ΕΚΕΦΕ ΗΜΟΚΡΙΤΟΣ Ινστιτούτο Επιστήµης Υλικών Νανοτεχνολογία και Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Ν. Μπούκος Αυτός ο κόσµος ο µικρός, ο µέγας.
Περίγραµµα Εισαγωγή - Κίνητρα Νανοτεχνολογία Σχέση παρασκευής-µικροδοµήςιδιοτήτων Ηλεκτρονική Μικροσκοπία ιέλευσης Πληροφορίες Αρχή λειτουργίας Παραδείγµατα ανάπτυξης και χαρακτηρισµού νανοΰλικών
Εισαγωγή Νανοτεχνολογία Υλικά και διατάξεις όπου εµφανίζονται δοµικά στοιχεία µε διαστάσεις <50nm Εξωτερική µορφολογική διαµόρφωση ή Αυτοοργάνωση δοµικών στοιχείων Κίνητρα Ανάγκη σµίκρυνσης διαστάσεων Υλικά µε νέεςή/και βελτιωµένες ιδιότητες
Εισαγωγή Σχέση παρασκευής-µικροδοµής-ιδιοτήτων Παρασκευή Μικροδοµή Εφαρµογές Ιδιότητες Ο χαρακτηρισµός της µικροδοµής σε κλίµακα nm αποτελεί βασικό στοιχείο για την ανάπτυξη των νανοΰλικών
Γιατί χρησιµοποιούµε µικροσκόπια; Για να βελτιώσουµε την διακριτική µας ικανότητα. Η ελάχιστη απόσταση, do, ανάµεσα σε δύο σηµεία ενός αντικειµένου, που αυτά διακρίνονται χωριστά. d o Σχέση του Abbe d o =0.61λ /n sinα 2α αντικείµενο d o =0.91(C s λ 3 ) 1/4 TEM λ= µήκος κύµατος ακτινοβολίας µάτι Οπτικό µικροσκόπιο Ηλεκτρονικό µικροσκόπιο λ 0.5µm 0.5µm 0.0025nm d o 100µm 0.3µm 0.2nm
Σύγκριση οπτικού και ηλεκτρονικού µικροσκοπίου διέλευσης (ΤΕΜ)
Αλληλεπίδραση δέσµης ηλεκτρονίων και υλικού
Περίθλαση ηλεκτρονίων d L 2θ Νόµος του Bragg 2 d sinθ =Ν λ λ =0.0025nm θ ~1 0 λ/d=2sinθ~2θ L~1m R/L=tan2θ~2θ R Rd=λL
Μονοκρύσταλλος πυριτίου Περίθλαση ηλεκτρονίων (111) (111) Si (011) Σχηµατική αναπαράσταση Εικόνα περίθλασης Si από ηλεκτρονικό µικροσκόπιο
Περίθλαση ηλεκτρονίων από πολυκρυσταλλικό υλικό Μέγεθος κρυσταλλιτών µειώνεται
Σχηµατισµός εικόνας έσµη ηλεκτρονίων είγµα Αντικειµενικό διάφραγµα Εικόνα φωτεινού πεδίου Φακός Εικόνα Εικόνα σκοτεινού πεδίου
Ηλεκτρονική µικροσκοπία υψηλής διακριτικής ικανότητας (HREM) δέσµη e δείγµα Si [011] αντικειµενικό διάφραγµα φακός εικόνα
Εικόνα ΗRΕΜ Si κατά την διεύθυνση [110] Προσοµοίωση εικόνας ΗRΕΜ και ατόµων Si κατά την διεύθυνση [110] Οι εικόνες HREM δεν απεικονίζουν άµεσαταάτοµα ενόςκρυστάλλου αλλά Με την βοήθεια προµοιόσεων είναι δυνατή η ανασύνθεση της διάταξης των θέσεων των ατόµων και κατά συνέπεια η απεικόνιση σε ατοµικό επίπεδο κρυστάλλων, διεπιφανειών και κρυσταλλικών ατελειών.
Απεικόνιση εξαρµόσεων Εικόνα φωτεινού πεδίου SiGe Τα κρυσταλλικά επίπεδα κοντά στην εξάρµοση δεν ικανοποιούν την συνθήκη Bragg Τα κρυσταλλικά επίπεδα κοντά στην εξάρµοση ικανοποιούν την συνθήκη Bragg Εικόνα σκοτεινού πεδίου ασθενούς δέσµης
Αλληλεπίδραση δέσµης ηλεκτρονίων και υλικού Inelastic electrons Electron Energy Loss Spectroscopy (EELS) Φασµατοσκοπία απώλειας ενέργειας ηλεκτρονίων
Mn Ga As Φάσµα EELS Σχηµατικό διάγραµµαενός ενεργειακού φίλτρου που τοποθετείται κάτω από την φθορίζουσα οθόνη ενός ΤΕΜ. Εικόνα φωτεινού Χαρτογράφηση πεδίου GaAs:MnAs
Επιταξιακή ανάπτυξη υµενίων ErSi 2-x /Si 1-x Ge x Εφαρµογές Si 1-x Ge x /Si transistor µεταλλικής βάσης διαµόρφωση του ενεργειακού χάσµατος ετεροδοµές υψηλής ευκινησίας strained και relaxed ετεροδοµές ανιχνευτές IR µεταβλητού µ.κ. κατωφλίου
Επιταξιακή ανάπτυξη υµενίων ErSi 2-x /Si 1-x Ge x Επιταξία µοριακής δέσµης (ΜΒΕ) ErSi 2-x 25nm 550 C Si 0.8 Ge 0.2 50nm 450 C Si buffer 200nm 650 C Si (001) υπόστρωµα tetr-ersi 2-x / strained SiGe ErSi 2-x 35nm 550 C Si 0.75 Ge 0.25 200nm 450 C tetr-ersi 2-x / relaxed SiGe Si 1-x Ge x 1000nm 720-450 C x=0.06..0.25 step graded buffer Si buffer 200nm 650 C Si (001) υπόστρωµα
Επιταξιακή ανάπτυξη υµενίων ErSi 2-x /Si 1-x Ge x Εµφύτευση Ge / (ΜΒΕ) ErSi 2-x 35nm 550 C ανόπτηση 730 C Si 1-x Ge x 50-150nm x=0.1-0.2 ανόπτηση 800 C tetr-ersi 2-x / strained SiGe Si (001) υπόστρωµα Εµφύτευση 74 Ge σε θερµοκρασία δωµατίου Ενέργεια δέσµης 30, 70, 150 kev Πυκνότητα ρεύµατος 6.8 µa/ cm 2
Υµένια αναπτυγµένα µε MBE ErSi 2-x επάνω σε strained SiGe ErSi 2-x επάνω σε relaxed SiGe
Περίθλαση ηλεκτρονίων Bz=[011]SiGe Bz=[001]SiGe πείραµα προσοµοίωση
Εικόνα HREM της διεπιφάνειας Εικόνα ασθενούς δέσµης Er Si tetragonal ErSi 2 Καλή επιταξιακή ανάπτυξη Ικανοποιητική ποιότητα της διεπιφάνειας Αποκλεισµός των εξαρµόσεων Τάσεις στην διεπιφάνεια ErSi 2-x /SiGe
Στοιχειακή χαρτογράφηση υψηλής διακριτικής ικανότητας E=70 kev
Υµένια αναπτυγµένα µε εµφύτευση Ge / MBE E=70 kev E=30 kev SiGe SiGe Si Si ErSi 2 SiGe Si 0.85 Ge 0.15 ErSi 2 Si Επιταξιακή ανάπτυξη τετραγωνικών υµενίων ErSi 2-x επάνω σε υµένια Si 1-x Ge x που παρασκευάστηκαν µεεµφύτευση Ge Si 0.83 Ge 0.17
Εικόνα HREM της διεπιφάνειας
Συµπεράσµατα Επιταξιακή ανάπτυξη υµενίων ErSi 2-x επάνω σε strained & relaxed Si 1-x Ge x µε την χρήση στρώµατος οδηγού Προτιµητέα επιταξιακή φάση των υµενίων ErSi 2-x (δεν έχει παρατηρηθεί σε bulk ErSi 2-x ) Ησταθεράπλέγµατος του ErSi 2-x είναισταθερήκαιανεξάρτητητης πλεγµατικής σταθεράς του υποστρώµατος Si 1-x Ge x Υψηλότερη κρυσταλλική ποιότητα του ErSi 2-x όταν αναπτύσσεται σε relaxed Si 1-x Ge x εξαιτίας της µικρότερης πλεγµατικής ασυµφωνίας ErSi 2 / strained Si 1-x Ge x (δα /α ) ~ 2.8% ErSi 2 / relaxed Si 1-x Ge x (δα /α ) ~ 1.8%
Ανάπτυξη νανοδοµών MnAs σε υπόστρωµα GaAs Εφαρµογές Μαγνητο-οπτοηλεκτρονικές ιατάξεις Παρασκευή Επιταξία Μοριακής έσµης (ΜΒΕ) χαµηλής θερµοκρασίας Τυπική µικρογραφία φωτεινού πεδίου πριν από την ανόπτηση
Mn Ga As Φάσµα EELS Τυπική µικρογραφία φωτεινού πεδίου µετά από συµβατική θερµική ανόπτηση ΚατανοµήτουMn
είγµα Α (365 nm) GaAs:MnAs / GaAs (001) Παρασκευή (Ga,Mn)As µε ~4% Mn Συµβατική ανόπτηση in situ 600 ºC / 10 min + 350 ºC / 120 min Μικροδοµή Συσσωµατώµατα µε µηκαθορισµένο σχήµα και κρυσταλλική αταξία Μαγνητικές ιδιότητες Έλλειψη σιδηροµαγνητισµού
είγµα B (355 nm) GaAs:MnAs / GaAs (001) Παρασκευή (Ga,Mn)As µε ~3% Mn Συµβατική ανόπτηση in situ 600 ºC / 10 min Μικροδοµή Τριγωνικά συσσωµατώµατα MnAs µεδοµή ZnS σύµφωνη µετοπλέγµα Μαγνητικές ιδιότητες Ασθενής σιδηροµαγνητισµός
είγµα Γ (380 nm) GaAs:MnAs / GaAs (001) Παρασκευή (Ga,Mn)As µε ~7% Mn Ταχεία ανόπτηση ex situ 700 ºC / 20 sec Μικροδοµή Σφαιρικά συσσωµατώµατα MnAs µε εξαγωνική δοµήσύµφωνη µετο πλέγµα Μαγνητικές ιδιότητες Σιδηροµαγνητισµός για θερµοκρασίες έως 340Κ Ρύθµιση συνθηκών παρασκευής για την ανάπτυξη της κατάλληλης µικροδοµής ώστε να εµφανιστεί σιδηροµαγνητισµός
Οξείδια υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς Λεπτά υµένια X 2 Ο 3 (X:Y, Hf) σε υπόστρωµα Si Ιδιότητες µικρό ισοδύναµο πάχος~2nm µικρή πλεγµατική ασυµφωνία δυνατότητα επιταξιακής ανάπτυξης Εφαρµογές Οξείδια πύλης για ULSI κυκλώµατα d V g NMOS PMOS Field n + n + oxide L P-type Si epilayer p + p + N-well P + Si substrate Επιταξία µοριακής δέσµης (ΜΒΕ) High-k Y 2 O 3 55nm 450 C Si buffer 20nm 650 C Si (001) substrate
Υµένια Y 2 O 3 επάνω σε υπόστρωµα Si(001) (110)Y 2 O 3 //(001)Si - [001]Y 2 O 3 //[110]Si (110)Y 2 O 3 //(001)Si [001]Y 2 O 3 //[110]Si 010 100 010 100 Si Y 2 O 3 100 [1 1 0] [001 ] 010 001 010
Υµένια Y 2 O 3 επάνω σε vicinal υπόστρωµα Si(001) Επιταξιακές σχέσεις ανάπτυξης (110)Y 2 O 3 //(001)Si - [001]Y 2 O 3 //[110]Si
Υπερδοµήσεεπιταξιακάυµένια Υ 2 Ο 3 10 a ss = a =1.326nm 8 Y 2 O 3
Προβολή των κυψελίδων Y 2 O 3 /υπερδοµής - στο (110)Y 2 O 3 1.326 nm
Χαρακτηρισµός µε EELS a b c b a c Intensity (arbitr. units) Intensity (arbitr. units) 520 540 560 580 Energy loss (ev) 520 540 560 580 Energy loss (ev)
Ανάλυση φασµάτων EELS Ηλεκτρονική δοµή Y 2 O 3 Intensity (arb. units) 0 5 10 E b (ev) Intensity (arbitr. units) a b c defect-free region superstructure region J.Yuan et al Micron 30, 141 (1999) Jollet et al JACS 74, 358 (1991) 520 540 560 580 Energy loss (ev) Η αναλογία των κορυφών a και b εξαρτάται από την κατάληψη θέσεων Ο Ηυπερδοµή αντιστοιχεί σε υποστοιχειοµετρία Ο
Intensity (arbitr. units) a b c defect-free region superstructure region 520 540 560 580 Energy loss (ev) Ποσοτική ανάλυση των φασµάτων Μετατόπιση 0.8 ev της ακµής απορρόφησης ~ 7% κενά O στις περιοχές της υπερδοµής Τοπική µείωση του ενεργειακού χάσµατος στις περιοχές της υπερδοµής
Γιατί τα κενά Ο δηµιουργούν υπερδοµή; - [110]Y 2 O 3 - - [110]Si ασυµφωνία Y 2 O 3 /Si = 6d a 220Si a Y 2 O 3 Y 2 O 3 = 8% - [110]Si [001]Y 2 O 3 7d220Si a a sstr sstr ασυµφωνία sstr/si = = 1.3% Ηδηµιουργία υπερδοµής Ο ελαττώνει την πλεγµατική ασυµφωνία
Συµπεράσµατα Επιταξιακή ανάπτυξη υµενίων Y 2 O 3 επάνω σε Si (001) µε δύο διαφορετικούς προσανατολισµούς Επιταξιακή ανάπτυξη υµενίων Y 2 O 3 επάνω σε vicinal Si (001) µεένα προσανατολισµό ηµιουργία υπερδοµής κενών Ο η οποία αποδίδεται στην ελάττωση της πλεγµατικής ασυµφωνίας Η περιοδική διάταξη των κενών Ο µεταβάλλει την πυκνότητα καταστάσεων στην ζώνη αγωγιµότητας του Υ 2 Ο 3 και µειώνει το ενεργειακό χάσµακατά0.8ev
Ανάπτυξη επιταξιακών λεπτών υµενίων ZnO σε ζαφείρι Al 2 O 3. Εφαρµογές Οπτοηλεκτρονικές ιατάξεις LED-Laser ZnO αναπτυγµένο σε Al 2 O 3 (1120) ZnO Al 2 O 3 Ποιός είναι ο προσανατολισµός του ZnO σε σχέση µετοal 2 O 3 ; Ποιά είναι η µορφολογία του ZnO; Επίπεδη τοµή Εγκάρσια τοµή
Επίπεδη τοµή Εγκάρσια τοµή Το υµένιο ZnΟ είναι µονοκρυσταλλικό Ηδέσµη των ηλεκτρονίων είναι παράλληλη µετηνδιεύθυνση[0001] ZnO Το υµένιο ZnΟ είναι πολύ τραχύ. Η εικόνα HREM δείχνει την εξαγωνική συµµετρία του ZnO παράλληλα µε τηνδιεύθυνση[0001].
Σχέσεις επιταξίας 0001 [0001] ZnO // [1120] sapphire (0001) ZnO // (1120) sapphire -- 2110 - - 1210 0001 [1210] ZnO [0001] sapphire - - 1210 -- 2110
Οι κύριες κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις του ZnO σε σχέση µε τοal 2 O 3. Ο µετασχηµατισµός Fourier της εικόνας επιβεβαιώνει τις σχέσεις επιταξίας.
Ανάπτυξη µνηµών MOS µε νανοσωµατίδια Pt Source gate metal Metal dots Drain HfO Pt SiO 2 Si δέσµη e SiO 2 +npd Si Νανοσωµατίδια Pt
Μαγνητικά Νανοσωµατίδια για µαγνητικά αποθηκευτικά µέσα 10 8 cm -2 HDD~ 100GB 10 11 cm -2 1.0 HDD~ 50TB? M/M max 0.5 0.0-0.5 // -1.0-20 -15-10 -5 0 5 10 15 20 H (koe) CoPt/SiO 2
Περιορισµοί του ΤΕΜ Περιορισµένη ικανότητα δειγµατοληψίας Όγκος δείγµατος ~10-9 mm 3 Καταστροφή ευαίσθητων δειγµάτων από την δέσµη e 0sec 30sec 2-D προβολή 3-D αντικειµένων
Τα πραγµατικά υλικά αποτελούνται, συνήθως, από κρυστάλλους διαφόρων µεγεθών. Η µικροδοµή των υλικών καθορίζει τις ιδιότητές τους. Το ηλεκτρονικό µικροσκόπιο διέλευσης παρέχει την µοναδική δυνατότητα άµεσης παρατήρησης και µελέτης της µικροδοµής των υλικών.
Προετοιµασία δειγµάτων 3mm grinding 60µm 500µm dimpling 50nm ion beam 10µm
Ανάπτυξη µνηµών MOS µε νανοσωµατίδια Pt Source gate metal Metal dots Drain HfO Pt SiO 2 1.0 0.8 Si Reversible storage of charge in metal dots results in memory effect C/C ox 0.6 0.4 0.2 0.0 without ncs +/-2 V +/-2.5 V +/-3.5 V f =1 MHz -4-2 0 2 4 V gate [V] Νανοσωµάτια Pt