шириной 40 нм графен Наноленты, выращенные на подложках из карбида кремния (SiC), исследуются с помощью СТМ с несколькими остриями. Графеновые наноленты обладают исключительными транспортными свойствами, такими как баллистическая проводимость даже при комнатной температуре со средней длиной свободного пробега до нескольких мкм.[4] Такие эпитаксиальные графеновые наноленты важны не только для фундаментальной науки, но и потому, что их можно легко производить тысячами в современной наноэлектронике, которая может использовать свои баллистические транспортные свойства при комнатной температуре.

СЭМ-изображение четырех зондов, контактирующих с графеновой нанолентой

Профилирование сопротивления вдоль автономных нанопроволок GaAs

STM с несколькими наконечниками может использоваться для картирования сопротивления вдоль отдельно стоящего GaAs. нанопровода диаметром около 100 нм. Нанопроволоки все еще остаются «как выросшие» в вертикальном положении и прикреплены к подложке, поэтому невозможно контактировать с нанопроводами литографическими методами. В конфигурации измерения, показанной на рисунке, образец наклонен на 45 °, чтобы облегчить получение оптимальных изображений нанопроволок с помощью СЭМ. Три иглы, соприкасающиеся с нанопроволокой, осуществляют четырехточечное измерение сопротивления (с образцом в качестве четвертого контакта). Наконечник 1 вводит ток в нанопроволоку, причем образец действует как сток тока, а наконечник 2 и наконечник 3 действуют как датчики напряжения. Хотя структуру этих нанопроволок относительно легко изучить, например, с высоким разрешением электронная микроскопия, трудно получить доступ к электрическим свойствам, определяемым допинг профиль вдоль нанопроволоки. Из измеренного четырехточечного сопротивления вдоль нанопроволоки может быть получен профиль легирования вдоль нанопроволоки.[5][6][7]

Слева: схема измерения по четырем точкам на нанопроволоке с тремя наконечниками, контактирующими с нанопроволокой. Справа: СЭМ-изображение автономной нанопроволоки, к которой соприкасаются три наконечника. Наконечники STM действуют как измерительные провода мультиметра, однако контактируют с такими объектами, как нанопроволока, в наномасштабе.
Фильм, на котором острие СТМ движется по нанопроволоке GaAs, измеряющий профиль сопротивления четырехточечного зонда во многих точках вдоль нанопроволоки.

Потенциометрия с несколькими наконечниками

Метод, дающий ценную информацию о свойствах переноса заряда наноструктур, - это сканирующая туннельная потенциометрия (STP).[8] STP может выполняться с помощью STM с несколькими наконечниками и позволяет отображать потенциальный ландшафт, пока ток течет через пленку, наноструктуру или исследуемую поверхность. Карты потенциометрии дают представление о фундаментальных транспортных свойствах, таких как влияние дефектов на местный электрический транспорт. Реализация показана на рисунке, где внешние наконечники инжектируют ток в исследуемую наноструктуру или поверхность, а центральный наконечник одновременно измеряет топографию, а также регистрирует электрический потенциал в каждой точке изображения, индуцируемый протекающим током. Таким образом, потенциальная карта, измеренная, например, на поверхности кремния, может быть получена с потенциальным разрешением в пару мкВ. Карта потенциала на рисунке показывает, что наибольшее падение потенциала происходит на краях атомной ступени. Из этих данных может быть получено сопротивление отдельной атомной ступеньки или границы домена. Более того, если ток обтекает наноразмерный дефект вроде. например, пустота, можно измерить потенциальную карту, развивающуюся из-за протекающего тока.[9]

Слева: Схема установки сканирующей туннельной потенциометрии, реализованной в многоствольном сканирующем туннельном микроскопе. Два наконечника подают ток на поверхность образца, а третий наконечник отображает результирующее распределение потенциала. Область сканирования обозначена черным квадратом. Справа: Карта потенциалов, измеренная на поверхности Si, при этом основное падение потенциала происходит на краях атомных ступеней. На этом изображении ток течет сверху вниз.
Слева: изображение топографии СТМ большой пустоты 5 нм в пленке топологического изолятора. Справа: потенциальный диполь, развивающийся вокруг пустоты в наномасштабе из-за протекающего тока.

Отделение поверхностной проводимости от объемной проводимости

Измерение четырехточечного сопротивления на образце Si (111) -7 × 7 в зависимости от расстояния позволяет отделить поверхностную потребляемую мощность от объемной проводимости.

По мере того, как наноустройства становятся все меньше и меньше, отношение поверхности к объему (то есть доля атомов, расположенных на поверхности) постоянно увеличивается. Возрастающая важность поверхностной проводимости по сравнению с проводимостью через массу в современных наноэлектронных устройствах требует надежного определения поверхностной проводимости, чтобы минимизировать влияние нежелательных токов утечки на характеристики устройства или использовать поверхности в качестве функциональных единиц. Модельной системой для соответствующих исследований является поверхность Si (111) -7 × 7. Проблема состоит в том, чтобы отделить вклад поверхностной проводимости от объемной проводимости. Используя СТМ с несколькими наконечниками, исследователи разработали метод, который использует зависящие от расстояния четырехзондовые измерения в линейной конфигурации для определения поверхностной проводимости.[10][11]

Спиновый ток в квантовых материалах

Спиновое напряжение генерируется спиновым током электрона. (Источник: Сабан Хус и Ан-Пинг Ли / Национальная лаборатория Ок-Ридж, Департамент энергетики США).

СТМ с несколькими наконечниками используется в качестве метода обнаружения спинового напряжения в топологические изоляторы с помощью спин-поляризованной четырехзондовой сканирующей туннельной микроскопии на Bi2Te2Se поверхностей. Спин-зависимый электрохимический потенциал отделен от омического вклада. Этот компонент идентифицируется как спин-химический потенциал, возникающий из двумерного зарядового тока через топологические поверхностные состояния с синхронизацией спинового момента (TSS). В новом методе используется магнитный наконечник для наблюдения за поведением спина электронов на поверхности материала.[12]

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ Voigtländer, B; Черепанов, В; Корте, S; Лейс, А; Cuma, D; Just, S & Lüpke, F (2018). "Приглашенная обзорная статья: Сканирующая туннельная микроскопия с несколькими наконечниками: экспериментальные методы и анализ данных". Обзор научных инструментов. 89 (10): 101101. Дои:10.1063/1.5042346. PMID  30399776.
  2. ^ Шираки, я; Танабэ, Ф; Hobara, R; Нагао, Т. и Хасэгава, С. (2001). «Зонды с четырьмя наконечниками с независимым приводом для измерения электропроводности в сверхвысоком вакууме». Серфинг. Наука. 493 (1–3): 633–643. Дои:10.1016 / S0039-6028 (01) 01276-6.
  3. ^ Хигучи, S; Кубо, О; Курамоти, H; Аоно, М. и Накаяма, Т. (2011). «Силовой микроскоп с четырьмя сканирующими зондами для измерения электрических свойств микроскопических материалов». Нанотехнологии. 22 (28): 285205. Дои:10.1088/0957-4484/22/28/285205. PMID  21659691.
  4. ^ Baringhaus, J; Руан, М; Эдлер, Ф; Техеда, А; Sicot, M; Талеб-Ибрахими, А; Ли, А-П; Цзян, З; Конрад, EH; Бергер, К; Тегенкамп, С. & де Хир, Вашингтон (2014). «Исключительный баллистический транспорт в эпитаксиальных графеновых нанолентах». Природа. 506 (7488): 349–354. arXiv:1301.5354. Дои:10.1038 / природа12952. PMID  24499819. S2CID  4445858.
  5. ^ Корте, S; Steidl, M; Прост, Вт; Черепанов, В; Voigtländer, B; Чжао, Вт; Кляйншмидт, П и Ханнапель, Т. (2013). «Сопротивление и профилирование легирующей примеси вдоль автономных нанопроволок GaAs». Письма по прикладной физике. 103 (14): 143104. Дои:10.1063/1.4823547.
  6. ^ Nägelein, A; Liborius, L; Steidl, M; Блумберг, К; Kleinschmidt, P; Poloczek, A & Hannappel, T (2017). «Сравнительный анализ профилирования сопротивления вдоль конических полупроводниковых нанопроволок: метод с несколькими наконечниками по сравнению с методом линии передачи». Журнал физики: конденсированное вещество. 29 (39): 394007. Дои:10.1088 / 1361-648X / aa801e. PMID  28714857.
  7. ^ Nägelein, A; Steidl, M; Корте, S; Voigtländer, B; Прост, Вт; Кляйншмидт, P & Hannappel, T (2018). «Исследование истощения носителей заряда в автономных нанопроводах с помощью многозондового сканирующего туннельного микроскопа». Нано исследования. 11 (11): 5924–5934. Дои:10.1007 / s12274-018-2105-х. S2CID  139202364.
  8. ^ Lüpke, F; Корте, S; Черепанов, В. и Фойгтлендер, Б. (2015). «Сканирующая туннельная потенциометрия, реализованная с помощью программного обеспечения в установке с несколькими наконечниками». Обзор научных инструментов. 86 (12): 123701. arXiv:1508.07717. Дои:10.1063/1.4936079. PMID  26724036. S2CID  2239279.
  9. ^ Lüpke, F; Эшбах, М; Heider, T; Ланиус, М; Schüffelgen, P; Розенбах, Д; фон ден Дриш, N; Черепанов, В; Mussler, G; Плуцински, Л; Grützmacher, D; Шнайдер, К.М. и Фойгтлендер, Б. (2017). «Электрическое сопротивление отдельных дефектов на поверхности топологического изолятора». Nature Communications. 8: 15704. arXiv:1704.06580. Дои:10.1038 / ncomms15704. ЧВК  5472778. PMID  28604672.
  10. ^ Просто, S; Blab, M; Корте, S; Черепанов, В; Солтнер, H и Voigtländer, B (2015). «Поверхностная и ступенчатая проводимость на поверхности Si (111)». Письма с физическими проверками. 115 (6): 066801. Дои:10.1103 / PhysRevLett.115.066801. PMID  26296126.
  11. ^ Просто, S; Soltner, H; Корте, S; Черепанов, В. и Фойгтлендер, Б. (2017). «Поверхностная проводимость поверхностей Si (100) и Ge (100), определенная из четырехточечных измерений переноса с использованием аналитической модели проводимости N-слоя». Физический обзор B. 95 (7): 075310. arXiv:1610.02239. Дои:10.1103 / PhysRevB.95.075310. S2CID  118383531.
  12. ^ Hus, SM; Чжан, X-G; Nguyen, GD; Ко, Вт; Баддорф, AP; Чен, Ю.П. и Ли, АП (2017). «Обнаружение спин-химического потенциала в топологических изоляторах с помощью спин-поляризованного четырехзондового СТМ». Письма с физическими проверками. 119 (13): 137202. Дои:10.1103 / PhysRevLett.119.137202. PMID  29341679.

дальнейшее чтение

  • Хофманн, P & Wells, JW (2009). «Измерения поверхностно-чувствительной проводимости». J. Phys. Конденс. Дело. 21 (1): 013003. Дои:10.1088/0953-8984/21/1/013003. PMID  21817212.
  • Накаяма, Т; Кубо, О; Shingaya, Y; Хигучи, S; Hasegawa, T; Цзян, К; Окуда, Т; Кувахара, Й; Таками, К. и Аоно, М. (2012). «Разработка и применение многозондовых сканирующих зондовых микроскопов». Adv. Матер. 24 (13): 1675–1692. Дои:10.1002 / adma.201200257. PMID  22378596.
  • Ли, А-П; Кларк, кВт; Чжан, X, и Баддорф, AP (2013). «Электронный транспорт в нанометровом масштабе, обнаруженный в пространстве с помощью четырехзондовой сканирующей туннельной микроскопии». Adv. Функц. Матер. 23 (20): 2509–2524. Дои:10.1002 / adfm.201203423.
  • Сюй, Т. и Грандидье, Б. (2015). Электрические характеристики полупроводниковых нанопроволок с помощью сканирующей зондовой микроскопии, в: Semiconductor Nanowires - Materials, Synthesis, Characterization and Applications, Ed .: J. Arbiol and Q. Xiong, Elsevier. п. 277. ISBN  978-1-78242-253-2.
  • Накаяма, Т; Шингая, Й. и Аоно, М. (2016). «Многозондовые сканирующие зондовые микроскопы для наноархитектонического материаловедения». Jpn. J. Appl. Phys. 55 (11): 1102A7. Дои:10.7567 / JJAP.55.1102A7.