Atomová terasa s nízkým úhlem stínování - Atomic-terrace low-angle shadowing

Atomic Terrace Low Angle Shadowing ( ATLAS ) je technika vědy o povrchu, která umožňuje růst planárních nanodrátů nebo nanodotů pomocí epitaxe molekulárního paprsku na vicinálním povrchu. ATLAS využívá inherentní stupňovitou a terasovou strukturu povrchu jako šablonu pro takové nanostruktury . Tato technika zahrnuje nízký úhel dopadu tavidla na vicinální substráty. Vicinální substráty se skládají z atomových teras oddělených atomovými kroky. Technika ATLAS umožňuje výrobu dobře definovaných planárních polí plazmonových nanostruktur , dimenzí nedosažitelných litografií .

Kolimován paprsek atomů nebo molekul, se odpaří při šikmém úhlu k podkladu. To způsobí, že kroky k „stín“ na nosníku, a molekuly, které mají být adsorbovány pouze na exponovaných částech kroky v přímé linii pohledu na výparníku .

Hlavní přitažlivostí této techniky je její relativní jednoduchost, protože nezahrnuje několik litografických kroků a lze ji použít na kovové , polovodičové nebo oxidové povrchy.

Tato technika je přístupem „ zdola nahoru “ a umožňuje velkou kontrolu nad oddělením nanostruktur v rámci pole i nad jejich jednotlivými šířkami. Separace je řízena velikostí atomových teras substrátu, která je určena jeho nesprávným řezem z hlavního indexu ; a šířka nanostruktur je řízena šikmým úhlem depozice.

Ukázalo se, že ATLAS je velmi univerzální technika, přičemž růst kovových , polovodivých a magnetických nanodrátů a nanodotů byl prokázán pomocí různých zdrojových materiálů a substrátů.

Základní principy

Schematické znázornění modelů depozice „z kopce“ i „do kopce“ používaných v systému ATLAS
Obrázek 1. Depozice v mělkém úhlu na vicinálním povrchu (a) depozice nanostruktur na vnějších hranách kroku; paprsek pod úhlem β podél směru „z kopce“, b) substrát se otočí o 180 ° a paprsek se nasměruje ve směru „do kopce“.

Obrázek 1 (a) ukazuje schéma ukládání ve směru „z kopce“, to znamená od vnějšího okraje schůdku k dolní terase. Depoziční úhel β mezi paprskem a povrchem je malý (1 ° -3 °), takže některé oblasti teras jsou paprsku vystaveny a jiné jsou geometricky zastíněny .

Depoziční úhel β určuje šířku nanostruktur podle následujícího vztahu:

kde w je šířka nanostruktury, a je výška jednoho kroku, α je úhel nesprávného řezu a β je úhel depozice mezi dopadajícím paprskem a povrchem ( α a β jsou považovány za malé a jsou měřeny v radiánech).

Obrázek 1 (b) ukazuje podobnou situaci, ale tentokrát se substrátem otočeným o 180 °, takže dopadající paprsek je nyní ve směru „do kopce“ a téměř rovnoběžný s povrchem. V tomto případě poskytují stupňovité plochy spojovací místa a uložený materiál roste podél kroků, podobně jako u mechanismu růstu krokového toku .

Aby se růst nanovláken o šířce patnácti nanometrů nebo méně, ukládání teplota pro obě polohy by měly být vybrány tak, aby se střední volná dráha z adatoms na povrchu je omezena na několik málo nanometrů.

Experimentální vývoj

Systém ATLAS byl vyvinut v rámci skupiny Applied Physics Group na School of Physics , Trinity College v Dublinu . Experimentální postup je ve srovnání s litografií nebo jinými přístupy relativně přímý , což znamená, že je zapotřebí pouze standardní vybavení.

Set-up se skládá z ultra vysoce vakuové komory (základní tlak v minimu 10 -10 Torr rozsah), se vzorek namontován na velké pracovní vzdálenosti (40 až 100 cm ) ze zdroje odpařování. Tato velká vzdálenost poskytuje vysokou kolimaci požadovanou pro techniku ​​ATLAS. Samotný vzorek je namontován na rotačním stolku a lze jej naklonit o 200 ° s přesností ± 0,5 °.

Substrát lze během depozice zahřívat buď průchodem stejnosměrného proudu vzorkem pro polovodiče, nebo průchodem proudu samostatnou topnou fólií pod substrátem pro izolaci oxidů .

Všestrannost

Schopnosti systému byly nejprve testovány pěstováním sad kovových nanodrátů o šířce 10–30 nm na dvou typech vicinálních substrátů, stupňovitě seskupeném Si ( 111 ) a α-Al 2 O 3 ( 0001 ). Depozice Au a Ag na tyto substráty poskytuje pole drátů o šířce a výšce 15 nm a 2 nm a oddělené přibližně 30 nm.

Od svého zavedení v roce 2008 byl ATLAS prokázán jako jednoduchá technika pro výrobu nanodrátů různých materiálů do šířky 15 nm a tloušťky 2 nm na několika stupňovitých substrátech.

Omezení

Přestože ATLAS je univerzální technika, existují určitá omezení. Počáteční růst nanodrátů je jaderný na určitých preferenčních adsorpčních místech. To může tvořit epitaxní semena, která rostou nezávisle na sobě, dokud se nesetkají, což vytváří celkový polykrystalický drát. Tato polykrystaličnost může ovlivnit stabilitu drátu při vystavení vzduchu a může zvýšit odpor kvůli jeho vadné povaze. Probíhajícím tématem výzkumu je zvýšení epitaxiality nanodrátů pomocí mřížkové shody nebo zvýšení počáteční mobility zahřátím substrátu.

Navzdory těmto omezením jsou výsledky ATLASu o šířce 15 nm přibližně pětinásobné zmenšení velikosti ve srovnání s jinými technikami mělkého úhlu.

Reference