Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер»



Скачать 264.86 Kb.
страница1/3
Дата29.07.2013
Размер264.86 Kb.
ТипАвтореферат
  1   2   3
На правах рукописи

Пинаев Александр Леонидович

ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЖИМА ДИНАМИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ЛИТОГРАФИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ «МЕТАЛЛ-ПОЛИМЕР»

Специальность: 05.11.01 – «Приборы и методы измерения (механические величины)»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук


Санкт-Петербург – 2011

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшегопрофессионального образования «Санкт-Петербургский государственныйуниверситет информационных технологий, механики и оптики».

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор

Голубок Александр Олегович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Мусалимов Виктор Михайлович
кандидат физико-математических наук,

Сошников Илья Петрович

Ведущая организация: Институт аналитического приборостроения РАН, СПб
Защита состоится «15» ноября 2011 г. в 15:30 часов на заседании диссертационного совета Д 212.227.04 при Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий, механики и оптики по адресу: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д. 49, ауд. 461.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СПбГУ ИТМО.


Отзывы и замечания (в 2 экз.) по автореферату направлять по адресу университета: 197101, Санкт-Петербург, пр. Кронверкский, д. 49, Ученому секретарю диссертационного совета
Автореферат разослан «15» сентября 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета:

к.т.н., доцент С. С. Киселёв

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Конец XX и начало XXI веков ознаменованы бурным развитием технологий, ориентированных на создание, исследование и применение материалов и объектов с нанометровыми пространственными масштабами в одном, двух или трех измерениях. Технологии, по которым создаются наноматериалы и нанообъекты различной природы и разнообразные технические системы на их основе, получили название нанотехнологий (НТ). Отличительной особенностью наноматериалов и нанообъектов, получаемых с помощью НТ, является тот факт, что они обладают новыми физико-химическими свойствами, отличными как от свойств макроскопических объемных материалов, так и от свойств отдельных атомов и молекул[1]. Например, в металлических или полупроводниковых наноструктурах с пониженной размерностью (2D, 1D или 0D) могут возникать размерные эффекты, обусловленные волновыми свойствами носителей заряда. Наноструктуры с пониженной размерностью лежат в основе различных устройств и систем (лазеры на квантовых точках, сверхпроводящие квантовые интерферометры, кубиты квантовых компьютеров, одноэлектронные транзисторы и т.п.), придавая им новые свойства или улучшая их технические характеристики. Именно благодаря возможностям НТ, появились такие научно-технические области как нанофотоника, наноэлектроника, наносенсорика, наномеханика.


Наномодификация поверхности материала (нанолитография [2]) является одним из основных направлений НТ. В современных НТ реализованы различные способы нанолитографии [3], которые можно разделить на пучковые, зондовые и импринтинг[4]. В первом случае осуществляется взаимодействие с веществом жестких ультрафиолетовых или рентгеновских фотонов, электронов или ионов. В настоящее время наиболее широко распространены пучковые методы, позволяющие создавать разнообразные наноструктуры из различных материалов. Например, в работе [5] с помощью электронной литографии созданы упорядоченные нитевидные GaAs нанокристаллы представляющие особый интерес для оптоэлектроники, сенсорики и т. п. В зондовой нанолитографии наномодификация поверхности осуществляется острым твердотельным зондом сканирующего зондового микроскопа (СЗМ), при этом появляется возможность совмещать процесс литографии с диагностикой создаваемых наноструктур. Этот метод получил название сканирующая зондовая литография (СЗЛ). В основе наноимпринтинга лежит метод создания отпечатков наноматриц на поверхности исходной подложки. Следует отметить, что создание с помощью нанолитографии разнообразных наноструктур стимулирует развитие новых подходов к анализу и характеризации их топологии [6].

Метод динамической силовой литографии (ДСЛ), являясь разновидностью СЗЛ, предоставляет уникальные возможности создания наноструктур на поверхности различных материалов с помощью достаточно простых и относительно недорогих инструментальных средств. Модификация поверхности полимера, покрытого тонкой металлической пленкой с использованием метода ДСЛ, открывает новые возможности создания наноструктур, представляющих интерес для нанофотоники, наноэлектроники, наносенсорики.

Цель диссертационной работы. Исследование и оптимизация (по скорости процесса и пространственному разрешению) метода динамической силовой литографии в СЗМ с пьезорезонансным датчиком силового взаимодействия для создания проводящих наноструктур на поверхности поликарбонатной подложки, покрытой тонкой металлической пленкой.

Задача исследований. Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие задачи:

- разработать математическую модель ДСЛ, адаптированную к СЗМ “NanoEducator” с пьезорезонансным датчиком силового взаимодействия, включая модель продольного сжатия W зонда,

- создать экспериментальную установку на базе СЗМ “NanoEducator” для реализации и исследования режима ДСЛ и измерить ее характеристики, необходимые для проведения расчетов в рамках разработанной модели,

- провести математическое моделирование процесса ДСЛ в рамках разработанной модели, проанализировать результаты моделирования с целью оптимизации режима ДСЛ,

- разработать методы изготовления и измерения геометрических параметров W нанозондов, оценить теоретически и определить экспериментально критический угол заточки и радиус закругления W нанозондов, обеспечивающих устойчивую работу СЗМ в режиме ДСЛ,

- разработать методы изготовления исходных образцов для ДСЛ, в виде поликарбонатных подложек покрытых тонким слоем (~ 20 нм) Au,

- разработать методы формирования на поверхности поликарбонатной подложки проводящие Au наноструктуры с различной геометрией используя СЗМ “NanoEducator”,,

-визуализировать полученные наноструктуры различными методами,

- определить экспериментально оптимальные по пространственному разрешению и скорости сканирования параметры режима ДСЛ в СЗМ “NanoEducator”.

Основные положения, выносимые на защиту:

- пьезорезонансный зондовый датчик на основе пьезокерамической трубки с W нанозондом позволяет поддерживать устойчивый режим ДСЛ, обеспечивая создание металлических наноструктур различной геометрии (кольца, меандры, двумерные упорядоченные решетки и т.п.) на поверхности поликарбанатных подложек с одновременной визуализацией их топографии;

- пространственное разрешение ДСЛ ограничено радиусом острия нанозонда. При радиусе электрохимически заточенных W игл (50-100) нм пространственное разрешение достигает соизмеримой величины.

- результаты расчетов, выполненные в рамках одномерной упругой модели, дают адекватную картину наномодификации тонкой металлической пленки и указывают на существование оптимальных параметров режима ДСЛ. Предложенная модель позволяет оценить давление в области контакта нанозонда с поверхностью образца и критическое давление, определяющие устойчивость W острия под действием осевого сжатия. Расчетное давление в области контакта нанозонда с поверхностью образца в СЗМ «NanoEducator», работающем в режиме ДСЛ, составляет ~1ГПа при радиусе нанозонда ~100 нм, амплитуде управляющего импульса ~0,3 В и длительности ~ 5 мкс;

- угол конуса острия нанозонда является основным фактором, определяющим его механическую устойчивость в процессе ДСЛ. При фиксированных параметрах ДСЛ, критическое давление уменьшается как квадрат тангенса угла при вершине острия.

- используя СЗМ «NanoEducator» в режиме ДСЛ можно создавать двумерные дифракционные решетки с пространственным периодом до ~100 нм, а также тонкопленочные (10-20) нм проводящие наноструктуры, с минимальным латеральным размером (50-100)нм. В подобных наноструктурах можно должны проявляться эффекты размерного квантования при низких температурах.

Методы исследования. Для получения теоретических данных использовались методы математического моделирования. При изготовлении образцов использовался метод магнетронного напыления. В качестве подложки использовались пластины поликарбоната марки РС-075. Зонды СЗМ изготавливались методом электрохимического травления, а также с использованием метода фокусированного ионного пучка (ФИП). Модификация поверхности образца проводилась методом ДСЛ. При исследовании полученных наноструктур использовались методы СЗМ, электронной и конфокальной микроскопии.

Научная новизна.

  1. Впервые построена качественная и количественная механическая модель ДСЛ для СЗМ с пьезорезонансным датчиком силового взаимодействия с металлическим нанозондом, в том числе изготовленном из вольфрамовой проволоки.

  2. На основе полученной модели проведена численная оценка механического давления в области наноконтакта зонда с поверхностью исходной подложки в зависимости от параметров управляющего импульса, а также оценка критического давления, приводящего к потере формы зонда.

  3. Впервые для создания металлических наноструктур методом ДСЛ использованы полимерные подложки, покрытые тонким металлическим слоем.

Достоверность научных результатов полученных в работе, обеспечивается строгостью постановки задач и применяемых математических методов, применением различных альтернативных методов диагностики создаваемых наноструктур, статистической обработкой полученных результатов, согласием расчетных и экспериментальных данных.

Работа выполнялась с использованием современного оборудования НОЦ в направлении нанотехнологий СПбГУ ИТМО. Обработка данных проводилась на базе кафедры Нанотехнологий и материаловедения СПбГУ ИТМО.

Практическая ценность работы обусловлена разработкой относительно простого и недорогого метода создания дифракционных решеток с пространственным периодом до ~100 нм с площадью ~(100 х 100) мкм2, а также проводящих наноструктур различной геометрии, представляющих интерес при создании элементов и устройств нанофотоники, наноэлектроники, наносенсорики.

Апробация работы.

Результаты работы докладывались и обсуждались на IV-VIII Всероссийских научных конференциях молодых ученых (Санкт-Петербург, 2007-2011), а также на факультетских и кафедральных семинарах.

Публикации.

По материалам диссертации опубликовано 7 работ, из них 7 - в журналах, включенных в перечень изданий, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы.

Работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 79 наименований. Основной текст работы изложен на 103 страницах, включает в себя 2 таблицы и 74 рисунков.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи работы, научная новизна и практическая ценность полученных результатов, основные положения, выносимые на защиту. Приведена краткая характеристика работы.

В первой главе представлены общие сведения о сканирующей зондовой микроскопии (СЗМ), рассмотрено ее место в современных нанотехнологиях. В первой части главы изложена история открытия СЗМ. Рассмотрены физические основы СЗМ с акцентом на два важнейших направления: сканирующую туннельную микроскопию (СТМ) и Атомно-силовую микроскопию (АСМ). Описаны основные компоненты СЗМ и принцип его работы. Достаточно подробно рассмотрены основные инструментальные узлы микроскопа, включая пьезокерамические движители, используемые для прецизионного позиционирования зонда или образца. Также рассмотрены различные типы СЗМ - датчиков, используемых для детектирования локального взаимодействия между зондом и образцом. Рассмотрен общий подход к организации аппаратно-програмных средств СЗМ.

Вторая часть главы посвящена сканирующей зондовой литографии (СЗЛ). Приведен обзор методов СЗЛ в зависимости от вида физического и химического локального воз­действия нанозонда на поверхность образца. Выделены четыре основных метода СЗЛ:

  1. токовая литография.

  2. силовая литография.

  3. локальное анодирование.

  4. ближнепольная оптическая литография.

На основе анализа литературных данных определен предмет исследования и сформулирована цель работы. Предметом исследования явилась разновидность методики силовой литографии – динамическая силовая литография (ДСЛ), в основе которой лежит динамический механический контакт заостренной металлической иглы с плоской поверхностью образца[7]. Целью исследований было развитие метода ДСЛ с использованием пьезорезонансного зондового датчика, ориентированного на создание металлических наноструктур, в том числе наноструктур с пониженной размерностью. Сформулированы основные задачи, требующие решения для достижения поставленной цели.

Во второй главе приведена и подробно описана схема экспериментальной установки (рис. 1.), представлены конструкции основных блоков установки с подробным описанием их устройства и функций. Описаны установки для изготовления и контроля СЗМ - зондов и образцов.



Рис. 1 . Блок-схема экспериментальной установки. 1- система сближения датчика с образцом; 2- пьезокерамический датчик; 3- вольфрамовый зонд; 4 – модифицируемый образец или тест- образец; 5- 3D пьезосканер; 6-измерительная головка СЗМ NanoEducator; 7- электронный блок управления измерительной головкой; 8 – персональный компьютер с ПО Solver Nova Tech .и NanoEducator; 9- оптический микроскоп “Optem”; 10 – осциллограф; 11 – антивибрационный стол «Table Stable TS - 150»; 12 – монитор оптического микроскопа.

В качестве исходных образцов для создания металлических наноструктур предложены тонкие (~ 20нм) Au пленки, нанесенные методом магнетронного напыления на поверхность подложки из поликарбоната. Основная идея заключалась в том, чтобы, модифицируя острым вольфрамовым зондом тонкое золотое покрытие в режиме ДСЛ, попытаться прорезать Au пленку насквозь, не затупив вершину зонда об исходную подложку. Для этого в качестве материала исходной подложки был выбран полимер (поликарбонат), имеющий меньшую механическую твердость по сравнению с твердостью металлического зонда (W) Предполагалось исследовать возможности метода ДСЛ при создании проводящих металлических наноструктур на поверхности диэлектрической полимерной подложки.

Также во второй главе проведен качественный анализ процесса ДСЛ, демонстрирующий зависимость наномодификации поверхности образца от множества экспериментальных параметров системы, среди которых:

- предел пластической деформации зонда и образца;

- модуль Юнга и коэффициент Пуассона зонда и образца;

- амплитуда и длительность управляющего импульса электрического напряжения, чувствительность сканера;

- эффективная масса, коэффициент трения, резонансная частота, жесткость и добротность колебательной системы сканера с образцом;

- эффективная масса, коэффициент трения, резонансная частота, жесткость и добротность колебательной системы зонда;

- амплитуда резонансных колебаний зонда и амплитуда вынуждающей силы, приложенной к зонду;

- расстояние между равновесными положениями зонда и образца;

- амплитуда и ускорение перемещения образца;

- радиус зонда и локальное давление в зоне контакта;

- форма зонда и критическая сила, при которой зонд теряет устойчивость при продольном сжатии;

- время затухания колебаний (переколебаний) образца после окончания действия управляющего импульса напряжения;

- скорость сканирования и время задержки между остановкой сканирования в момент механического воздействия и началом сканирования для перехода в другую координату;

- постоянная времени следящей системы (СС).
  1   2   3

Похожие:

Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconПрорыв в литографии позволит опровергнуть закон Мура
Мура и, возможно, продлевая жизнь современной литографии. Так называемая "технология пика яркости" регулирует пространство между...
Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconОоо птк полимер-технология
Полимер-песчаная черепица и оборудование (станки) для производства полимерно-песчаной черепицы
Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconПрототип динамической интеллектуальной системы «коралловый риф» для мониторинга, диагностики и управления аквариумом
В данной работе описываются принципы построения прототипа динамической интеллектуальной системы «Коралловый риф», предназначенной...
Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconПрототип динамической интеллектуальной системы регулировки движения транспортного узла
Ен прототип динамической интеллектуальной системы (дис) «Умный светофор», предназначенный для решения задачи регулировки движения...
Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconО реализации прототипа динамической интеллектуальной системы для планирования задач и распределения ресурсов на железнодорожной станции
В работе рассматриваются некоторые аспекты разработки прототипа динамической интеллектуальной системы для мониторинга, планирования...
Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconИсследование поверхности твердых тел методом атомно-силовой микроскопии в неконтактном режиме 1

Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconШнедров Ф. М., аспирант Кампи кинематика и силовой анализ роторной машины курочкина
Поэтому роторная машина Курочкина представляет интерес для практического применения. При этом возникает необходимость в определении...
Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconВопросы по теории колебаний
...
Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconПрототип динамической интеллектуальной системы охранной и пожарной сигнализации
Случайных действий обслуживающего персонала и находящихся на территории объекта иных лиц. Для обеспечения этого создаются различные...
Исследование режима динамической силовой литографии для системы «металл-полимер» iconСвойства продукта Свойство Физическая Метод анализа Единицы Характерное значение Торговая форма спецификация
Полимер kratontm g-1651 – чистый линейный тройной блок-сополимер на основе стирола и этилен/бутилена с содержанием стирола 33% масс....
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org