В настоящее время сканирующей зондовой микрсокопии и методы на ее основе широко применяются в разных областях науки и техники [1].
В ЛЭТИ вопросы атомно-силовой микроскопии исследовались с конца 90х годов [2]. С той поры защищено несколько диссертаций, основанных на измерениях поверхности методами сканирующей зондовой микроскопии, а основные результаты к моменту начала данной работы были обобщены в книге [3].
В процессе выполнения работы решались различные задачи по развитию методик СЗМ и модификации зондов. Для проведения исследований материалов с различными свойствами предъявляются специальные требования к рабочим параметрам зондов и методикам на основе АСМ.
В качестве подложек были использованы кремневые подложки и зондовые датчики марки NSG01 (NT-MDT). Нанесение никелевого покрытия проводилось электрохимическим катодным осаждением из водного раствора хлорида никеля (NiCl2∙6H2O) [4].
Разработанные методики и модифицированные зонды в частности успешно применялись для анализа нанокомпозитов и пористых кремний содержащих матриц, модифицированных наночастицами. Полученные данные были использованы для модификации технологии получения коллоидных квантовых точек [5].
В нашем научном коллективе одна из основных тем исследований — халькогениды и оксиды элементов 4 группы. В этом направлении защищено более 50 кандидатских и 2 докторских диссертаций. Развитие атомно-силовой микроскопии позволило расширить получение информации по влиянию локальных энергетических воздействий на узкозонные полупроводники. Основные данные, представляющие задел для наших исследований, изложены в следующих публикациях [6–10].
В этих работах развиты модельные представления объясняющие принципы наноструктурирования поликристаллических слоев халькогенидов свинца оксидными фазами на интерфейсе между зерен и разработаны методики для диагностики состава и толщины собственных оксидных фаз, а также положения p-n перехода, формируемого внутри зерна.
Эта информация получается из анализа вольт-амперных характеристик туннельной атомно-силовой микроскопии и измерений сопротивления растекания.
Разработанные методики имели узкое место, заключающееся в невоспроизводимости ВАХ, связанных с влиянием нарушений кристаллической структуры при выделении джоулевого тепла от протекания тока [11,12].
Кроме инфракрасных фотоприемных и излучающих слоев методики АСМ успешно применяются для тестирования и диагностики других наноструктурированных материалов. Особое внимание уделялось анализу газочувствительных слоев. При этом в отличие от классического физико-химического подхода «исследование влияния термодинамических и кинетических условий получения и обработки полупроводниковых фаз переменного состава на их свойства» в настоящее время проводиться анализ возникновения и эволюции фрактальных элементов структуры и их иерархии на свойства нанокомпозитов. Основные работы изложены в [13,14].
В настоящей работе фрактальные представления развиты для анализа слоев, полученных золь-гель методами и методами соосаждения. [15,16]. В работе [15] c использованием атомно-силовой микроскопии исследована морфология поверхности тонких пленок Cu–Ga–Se, полученных совместным гидрохимическим осаждением селенидов меди(I) Cu2Se и галлия Ga2Se3. С помощью фрактального анализа АСМ-изображений установлена зависимость между условиями осаждения тонких пленок Cu–Ga–Se и их фрактальной размерностью, рассчитанной методом подсчета кубов и методом триангуляции. С учетом полученных результатов может быть предложен следующий механизм роста пленок при гидрохимическом осаждении диселенида меди (I) и галлия. Первичные кластеры, сформированные в объеме реакционной смеси, закрепляются на неоднородной поверхности подложки, постепенно покрывая всю ее поверхность. Далее идет процесс их укрупнения за счет присоединения новых частиц из раствора. Совершая броуновское движение в объеме реактора, реакционные частицы с определенной вероятностью (в данном случае близкой к 1) сталкиваются и затем агрегируют с образовавшимися на подложке кластерами. В качестве частиц могут выступать не только незакомплексованные ионы меди (I), галлия, селенид ионы, но и промежуточные реакционные комплексы галлия и меди (I), способные образовывать с фазой селенида металла координационные связи. В результате поверхность подложки постепенно полностью покрывается кластерными образованиями более высокой масштабной иерархии. Таким образом, формируется сплошной слой, на котором снова осаждаются (адсорбируются) микрочастицы из раствора. Процесс имеет выраженный периодический самоорганизующийся характер.
В работе [16] была исследована микроструктура поверхности тонких пленок CdS, полученных методом гидрохимического осаждения после модифицирования их путем выдержки в водном растворе соли ацетата свинца, в том числе, с добавками цитрата натрия и этилендиамина, выполняющих роль комплексообразующих агентов. Показано изменение химического состава пленок и морфологии поверхности в зависимости от условий модифицирования. Установлено, что при модификации за счет гетерогенных процессов на межфазной границе CdSтв/Pb2+р-р происходит вхождение свинца в состав пленки с образованием предположительно твердых растворов замещения PbxCd1−xS. Определены фрактальные размерности поверхности исследованных слоев. Полученные значения фрактальной размерности Хаусдорфа-Безиковича для участков исследуемых образцов пленок систем Cd-Pb-S-1 и Cd-Pb-S-2 составили 2,28 и 2,34 соответственно, что согласно модели Виттена — Сандера (DLA) является следствием процесса роста по механизму агрегации кластер-частица при броуновском движении с вероятностью слипания близкой к единице.
Методики модифицирования зондов АСМ обеспечили возможность анализа таких практически важных практических устройств, как усилительных схем СВЧ диапазона на основе pHEMT-транзисторов [17,18].
Известно, что гетероэпитаксиальные транзисторы занимают лидирующее место при разработке усилительных схем СВЧ диапазона. Обладая низким коэффициентом шума и высоким коэффициентом усиления, такие приборы позволяют повысить чувствительность (избирательность, дальность обнаружения) СВЧ приемных модулей средств радиолокации. Среди возможных исполнений гетероэпитаксиальных транзисторов наибольшее распространение получили транзисторы с высокой подвижностью электронов (HEMT). В данной работе [17] проводилось исследование методами атомно-силовой микроскопии поверхности образцов транзисторных структур, полученных в процессе изготовления полевого транзистора с барьером Шоттки на псевдоморфных гетероструктурах типа pHEMT. В качестве образцов для исследования была выбрана серия приборных структур на различных этапах формирования активной области, а именно: после создания омического контакта и проведения первой корректировки (углубления затвора). Комбинированный подход, совмещающий травление и измерения АСМ, может быть использован для определения степени дефектности напряженных интерфейсов в области канала (например на границе GaAs/InGaAs)
Методом АСМ проведен анализ процессов изменения структуры арсенид-галлиевых малошумящих усилителей при воздействии электромагнитных помех повышенной интенсивности с целью определения основных механизмов отказов. В качестве активных элементов усилителей использованы полевые транзисторы с барьером Шоттки на псевдоморфных структурах с высокой подвижностью электронов.
Установлена природа отказа транзисторов при повышении мощности сигнала, заключающаяся в образовании закороток, возникших в результате диффузии атомов металла при локальном перегреве и разрыва металлизации затвора. Предложен механизм изменения структуры металлизации [18].
Также частью работы являлось развитие методик технологий 3d-печати для создания конструктивных узлов как самостоятельных установок [19], так и различных держателей образцов (для пластин 80мм в АСМ) из полипропилена(PP) и АБС-пластика. Важным практическим приложением являлась модернизация установок для комплексных исследований сенсоров и актюаторов, включающих АСМ методики и методики анализа газочувствительности с возможностью измерения спектроскопии импеданса при вариации газовой среды. [20, 21].
Основные усилия в настоящее время уделяются развитию физических моделей с учетом характеризации параметров энергетики адсорбционных центров. Развитие методов диагностики проводилось в рамках энергетических моделей адсорбционных центров по теории Бредстеда и по теории Льюиса [22–24].
Эти модели актуальны для развития представлений мемристорной техники [25]. Среди материалов для устройств памяти на основе мемристора особое место занимает диоксид ванадия. В этом материале наблюдается переход Мотта «диэлектрик-металл». В настоящее время на основе этого эффекта эффективно развивается техническое направление на базе мемристоров Мотта, которые также называют невристорами. На основе этих приборов могут быть собраны схемы Хопфильда, близкие по логике нейронным сетям. Первые результаты, полученные методами атомно-силовой микроскопии, показывающие возможность получения углубленной информации об особенностях структурного фазового перехода приведены в работе [26].
В заключении необходимо отметить, что модельные представления и методики АСМ, разработанные в процессе работы в аспирантуре, внедрены в учебных процесс и отражены в книгах. [27, 28].
Литература:
1. Миронов В. Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии: Учеб. пособие / Рос. акад. наук. Ин-т физики микроструктур. Нижний Новгород, 2004. 110 с.
2. Исследование структуры поверхности слоев диоксида олова для газовых сенсоров атомно-силовой микроскопией Бестаев М. В., Димитров Д. Ц., Ильин А. Ю., Мошников В. А., Трэгер Ф., Штиц Ф. Физика и техника полупроводников. 1998. Т. 32. № 6. С. 654–657.)
3. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики Учеб. пособие СПб.: Изд во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2009, 80 с
4. Пермяков Н. В.расширение функциональных возможностей зондов атомно-силовых микроскопов электрохимическими методами //Молодой ученый. 2012. № 12. С. 10–14.
5. Тарасов С. А., Александрова О. А., Ламкин И.А и др. Люминесцентные свойства систем «пористые кремнийсодержащие матрицы — наночастицы PbS» //Известия высших учебных заведений. Электроника. 2014.
6. Мошников В. А. Локальные энергетические воздействия в исследовании и получении полупроводниковых твердых растворов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 1996. № 495. С. 11–33.
7. Александрова О. А., Максимов А. И., Мошников В. А., Чеснокова Д. Б. Халькогениды и оксиды элементов IV группы. Получение, исследование, применение. / Под ред. В. А. Мошникова. — СПб.: Технолит, 2008. — 240 с.
8. Спивак Ю. М., Мошников В. А. особенности строения фоточувствительных поликристаллических слоев сетчатого типа на основе PbCdSe<I>//Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010. № 1. С. 97–102
9. Мараева Е. В., Мошников В. А., Таиров Ю. М. Модели формирования оксидных слоев в наноструктурированных материалах на основе халькогенидов свинца при обработке в парах кислорода и иода //Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. № 10. С. 1431–1434.
10. Канагеева Ю. М., Мошников В. А. Исследование свойств матриц на основе In/РbТe методами атомно-силовой микроскопии с помощью специальной системы наноконтактов //Вакуумная техника и технология. 2008. Т. 18. № 2. С. 87–94.
11. Лашкова Н. А., Пермяков Н. В. Исследование полупроводниковых материалов методом микроскопии сопротивления растекания //Молодой ученый. 2014. № 10 (69). С. 32–35.
12. Gracheva I. E., Spivak Y. M., Moshnikov V. A. AFM techniques for nanostructured materials used in optoelectronic and gas sensors //В сборнике: IEEE EUROCON 2009, EUROCON 2009 St. Petersburg, 2009. С. 1246–1249.
13. Грачева И. Е., Максимов А. И., Мошников В. А. Аанализ особенностей строения фрактальных нанокомпозитов на основе диоксида олова методами атомно-силовой микроскопии и рентгеновского фазового анализа //Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2009. № 10. С. 16–23
14. Мошников В. А., Налимова С. С., Селезнев Б. И. Газочувствительные слои на основе фрактально-перколяционных структур //Физика и техника полупроводников. 2014. Т. 48. № 11. С. 1535–1539
15. Федорова Е. А., Маскаева Л. Н., Марков В. Ф., Мошников В. А., Пермяков Н. В. Фрактальный анализ асм-изображений химически осажденных пленок Cu–Ga–Se//Фундаментальные проблемы современного материаловедения. 2013. Т. 10. № 4. С. 547–552.
16. Форостяная Н. А., Пермяков Н. В., Полепишина А. О., Максимов И. А., Маскаева Л. Н., Марков В.Ф АСМ — исследование модифицированных методом ионного обмена пленок сульфида кадмия //Химическая физика и мезоскопия. 2014. Т. 16. № 2. С. 274–283.
17. Козловский Э. Ю., Спивак Ю. М., Мошников В. А., Пономарева А. А., Селезнев Б. И., Иванов Н. Н., Желаннов А. В. Транзисторные структуры pHEMT: исследование особенностей полупроводниковой гетероструктуры методами атомно-силовой микроскопии //Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета. Физико-математические науки. 2010. Т. 1. № 94. С. 18–28
18. Платонов С. В., Пермяков Н. В., Селезнев Б. И. и др. Малошумящие арсенид-галлиевые усилители при воздействии электромагнитных помех повышенных интенсивностей //Вестник Новгородского государственного университета им. Ярослава Мудрого. 2012. № 67. С. 29–32.
19. Матюшкин Л. Б., Пермяков Н. В. Применение технологии 3d-печати в обеспечении профессионально ориентированной подготовки кадров в интересах наноиндустрии //Биотехносфера. 2013. № 3 (27). С. 38–47
20. Pronin I. A., Averin I. A., Yakushova N. D. et al. Theoretical and experimental investigations of ethanol vapour sensitive properties of junctions composed from produced by sol-gel technology pure and fe modified nanostructured zno thin films // Sensors and Actuators A: Physical. 2014. Т. 206. С. 88–96.
21. Воробьев Д. М., Пермяков Н. В. Установка для измерения газочувствительных слоев методом спектроскопии импеданса // Молодой ученый. 2014. № 8. С. 15–20.
22. Карпова С. С., Мошников В. А., Мякин С. В., Коловангина Е. С. Функциональный состав поверхности и сенсорные свойства ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 //Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. № 3. С. 369–372.
23. Карпова С. С., Мошников В. А., Максимов А. И., Мякин С. В., Казанцева Н. Е. Исследование влияния кислотно-основных свойств поверхности оксидов ZnO, Fe2O3 и ZnFe2O4 на их газочувствительность по отношению к парам этанола //Физика и техника полупроводников. 2013. Т. 47. № 8. С. 1022–1026.
24. Мошников В. А., Грачева И. Е., Налимова С. С. Cмешанные металлооксидные наноматериалы с отклонением от стехиометрии и перспективы их технического применения // Вестник Рязанского государственного радиотехнического университета. 2012. № 42–2. С. 59–67
25. Ковалев А. В., Малюков С. П., Пермяков Н. В. Энергонезависимые асинхронные регистры на основе мемристоров для низкопотребляющих вычислительных систем //Фундаментальные исследования. 2012. № 11–2. С. 406–411.
26. Ильинский А. В., Мошников В. А., Пашкевич М. Э., Пермяков Н. В., Шадрин Е. Б. Атомно-силовое зондирование потенциального рельефа VO2-нанокомпозита// Журнал технической физики, 2015, том 85, вып. 1, с 125–133
27. Диагностика материалов методами сканирующей зондовой микроскопии /под ред. В. А. Мошникова / авторы: О. А. Александрова, П. А. Алексеев, И. Е. Кононова и др. Учебное пособие. СПб.:Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2012. 172 с.
28. Мошников В. А., Спивак Ю. М., Алексеев П. А., Пермяков Н. В. Атомно силовая микроскопия для исследования наноструктурированных материалов и приборных структур Учебное пособие. СПб.: Изд во СПбГЭТУ ЛЭТИ, 2014. 144 с.
